CN1865966A - 多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统 - Google Patents

Abstract

多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统，包括单丝电容探针装置以及与单丝电容探针装置相连接的电容电压转换电路和信号处理装置，电容电压转换电路将单丝电容探针装置中的单丝电容探针的电容值转化为直流电压，并将电压值传给信号处理装置，信号处理装置实现对电容电压转换电路的开启和关闭的控制并实现数据处理、显示、存储和打印等功能。本发明采用了单丝电容探针，只要求多相管流中被测相为导电介质，测量结果不受流体温度和杂质成分的影响，从根本上消除了流体电学性质随机变化对测量结果的影响，实现了对多相管流相含率和相界面结构的连续实时在线测量，并且有很高的测量精度。

Description

多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统

技术领域

本发明涉及一种多相管流中相含率和相界面的连续实时在线测量系统，具体涉及一种多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统。

背景技术

气—液、液—液、油—气—水多相管流在能源、动力与石油、化工等工业领域广泛应用。实时变化的截面相含率是多相管流中最基本和最重要的特征参数之一。而在分层流、环状流和段塞流中存在着连续的相界面结构，这种相界面结构对多相管流的传热、传质以及阻力特征有着显著的影响。对多相管流的截面相含率和相界面结构的实时准确测量是涉及多相管流的实验研究、技术发展和工业应用中的关键技术之一。

目前测量多相管流截面相含率和相界面结构的方法主要有：快关阀法、射线法、光学法、电学法等。快关阀法是一种机械方法，只适合实验室使用；射线法的准确度较好，但受设备庞大，辐射安全性等因素的影响，光学法受设备昂贵，对测量对象要求苛刻等因素的影响，其使用都受很大的制约。

电学法具有结构简单、反应快速灵敏、运行稳定可靠的特点，成为近20年来多相流测量领域研究的热点技术。电学法可以分为电导法和电容法两类。如中国专利申请文本《地面电导含水分析仪》(公开日2005年3月30日，公开号CN1601265，申请日2004年10月26日)中公开的一种用于测量油田外输液中含水率的地面电导含水分析仪，该专利即采用电导法测量多相管流中的含液率，但是电导法的测量结果随液相电导系数变化而变化，而液相温度、液相中的杂质成分等因素都显著影响液相的电导系数，为了保证测量的精度必须不断对测量结果进行修正，从而无法实现连续的在线测量。如中国专利申请文本《采用内置12极电容传感器的气液两流空泡份额测量仪》(公开日2005年8月17日，公开号CN1654940A，申请日2004年12月29日)中公开的一种气液两相流中空泡份额的测量仪器，该专利即采用电容法测量气液两相流中空泡份额。这类电容法的原理是，布置于两相流动管道上的电极对视为一个电容器，电容值的大小与两相混合物的介电常数ε有关，而ε是气相介电常数ε_G、液相介电常数ε_L和空泡份额α的函数。通过测量电极间的电容值得到混合物的空泡份额。但这类电容法的测量结果同样随着液相介电常数的变化而变化，而液相温度、液相中的杂质成分等因素都显著影响液相的介电常数，为了测量的准确也必须不断对测量结果进行修正。在实验研究或者实际工业多相管流中的流体导电系数和介电常数往往是不断变化的，所以目前这些电导法和电容法并不能实现对多相管流相含率以及相界面结构进行连续的实时在线测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种测量结果不受流体温度和杂质成分的影响且测量精度高，能够从根本上消除流体电学性质随机变化对测量结果的影响，实现连续实时在线测量的多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括单丝电容探针装置以及与单丝电容探针装置相连接的电容电压转换电路和信号处理装置，其特点是，所说的单丝电容探针装置包括设置在测量管道内的单丝电容探针，在测量管道的外侧对称设置有上支架和下支架，上支架和下支架内均设置密封套，上支架上设置有套管和上端盖，上端盖通过螺栓与上支架相连接，且在上端盖上还设置有与单丝电容探针的一端相连接的电极接线柱，下支架上设置有锁紧螺栓和与单丝电容探针的另一端相连接的下端盖；所说的电容电压转换电路采用CAV424芯片，CAV424芯片的外接第一、第二和第三管角分别与参考振荡电路电阻Rosc、第一积分器电流调整电阻Rcx₁、第二积分器电流调整电阻Rcx₂相连接，且参考振荡电路电阻Rosc、第一积分器电流调整电阻Rcx₁、第二积分器电流调整电阻Rcx₂连同CAV424芯片的外接第十管角接地；CAV424芯片的外接第四管角与输出电压放大电阻R_L1连接，该电压放大电阻R_L1的另一端引到外接电压输出端V₀，同时从CAV424芯片的外接第四管角引出导线与另外一个输出电压放大电阻R_L2连接，该电阻R_L2的另为一端与CAV424芯片的外接第六管角连接；CAV424芯片的外接第六管角与载荷电容C_VM连接，该载荷电容C_VM的另外一端接地；同时CAV424芯片的外接第六管角直接与另外一个电压输出端V₁连接；CAV424芯片的外接第十一管角引出导线与直流电压电源外接端V_cc连接；CAV424芯片的外接第十二、十三、十五和十六管角分别与振荡电路电容C_OSC、低通电路电容C_L2、另一低通电路电容C_L1及参考电容C_X1连接，这些电容的另外一端均接地；从CAV424芯片的外接第十四管角引出导线到外接单丝电容探针装置的一端C₀，同时从接地线引出到外接单丝电容探针装置的另一端C₁。，从直流电压电源外接端V_cc接入5伏的直流电源；在外接单丝电容探针装置的两个外接端C₀、C₁分别与单丝电容探针9的两端相连接；信号处理装置采用C8051F000单片机，信号处理装置的输入端与电容电压转换电路的两个电压输出端V₁和V₀连接。

本发明的单丝电容探针包括不锈钢丝和涂敷在不锈钢丝外侧的聚四氟乙烯层；测量管道与上支架及下支架之间还设置有绝缘垫片；；锁紧螺栓和下端盖之间还设置有弹簧。

由于本发明采用了单丝电容探针，只要求多相管流中被测相为导电介质，测量结果不受流体温度和杂质成分的影响，从根本上消除了流体电学性质随机变化对测量结果的影响，实现了对多相管流相含率和相界面结构的连续实时在线测量，并且有很高的测量精度。

附图说明

图1是本发明的整体示意图；

图2是本发明单丝电容探针装置18的装配图；

图3是本发明单丝电容探针9的结构示意图；

图4是本发明电容电压转换电路19的原理图；

图5是本发明对分层界面的测量图，其中横坐标为无量钢液位高度，纵坐标为本发明的测量值；

图6是本发明对泡状流液相相含率的测量图，其中横坐标为液相相含率，纵坐标为测量值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括单丝电容探针装置18以及与单丝电容探针装置18相连接的电容电压转换电路19和信号处理装置20，电容电压转换电路19将单丝电容探针装置18中的单丝电容探针的电容值转化为直流电压，并将电压值传给信号处理装置20，信号处理装置20实现对电容电压转换电路19的开启和关闭的控制并实现数据处理、显示、存储和打印等功能。

参见图2，本发明的单丝电容探针装置18包括设置在测量管道8内的单丝电容探针9，在测量管道8的外壁面径向对称方向上铣出两个对称的圆锥形槽口，外径为0.3mm的圆柱形单丝电容探针9穿过两个圆锥形槽口，参见图3，圆柱形单丝电容探针9采用中心为直径0.1厘米的不锈钢丝16，不锈钢丝外涂厚度为0.1mm聚四氟乙烯层17的漆包线，单丝电容探针9的一端穿过硅树脂密封套5，密封套5制作成圆锥形与圆锥形槽口吻合，除去单丝电容探针9末端的聚四氟乙烯层17后固定在电极接线柱1上，并将电极接线柱1固定在上端盖3上，通过上端盖3上的螺栓2将上端盖3固定在铜质上支架6上固定，在上端盖3往下运动过程中，通过套管4将硅树脂密封套5往测量管道8的壁上的圆锥形槽口挤压起到密封作用。如果测量管道8为非导电材质时，上支架6用固定胶直接固定在测量管道8的外壁上，如果测量管道8为导电材质时，上支架6和测量管道8外壁之间加入绝缘垫片7并用固定胶固定。通过锁紧螺栓13往铜质下支架11上锁紧的过程中挤压硅树脂密封套12对单丝电容探针9的另一端进行密封，下支架11与测量管道8的固定方式与上支架6相同，调节单丝电容探针9的长度并将单丝电容探针9的末端固定在下端盖15上，下端盖15压缩设置在锁紧螺栓13凹槽内的弹簧14，使单丝电容探针9保持一定的张力从而消除流体流动冲击探针产生的振动。单丝电容探针装置18中的单丝电容探针9沿着管道径向垂直穿过测试管道，探针两端分别与端盖和电极接线螺栓连接，利用两端的支架、端盖、螺栓和紧锁螺栓结构对探针进行固定，并利用弹簧将探针张紧消除流动冲击引起的振动，采用硅树脂密封套对探针穿出管道的位置实现良好的密封。

参见图3，单丝电容探针9采用中心为直径0.1厘米的不锈钢丝16，不锈钢丝外涂厚度为0.1mm聚四氟乙烯层17的漆包线，本发明采用外径为0.3mm的圆柱形单丝电容探针，单丝电容探针的测量原理如下：探针的中心为直径为0.1mm的不锈钢丝，不锈钢丝16具有较好的强度和良好的导电性，该不锈钢丝16即作为单丝电容探针9的一个电极。不锈钢丝16外均匀地喷涂厚度为0.1mm的聚四氟乙烯层17，该环状聚四氟乙烯层17即成为单丝电容探针9的电解质。聚四氟乙烯有稳定的电学性质，其电绝缘性和介电常数在很宽的范围内不受环境温度和激励频率的影响。当导电流体接触单丝电容探针9时，导电流体构成单丝电容探针9的另外一个电极。此时内部的不锈钢丝16、聚四氟乙烯层17和与聚四氟乙烯层17接触的导电流体共同组成了柱状电容。聚四氟乙烯具有固体材料中最小的表面张力，被测流体不会粘附其上，所以测量过程中信号响应滞后现象十分微弱。当导电流体与单丝电容探针9在某处接触的长度为h，那么该处形成的柱状电容值C₁为：

$C_1=\frac{2\mathrm{\π\ϵh}}{\mathrm{In}\left(\frac{D}{d}\right)}---\left(1\right)$

其中ε为聚四氟乙烯的介电常数，D，d分别为单丝电容探针的外径和中心位置不锈钢丝的直径。当单丝电容探针9置于多相管流中时，导电流体与之接触形成了一个或者一系列并联的电容，根据并联电容的计算公式可知，单丝电容探针上的总电容C为：

$C=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i=\frac{2\mathrm{\π\ϵ}}{\mathrm{In}\left(\frac{D}{d}\right)}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i==\frac{2\mathrm{\π\ϵ}}{\mathrm{In}\left(\frac{D}{d}\right)}{h}_i---\left(2\right)$

上式中h₁为与置于管道内单丝电容探针接触的导电流体的总长度。式(2)中的ε，D，d都是确定的常数，所以任何时刻从单丝电容探针9检测到的电容值只跟与单丝电容探针9接触的导电流体的长度有关并成正比。所以通过检测单丝电容探针9的电容即可得到多相管流中管道界面相含率和界面结构。

参见图4，本发明的电容电压转换电路19采用CAV424芯片，该芯片具有电容的高检测灵敏度并可以克服寄生电容和环境变化的影响，实现对单丝电容探针9电容值的检测并将电容信号转变为直流的电压信号。CAV424芯片的第一、第二和第三管角分别与参考振荡电路电阻Rosc、第一积分器电流调整电阻Rcx₁、第二积分器电流调整电阻Rcx₂相连接，且参考振荡电路电阻Rosc、第一积分器电流调整电阻Rcx₁、第二积分器电流调整电阻Rcx₂连同CAV424芯片的外接第十管角接地；CAV424芯片的外接第四管角与输出电压放大电阻R_L1连接，该电压放大电阻R_L1的另一端引到外接电压输出端V₀，同时从CAV424芯片外接第四管角引出导线与另外一个输出电压放大电阻R_L2连接，该电阻R_L2的另外一端与CAV424芯片的外接第六管角连接；CAV424芯片的外接第六管角与载荷电容C_VM连接，该载荷电容C_VM的另外一端接地；同时CAV424芯片的外接第六管角直接与另外一个电压输出端V₁连接；CAV424芯片的外接第十一管角引出导线与直流电压电源外接端V_cc连接；CAV424芯片的外接第十二、十三、十五和十六管角分别与振荡电路电容C_0SC、低通电路电容C_L2、另一低通电路电容C_L1及参考电容C_X1连接，这些电容的另外一端均接地；从CAV424芯片的外接第十四管角引出导线到外接单丝电容探针装置的一端C₀，同时从接地线引出到外接单丝电容探针装置的另一端C₁。，从直流电压电源外接端V_cc接入5伏的直流电源；在外接单丝电容探针装置的两个外接端C₀、C₁分别与单丝电容探针9的两端相连接，当管道材质导电时C₁直接与管道外壁连接，当单管道材质非导电时，从单丝电容探针的下游10mm处的管壁打孔从管内引出一电极与C₁连接(该电极与被测流体连接)；从V₀，V₁外接端输出经该电路转化得到直流电压。在测试管道内的被测液相相含率为零时通过调节电阻Rcx₁、Rcx₂对该C-V电路进行调零；通过调节电阻R_L1、R_L2调节输出差变电压的大小，使得处在管道内的单丝电容探针都浸没在导电流体时输出的最大电压小于最大量程。

信号处理装置20以单片机为核心，采用C8051F000单片机，信号处理装置19的输入端与电容电压转换电路的外接端V₁和V₀连接。采集和处理频率为2000kH。实现对电容-电压(C-V)转换电路的开启和关闭控制，并实现对数据进行实时处理、显示、存储和打印等功能。

使用该系统前首先在单丝电容探针装置无流体时对电容电压转换电路19调零消除装置制作过程中引入的额外电容，再测定单丝电容探针装置18中充满导电流体时单丝电容探针9的最大电容转化得到的最大电压，这样就完成了对该测量系统的初始化设置。因为本发明的测量值不受测量流体介电常数的影响，在测量过程中无需再对测量系统进行设置或者对测量结果进行修正，通过信号处理装置控制该系统，实现对多相管流的相含率和相界面结构、连续的实时在线测量和显示。

本发明提供的单丝电容探针测量系统结构简单紧凑、成本低廉，实现了对多相管流相含率和相界面的实时在线测量和显示；只要求被测相具有导电性，测量结果不受多相流体的温度以及电学性质随机变化的影响所以有很强适用性，并且测量过程中无需对测量结果进行修正能实现连续的在线测量；检测的电容信号与被测物理量呈良好的线性关系，测量结果的精度很高；本发明的测量系统通过实验表明对分层流界面厚度测量的绝对误差小于1.0％，而对泡状流截面相含率测量的绝对误差小于2.5％。说明本发明能很好地满足实验研究和工业领域对多相管流中相含率和界面结构测量的精度要求。

在使用该测量系统前，完成对系统的初始化设置，测量过程中不再对测量系统设置和测量结果进行任何的修改。使用本发明的测量系统对不同含盐量的水在分层情况的相界面结构和对不同温度下的空气-水泡状流的相含率的测量结果如图5，6所示。

图5给出本发明的测量系统对三组不同含盐量的水在分层情况下的界面特征的测量值和实验值的比较，无量纲高度的实验值通过已知液体体积和几何关系求出。从该图可以看出该测量系统的测量结果与实验结果相比绝对误差和实验的重复性误差均小于1％。

利用本发明的测量系统对垂直管内的不同温度下空气-水泡状流的液相相含率进行测量，水的温度通过泵的运行对工质水自动加热。图6给出本发明的测量系统测量结果和实验结果的比较，实验结果采用快关阀法给出。从该图可以看出该测量系统的测量结果与实验结果相比绝对误差和实验的重复性误差均小于2.5％。

从以上两个实验结果可以看出本发明的单丝电容探针测量系统能实现对多相管流中相含率和相界面的连续在线实时测量，无需对测量结果进行修正并且具有很高的测量精度。

Claims (4)

1、多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统，包括单丝电容探针装置(18)以及与单丝电容探针装置(18)相连接的电容电压转换电路(19)和信号处理装置(20)，其特征在于：所说的单丝电容探针装置(18)包括设置在测量管道(8)内的单丝电容探针(9)，在测量管道(8)的外侧对称设置有上支架(6)和下支架(11)，上支架(6)和下支架(11)内均设置密封套(5、12)，上支架(6)上设置有套管(4)和上端盖(3)，上端盖(3)通过螺栓(2)与上支架(6)相连接，且在上端盖(2)上还设置有与单丝电容探针(9)的一端相连接的电极接线柱(1)，下支架(11)上设置有锁紧螺栓(13)和与单丝电容探针(9)的另一端相连接的下端盖(15)；

所说的电容电压转换电路(19)采用CAV424芯片，CAV424芯片的外接第一、第二和第三管角分别与参考振荡电路电阻Rosc、第一积分器电流调整电阻Rcx₁、第二积分器电流调整电阻Rcx₂相连接，且参考振荡电路电阻Rosc、第一积分器电流调整电阻Rcx₁、第二积分器电流调整电阻Rcx₂连同CAV424芯片的外接第十管角接地；CAV424芯片的外接第四管角与输出电压放大电阻R_L1连接，该电压放大电阻R_L1的另一端引到外接电压输出端V₀，同时从CAV424芯片的外接第四管角引出导线与另外一个输出电压放大电阻R_L2连接，该电阻R_L2的另外一端与CAV424芯片的外接第六管角连接；CAV424芯片的外接第六管角与载荷电容C_VM连接，该载荷电容C_VM的另外一端接地；同时CAV424芯片的外接第六管角直接与另外一个电压输出端V₁连接；CAV424芯片的外接第十一管角引出导线与直流电压电源外接端V_cc连接；CAV424芯片的外接第十二、十三、十五和十六管角分别与振荡电路电容C_OSC、低通电路电容C_L2、另一低通电路电容C_L1及参考电容C_X1连接，这些电容的另外一端均接地；从CAV424芯片的外接第十四管角引出导线到外接单丝电容探针装置的一端C₀，同时从接地线引出到外接单丝电容探针装置的另一端C₁。，从直流电压电源外接端V_cc接入5伏的直流电源；在外接单丝电容探针装置的两个外接端C₀、C₁分别与单丝电容探针(9)的两端相连接，

信号处理装置(20)采用C8051F000单片机，信号处理装置(20)的输入端与电容电压转换电路(19)的两个电压输出端V₁和V₀连接。

2、根据权利要求1所述的多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统，其特征在于：所说的单丝电容探针(9)包括不锈钢丝(16)和涂敷在不锈钢丝(16)外侧的聚四氟乙烯层(17)。

3、根据权利要求1所述的多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统，其特征在于：所说的测量管道(8)与上支架(6)及下支架(11)之间还设置有绝缘垫片(7)和绝缘垫片(10)。

4、根据权利要求1所述的多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统，其特征在于：所说的锁紧螺栓(13)和下端盖(15)之间还设置有弹簧(14)。