CN114323170A - 电磁流量计探头及应用该探头的电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁流量计探头，包括：电极阵列以及励磁系统。所述电极阵列包括N个电极，所述N个电极在测量时环绕管道的外壁等间距分布。所述励磁系统用于提供任意方向的磁场，包括至少两组励磁线圈，所述励磁线圈在测量时环绕所述管道的外壁分布，并且设置于所述电极阵列远离所述管道外壁的一侧。本发明还进一步提供一种包括上述探头的电磁流量计，可以用于测量液相具有弱导电性的气液两相流的流量。

Description

电磁流量计探头及应用该探头的电磁流量计

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域。

背景技术

电磁流量计(Electromagnetic Flow Meter,简称EMF)是一种利用电磁感应对管道内导电流体进行流速及流量测量的流量计。传统电磁流量计通过将一对电极内嵌在绝缘管壁上并和管道内流体进行接触来获取可以表征管道内流体流速大小的电磁感应电动势来实现流速及流量测量。由于只采用了一对电极，传统电磁流量计通常要求被测流体充满管道且具有轴对称的流速分布。随着电磁流量计相关技术的发展，又出现了多电极电磁流量计，可以获得管道内流速分布，从而更准确估计管道内流体流量。

然而，现有的电磁流量计对于弱导电性流体以及流速分布及浓度分布复杂的流体测量精确性较差。因此，如何快捷且有效地测量液相具有弱导电性且流速分布及浓度分布复杂的流体(如气液两相流)的流量是目前需要解决的问题。

发明内容

一种电磁流量计探头，使用时设置于管道的外壁，包括：电极阵列，包括N个电极，所述N个电极在测量时环绕所述管道的外壁等间距分布，其中N为偶数；以及励磁系统，包括至少两组励磁线圈，用于提供任意方向的磁场，所述励磁线圈在测量时环绕所述管道的外壁分布，并且设置于所述电极阵列远离所述管道外壁的一侧。

如上述电磁流量计探头，其中，所述励磁系统由相互垂直的第一励磁线圈与第二励磁线圈组成。

如上述电磁流量计探头，其中，所述探头进一步包括一绝缘衬里设置于所述电极阵列与所述管道外壁之间，用于将所述电极阵列与所述管道内被测流体隔离。

如上述电磁流量计探头，其中，所述探头进一步包括一屏蔽层设置于所述励磁系统远离所述管道外壁的一侧。

一种电磁流量计，包括测量系统以及所述探头，所述测量系统与所述探头之间存在通信通路，所述测量系统包括：微控制器、励磁/激励电路以及测量电路；所述微控制器通过模式控制信号控制所述励磁/激励电路、所述测量电路处于第一工作模式或第二工作模式，以及通过电极选通信号控制所述电极阵列中电极、电极对的选通；所述励磁/激励电路分别与所述励磁系统、所述电极阵列中的电极电连接，当处于第一工作模式时向所述励磁系统提供励磁电流，以及当处于第二工作模式时向所述电极阵列中被选通的电极k施加激励电压；所述测量电路与所述电极阵列中的电极电连接，当处于第一工作模式时测量垂直于磁场方向的电极对之间的感应电动势，以及当处于第二工作模式时测量所述被选通电极k与其他电极之间的电容值。

如上述电磁流量计，其中，所述所述测量电路包括第一数据处理模块与第二数据处理模块；所述第一数据处理模块用于对所述感应电动势进行前置放大、仪表放大、滤波、整流、模数转换；所述第二数据处理模块用于对所述电容值进行C/V转换、放大、解调、滤波、模数转换。

如上述电磁流量计，其中，述微控制器用于控制所述励磁系统依次产生方向为a1、a2、…、a(N/2)的磁场；所述微控制器还用于控制所述测量电路依次测得磁场方向分别为a1、a2、…、a(N/2)时，垂直于磁场方向的各电极对之间的感应电动势。

如上述电磁流量计，其中，所述微控制器用于控制所述激励电路依次给所述电极阵列中的电极施加激励电压，所述微控制器还用于控制所述测量电路测量所述电极阵列中被施加激励电压的电极与所述电极阵列中的其他电极之间的电容值。

如上述电磁流量计，其中，所述电磁流量计进一步包括微处理器，所述微处理器对所述微控制器采集的感应电动势数据进行速度分布的反演，获得速度常数分布，以及对所述微控制器采集的电容值数据进行速度分布的反演，获得浓度常数分布。

如上述电磁流量计，其中，所述微处理器还用于在所述管道的横截面上对所述速度常数分布、所述浓度常数分布的乘积进行积分，以获得液相介质的流量。

相较于现有技术，本发明实施例提供的电磁流量计探头及应用该探头的电磁流量计可以实现对管道内液相流体的流速分布及浓度分布的测量，可用于测量液相具有弱导电性且流速分布及浓度分布复杂的流体的流量，大大扩展了电磁流量计的实用性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电磁流量计示意图。

图2为本发明实施例提供的电磁流量计探头结构示意图。

图3为本发明实施例提供的电磁流量计结构示意图。

图4为本发明实施例提供的第一数据处理模块结构示意图。

图5为本发明实施例提供的第二数据处理模块结构示意图。

图6为可用于本发明实施例提供的电磁流量计的数据处理流程示意图。

主要元件符号说明

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请一并参阅图1与图2，本发明第一实施例提供一种多磁场多电极电容耦合式电磁流量计10，用于测量液相具有弱导电性且流速分布及浓度分布复杂的流体(如气液两相流)的流量。所述多磁场多电极电容耦合式电磁流量计10包括探头100以及测量系统200。所述探头100与所述测量系统200之间存在通信通路。所述探头100可以感测管道内被测流体的流量信息并传送给所述测量系统200，所述测量系统200可以控制所述探头100的工作模式以及接收所述探头100发回的感测数据，并可以进一步对该感测数据进行数据处理、图像重建以及显示等。

所述探头100在测量流体流量时设置于管道的外壁，用于感测管道内被测流体的流量信息。所述探头100包括壳体(图未示)、电极阵列110、励磁系统120、绝缘衬底130以及屏蔽层140。所述壳体包括内壁、外壁以及连接内壁与外壁的侧壁，所述内壁、外壁以及侧壁共同围成一腔体。所述电极阵列110、所述励磁系统120、所述绝缘衬底130以及所述屏蔽层140设置于该腔体的内部，且绝缘衬底130、电极阵列110、励磁系统120以及屏蔽层140依次沿所述腔体由内壁向外壁的方向设置。

所述电极阵列110包括N个电极111，依次编号为电极1、电极2、…、电极N，其中N为偶数。所述N个电极111在测量时环绕管道的外壁等间距分布，N的数值可以根据管道直径设定并随管道直径增大而增大，优选地，N可以为6、8或12。相邻两个电极间的间隙相对于管道截面圆心的张角优选为5°。当N为6时，优选电极张角为55°；当N为8时，优选电极张角为40°；当N为12时，优选电极张角为25°。具体电极数目的选择，应结合管径大小并以适宜加工为宜。所述电极111可分别工作于第一工作模式(电磁流量计工作模式)的信号拾取电极或工作于第二工作模式(电容成像工作模式)。

所述励磁系统120用于提供任意方向的磁场，包括至少两组励磁线圈。所述励磁线圈在测量时环绕所述管道的外壁分布，并且设置于所述电极阵列110的外侧，即位于该电极阵列110远离管道的一侧。所述励磁系统120用于为第一工作模式提供相应的磁场。所述励磁线圈可以采用赫姆霍兹线圈，以提供磁感应强度分布较为均匀的磁场。

本实施例中，所述励磁系统120由相互垂直的第一励磁线圈121与第二励磁线圈122组成。在该第一励磁线圈121与第二励磁线圈122中施加相同频率、不同幅值的励磁电流，基于叠加原理便可以为第一工作模式提供任意方向的磁场。

所述探头100可以包括绝缘衬里130。所述绝缘衬里130设置于所述电极阵列110与所述管道外壁之间，用于将所述电极阵列110与管道内被测流体相隔离。所述电极阵列110的电极和被测流体之间、以及电极阵列110的电极和电极之间构成电容。

所述绝缘衬里130可选用工业陶瓷、聚四氟乙烯等材料。该绝缘衬里130的厚度可以尽量降低，从而提高所述电极阵列110的电极和被测流体之间耦合电容的容值，方便第一工作模式下流量信号的检出。所述绝缘衬里130的外壁至管道轴线距离(即绝缘衬里130外径)可以为1.05～1.15倍的管道内径。本实施例中为1.1倍。

所述探头100可以包括屏蔽层140，设置于所述励磁系统120的外侧，即所述励磁系统120远离所述管道外壁的一侧。在使用时，所述屏蔽层140接地设置。所述电磁流量计10在第一工作模式下，通过电容耦合的流量信号非常微弱，容易淹没在环境噪声中，接地设置的屏蔽层140可以克服外界环境噪声的干扰，提高信噪比。在第二工作模式下，所述屏蔽层140同样可以屏蔽外界环境噪声的干扰。

所述测量系统200用于控制所述探头100的工作模式、驱动所述探头100以及接收所述探头100发回的感测数据，并可以进一步对该感测数据进行数据处理、图像重建以及显示等。

所述测量系统200与所述探头100之间存在通信通路。该通信通路可以是有线通信通路，也可以是无线通信通路。具体在本实施例中，所述测量系统200与所述探头100电连接。

请参阅图3，所述测量系统200可以包括：励磁/激励电路210、测量电路220、微控制器230以及微处理器240。

所述励磁/激励电路210分别与所述电极阵列110、所述励磁系统120电连接，用于分别为所述电极阵列110提供激励电压以及为所述励磁系统120提供励磁电流。所述励磁/激励电路210还与所述微控制器230电连接，接收所述微控制器230发送的控制信号。

所述励磁/激励电路210可以包括：模式切换第一模块211、励磁电路(具体在本实施例中为第一励磁电路212a与第二励磁电路212b)、激励电路213以及第一电极选择模块214。所述模式切换第一模块211接收所述微控制器230发出的模式控制第一信号，根据该模式控制第一信号控制所述励磁/激励电路210中的励磁电路212a、212b或激励电路213被选通，以使该励磁/激励电路210工作在第一工作模式或第二工作模式。

所述励磁电路与探头100中的励磁系统120电连接，用于第一工作模式下向励磁系统120提供励磁电流。

具体在本实施例中，所述励磁电路进一步包括第一励磁电路212a和第二励磁电路212b。所述第一励磁电路212a与所述第一励磁线圈121电连接，用于向该第一励磁线圈121施加励磁电流以产生垂直于该第一励磁线圈121的磁场。所述第二励磁电路212b与所述第二励磁线圈122电连接，用于向该第二励磁线圈122施加励磁电流以产生垂直于该第二励磁线圈122的磁场。

所述激励电路213与探头100中的电极111电连接，用于第二工作模式下给电极111施加激励电压。

所述第一电极选择模块214接收所述微控制器230发送的电极选通第一信号，用于选通电极阵列110中的某一特定电极(以电极k表示)，所述激励电路213产生的激励电压被施加到该被选通的电极。

所述测量电路220与所述电极阵列110电连接，用于测量第一工作模式下不同电极对之间感应电动势以及测量第二工作模式下电极对之间的电容值。所述测量电路220还与所述微控制器230电连接，接收所述微控制器230发送的控制信号以及向所述微控制器230发送采集到的数据。

所述测量电路220可以包括：第二电极选择模块221、模式切换第二模块222、第一数据处理模块223以及第二数据处理模块224。

所述第二电极选择模块221接收所述微控制器230发送的电极选通第二信号，用于选通电极阵列110中的某一特定电极对(以电极i、电极j表示)。

所述模式切换第二模块222接收所述微控制器230发出的模式控制第二信号，根据该模式控制第二信号控制所述测量电路220中的第一数据处理模块223或第二数据处理模块224被选通，以使该测量电路220工作在第一工作模式或第二工作模式。

所述第一数据处理模块223与探头100中的电极111电连接，用于采集被所述第二电极选择模块221选通的电极对之间的感应电动势。

请参见图4，所述第一数据处理模块223还可以对原始采集到的感应电动势进行数据处理。具体地，所述第一数据处理模块223包括：前置放大器、仪表放大器、滤波模块、整流模块、模数转换模块。原始采集到的感应电动势依次经过前置放大、仪表放大、滤波、整流、模数转换等加工处理后送入所述微控制器230。

所述第二数据处理模块224与探头100中的电极111电连接，用于采集被所述第二电极选择模块221选通的电极对之间的电容值。

请参见图5，所述第二数据处理模块224还可以对原始采集到的电容值进行数据处理。具体地，所述第二数据处理模块224进一步包括：C/V转换器、放大模块、解调模块、滤波模块、模数转换模块。原始采集到的电容值依次经过C/V转换、放大、解调、滤波、模数转换等加工处理后送入所述微控制器230。

所述微控制器230可以用于时序控制、电极对选择、工作模式切换、励磁/激励信号发生、数据采集和上传等。

关于电极选择，所述微控制器230通过施加在第一电极选择模块214的电极选通第一信号选通电极阵列110中的某一特定电极；以及通过施加在第二电极选择模块221的电极选通第二信号选通电极阵列110中的某一特定电极对。

关于工作模式切换，所述微控制器230通过施加在模式切换第一模块211的模式控制第一信号控制所述励磁/激励电路210中的励磁电路212a、212b或激励电路213被选通；以及通过施加在模式切换第二模块222的模式控制第二信号控制所述测量电路220中的第一数据处理模块223或第二数据处理模块224被选通。

所述微控制器230还用于控制所述励磁/激励电路210产生的励磁/激励信号。

所述微控制器230还用于接收所述测量电路220采集到的感应电动势、电容值，并将上述数据发送到所述微处理器240。

本发明实施例提供的电磁流量计10工作于第一工作模式下时，所述微控制器230调节两励磁电流的幅值依次产生方向为a1、a2、…、a(N/2)的磁场；并分别测得垂直于磁场方向a1、a2、…、a(N/2)的各电极对之间的感应电动势，获得感应电动势集合E1、E2、…、E(N/2)。

具体地，所述微控制器230执行以下步骤：

控制所述第一励磁电路212a在所述第一励磁线圈121中施加励磁电流，以产生方向为a1的磁场，并控制所述测量电路220依次测量电极1与电极N、电极2与电极(N-1)、…、电极N/2与电极(N/2+1)等电极对之间的感应电动势，获得感应电动势集合E1；

控制所述第一励磁电路212a在所述第一励磁线圈121、所述第二励磁电路212b在所述第二励磁线圈122施加励磁电流，通过调节两励磁电流的幅值产生方向为a2的磁场，并控制所述测量电路220依次测量电极2与电极1、电极3与电极N、…、电极(N/2+1)与电极(N/2+2)等电极对之间的感应电动势，获得感应电动势集合E2；以及

进一步调节两励磁电流的幅值依次产生方向为a3、a4、…、a(N/2)的磁场，分别测得垂直于磁场方向的各电极对之间的感应电动势，获得感应电动势集合E3、E4、…、E(N/2)。

本发明实施例提供的电磁流量计10工作于第二工作模式下时，所述微控制器230执行以下步骤：

控制所述激励电路213给电极1施加激励电压，并控制所述测量电路220依次测得电极1与电极2、电极1与电极3、电极1与电极4、…、电极1与电极N各电极对之间的电容值，获得电容值集合C1；以及

进一步控制所述激励电路213依次给电极2～电极N施加激励电压，并依次测得其他独立电极对之间的电容值，获得电容值集合C2、C3、…、CN。

所述微处理器240接收所述微控制器230采集的感应电动势、电容值数据，并对接收到的上述数据进行数据处理、图像重建和显示等。

所述微处理器240接收所述微控制器230采集到的所有感应电动势集合，并进行速度分布的反演，从而实现对导电流体速度分布的非接触测量，以及所述微处理器240接收所述微控制器230采集到的所有电容值，并进行介电常数分布的图像重建，从而实现对管道截面上介质浓度分布的测量。将流速分布与浓度分布相结合，即可获得对应的液相介质的流量。

具体请参见图6，速度分布的反演和浓度分布的重构需要用到层析成像(Tomography)技术。一般要先将敏感区域划分为有限个网格，然后基于有限元分析方法获得敏感场矩阵，最后基于线性反投影(Linear back-projection，LBP)、Landweber迭代等反演算法反算出速度/介电常数分布。在得到了速度分布和浓度分布之后，在整个管道横截面上对二者的乘积进行积分，再结合液相介质的密度信息，便可以得到液相介质的流量。

相较于现有技术，本发明实施例提供的电磁流量计可以实现对管道内液相流体的流速分布及浓度分布的测量，可用于测量液相具有弱导电性且流速分布及浓度分布复杂的流体的流量，大大扩展了电磁流量计的实用性。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种电磁流量计探头，使用时设置于管道的外壁，其特征在于，包括：

电极阵列，包括N个电极，所述N个电极在测量时环绕所述管道的外壁等间距分布，其中N为偶数；

励磁系统，包括至少两组励磁线圈，用于提供任意方向的磁场，所述励磁线圈在测量时环绕所述管道的外壁分布，并且设置于所述电极阵列远离所述管道外壁的一侧；以及

壳体，所述电极阵列、所述励磁系统设置于该壳体围成的腔体的内部。

2.如权利要求1所述的电磁流量计探头，其特征在于，所述励磁系统由相互垂直的第一励磁线圈与第二励磁线圈组成。

3.如权利要求1所述的电磁流量计探头，其特征在于，所述探头进一步包括一绝缘衬里，该绝缘衬里设置于所述电极阵列与所述管道外壁之间，用于将所述电极阵列与所述管道内被测流体隔离。

4.如权利要求1所述的电磁流量计探头，其特征在于，所述探头进一步包括一屏蔽层，该屏蔽层设置于所述励磁系统远离所述管道外壁的一侧。

5.一种电磁流量计，其特征在于，包括测量系统以及如权利要求1-4任一权利要求所述的探头，所述测量系统与所述探头之间存在通信通路，所述测量系统包括：微控制器、励磁/激励电路以及测量电路；

所述微控制器通过模式控制信号控制所述励磁/激励电路、所述测量电路处于第一工作模式或第二工作模式，以及通过电极选通信号控制所述电极阵列中电极、电极对的选通；

所述励磁/激励电路分别与所述励磁系统、所述电极阵列中的电极电连接，当处于第一工作模式时向所述励磁系统提供励磁电流，以及当处于第二工作模式时向所述电极阵列中被选通的电极k施加激励电压；

所述测量电路与所述电极阵列中的电极电连接，当处于第一工作模式时测量垂直于磁场方向的电极对之间的感应电动势，以及当处于第二工作模式时测量所述被选通电极k与其他电极之间的电容值。

6.如权利要求5所述的电磁流量计，其特征在于，所述测量电路包括第一数据处理模块与第二数据处理模块；

所述第一数据处理模块用于对所述感应电动势进行前置放大、仪表放大、滤波、整流、模数转换；

所述第二数据处理模块用于对所述电容值进行C/V转换、放大、解调、滤波、模数转换。

7.如权利要求5所述的电磁流量计，其特征在于，所述微控制器用于控制所述励磁系统依次产生方向为a1、a2、…、a(N/2)的磁场；所述微控制器还用于控制所述测量电路依次测得磁场方向分别为a1、a2、…、a(N/2)时，垂直于磁场方向的各电极对之间的感应电动势。

8.如权利要求5所述的电磁流量计，其特征在于，所述微控制器用于控制所述激励电路依次给所述电极阵列中的电极施加激励电压，所述微控制器还用于控制所述测量电路测量所述电极阵列中被施加激励电压的电极与所述电极阵列中的其他电极之间的电容值。

9.如权利要求5所述的电磁流量计，其特征在于，所述电磁流量计进一步包括微处理器，所述微处理器对所述微控制器采集的感应电动势数据进行速度分布的反演，获得速度常数分布，以及对所述微控制器采集的电容值数据进行速度分布的反演，获得浓度常数分布。

10.如权利要求9所述的电磁流量计，其特征在于，所述微处理器还用于在所述管道的横截面上对所述速度常数分布、所述浓度常数分布的乘积进行积分，以获得液相介质的流量。

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