CN101413911B - 基于双头电容探针的两相流参数测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种多相流测试技术领域的基于双头电容探针的两相流参数测量方法与装置，本发明装置包括：双头电容探针、探针驱动机构、两个电容测量电路、固定电容、平板电极、计算机系统，其中双头电容探针系统由两个独立的单点电容探针组成，可以在管道截面上作一维运动。本发明方法中，每一单点电容探针以用于识别流体性质，当经过探针头部的流体导电时，电路接通，电容测量装置输出高电平；反之，电路断开，电容测量装置输出低电平。由电平信号可以获得局部相含率，该方法的测量结果不受流体电导率和探针间距的影响。对两个单点电容探针信号进行阈值法、相关法处理，可以获得局部相含率和流动速度，结合两相流知识获得流型信息，能够实现在线流型识别。

Description

基于双头电容探针的两相流参数测量方法与装置

技术领域

本发明涉及一种多相流测试技术领域的方法与装置，具体是一种基于双头电容探针的两相流参数测量方法与装置。

背景技术

两相流广泛存在于核能、石油、化工、航空等工程领域。两相流过程的监控对于工业过程的安全性和经济性具有至关重要的作用，两相流动过程的参数对于建立数学模型、分析流动机理必不可少。两相流参数检测对于两相流理论的发展和工程应用具有重要的意义。根据两相流体性质的不同，提出了很多参数测量方法：射线方法、光学方法、电学方法、热学方法等。

由于具有安全、可靠、简单等优点，电学方法在测量两相流参数(一次信号)中应用非常广泛。根据传感器是否插入流场，电学方法分为介入式和非介入式两类。非介入式方法把传感器布置在流场之外，对敏感场内的流体性质进行识别，从而得到流场相分布、流场速度等参数，进而可以对流型进行识别。非介入式方法在不干扰流场的前提下，就可获得参数，在某些无法介入测量的场合应用很广。但是非介入系统具有“软场”特性，测量结果容易受外界环境干扰，测量系统的鲁棒性差。为了克服非介入方法的“软场”特性，提出了很多介入式参数测量方法，直接将传感器布置于流场当中，使传感器与工质直接接触。介入式方法具有“硬场”特性，抗干扰能力较强，目前基于电学原理的介入式方法主要指电阻法。

经对现有技术文献的检索发现，Reinecke等人在Int.J.Multiphase Flow(国际多相流杂志)(1998，24(4)：617-634)，发表了Tomographic imaging ofthe phase distribution in two-phase slug flow(气液两相弹状流型下断面层析成像研究)，该文中提出了一种电导式层析成像方法，可以对管道截面的相分布进行测量。传感器共由三层平行不锈钢导线组成，每层平行导线的方向各不相同，各代表一个投影方向，于是3层导线就形成三个投影方向，而两根相邻的平行导线就相当于一束“射线”，其“投影值”等于这两根导线之间的电导，该电导值主要取决于这两根导线之间的两相介质(水和空气)分布或体积含水率(不考虑两导线周围的流体对电导的影响)。因此，这种测量场在形式上已属于一种“硬场”了。Reinecke等人提出的这种成像方法在克服“软场”特性方面向前迈出了一大步，但由于未考虑两导线外周周流体对电导的贡献，因而存在着明显的缺陷，直接影响了图像重建结果，因此还不能说该方法完全解决了“软场”问题。

经检索还发现，专利号为US6314373的美国专利提出了一种新的电导式层析成像方法，其能够免去冗长的图像重建计算，直接在信号检测过程中输出层析图像结果，实现高速两相流层析成像。其中采用的电导敏感阵列由两层相互垂直的平行电极组成，电极为直径为0.12mm的裸露导线，层间距为1.5mm，相邻两根平行电极之间的距离为3mm，利用水平与垂直电极所组成的交叉结点(空间交叉)组成一种局部电导“探针”，于是两电极之间的电导主要取决于结点区的两相介质分布，通过依次测量各交叉电极之间的点导，就能直接得出流通截面上各个结点区的局部相分布，而不需要经过复杂的图像重建运算。但这种方法仍然存在十分明显的不足，即未考虑结点区外围的两相流体对电导的贡献，因此，根据电导值直接重建结点区的相分布就会造成较大的误差。

上述“电阻法”一般以流体的电导率为直接测量对象，依靠两相电导率的不同识别每一相，测量结果的准确性受电导率变化的影响非常大。在实验室或者实际工业现场，多相流动中的流体电导率往往会不断变化，因此目前这些电导率测量方法并不能够准确获取参数，必须寻找不受电导率变化的参数测量方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提出了一种基于双头电容探针的两相流参数测量方法与装置，本发明具有体积小、可移动、不受流体温度和电导率变化影响的特点，能够对两相流的局部相含率、流动速度、界面面积浓度等参数进行直接测量，还可获得整个管道截面上的相分布信息和流型结构。从根本上消除了流体电学参数变化给测量结果带来的影响，能够实现在线测量。

本发明是通过如下技术方案实现的。

本发明涉及一种基于双头电容探针的两相流参数测量系统，包括：双头电容探针、探针驱动机构、两个电容测量电路、固定电容、平板电极、计算机系统，其中：

双头电容探针由两个结构一致的单点电容探针构成，两个单点电容探针的探针头部水平方向相距一定距离，双头电容探针外侧套有不锈钢套管，双头电容探针和不锈钢套管固接在一起，通过弯臂引出管道，在管道外，不锈钢套管与探针驱动机构相连，两个单点电容探针分别与两个电容测量电路的输入端相连，两个电容测量电路的输出端并联后与固定电容一端串联，固定电容的另一端与管道底部的平板电极相连，平板电极设置在管道的管壁上，平板电极始终和流体接触，两个电容测量电路将电容信号转换为电压信号之后输出到计算机系统中，计算机系统根据采集到的两路信号得到两相流参数结果。

所述双头电容探针，其在探针驱动系统的作用下，沿竖直方向做一维运动，具体位置由标尺确定，则双头电容探针可以测定竖直直径方向上任意点的流动信息。

所述两个单点电容探针的探针头部水平方向距离在测量过程中始终保持不变，垂直流动方向上探针距离可以忽略。

所述单点电容探针，其为表面涂有绝缘漆的不锈钢丝，仅单点电容探针的探针头部导通，且为锥形结构。

所述不锈钢套管，其与管道之间设有密封装置，以保证流体不从探针和管道缝隙泄漏，

所述不锈钢套管，其内壁填充树脂，使不锈钢套管与两个单点电容探针之间保持绝缘。

所述不锈钢套管只起到固定探针的作用，与测量电路无关，不作为电极接入测量电路。

本发明涉及一种基于双头电容探针的两相流参数测量方法，包括如下步骤：

步骤一，在管道截面上设置双头电容探针，双头电容探针由两个结构完全一致的单点电容探针构成，两个单点电容探针的探针头部水平方向相距一定距离，采用两个电容测量电路分别测量每个单点电容探针的电容数值并将电容值转换为电压值；

步骤二，将两个电容测量电路测得的电压值与设定的电压阈值进行比较，将高于阈值电压的信号区域对应导电相，低于阈值电压的信号区域对应不导电相，以将不规则的、随时间变化实际输出信号，修正为由高低电平组成的标准方波信号，分别对应导电相和非导电相，用每一相对应的时间除以总的采样时间，可得到每一相的局部相含率；

步骤三，采用互相关法获得两个单点电容探针获得的信号之间的延迟时间，利用两个单点电容探针之间距离除以延迟时间，获得到探针所在位置流体的局部真实速度；

步骤四，根据步骤二、步骤三获得的整个流场的局部相含率、局部真实速度结果，结合现有两相流流型参数，识别出流型，同时，沿管道径向通过探针驱动机构调整双头电容探针的高度，分别得到不同空间位置处的流场信息，综合全场信息获得整体流动结构，对流动过程进行实时监控。

本发明工作时，实际电容信号首先经过电容测量电路转变成电压信号，然后再由采集卡储存到计算机中。同时，本发明假设流体结构在运动中保持不变，整体结构以“刚体”的方式沿流动方向平动，这样上下游的探针输出只有时间上的差异，在局部相含率大小上没有任何差异。经过平移之后，随时间变化的两个探针信号可以完全重合。利用上下游两个探针位置的局部相含率测量结果，根据相关法可以测量出探针所在位置处两相的速度，同时可以获得界面面积浓度。根据不同空间位置处流场参数，结合两相流流型知识，还可以获得流型特征和流场总体结构信息。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在测量上仅要求两相流体一相导电而另一相不导电，除此之外再与流体的其他物性无关，而且导电相的电导率大小对测量结果也无影响，因而本发明具有极强的通用性；本方法直接将探针插入流场，有效地克服了“软场”特性。另外，由于探针表面除了探头位置全部包有绝缘漆，因此不存在两相流体的电解及极化问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中的双头电容探针的放大结构示意图；

图3是本发明的实施例中的电容测量电路的标定结果；

图4是本发明的实施例中水的电导率(NaCl)变化对电容测量结果的影响示意图；

图5是本发明的实施例中探针电极水平方向的间距变化对电容测量结果的影响示意图；

图6是本发明的实施例中单点电容探针输出的典型信号曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例用于对由水和空气组成的两相流进行参数测量。

如图1、2所示，本实施例涉及一种基于双头电容探针的两相流参数测量系统，包括：双头电容探针1、密封装置3、探针驱动机构4、两个电容测量电路5、计算机系统6、固定电容7、平板电极8，其中：

双头电容探针1由两个结构完全一致的单点电容探针构成，两个单点电容探针的探针头部水平方向相距一定距离，双头电容探针1外侧套有不锈钢套管2，双头电容探针1和不锈钢套管2焊接在一起，通过弯臂引出管道10，管道10与不锈钢套管2之间由密封装置3密封，在管道外，不锈钢套管2与探针驱动机构4相连，两个单点电容探针分别与两个电容测量电路的输入端相连，两个电容测量电路的输出端并联后与固定电容7一端串联，固定电容7的另一端与管道底部的平板电极8相连，平板电极8设置在管道的管壁上，平板电极8始终和流体接触，两个电容测量电路5将电容信号转换为电压信号之后输出到计算机系统6中，计算机系统6根据采集到两路信号得到两相流参数结果。

所述两个单点电容探针的探针头部水平方向相距2mm，测量过程中始终保持不变，垂直流动方向上探针距离可以忽略。

所述单点电容探针，其为表面涂有绝缘漆的不锈钢丝11，单点电容探针的探针头部12为锥形结构，锥形结构的长度为0.2mm。

所述单点电容探针，其直径为0.15mm。

所述不锈钢套管2，其内径0.9mm。

所述不锈钢套管2，其内壁填充树脂，使不锈钢套管2与两个单点电容探针之间保持绝缘。

所述不锈钢套管2只起到固定探针的作用，与测量电路无关，不作为电极接入测量电路。

所述的电容测量电路5，为基于集成电路CAV414芯片制成的转换电路，CAV414芯片内包含有完整的信号处理单元，它具有信号采集、处理和电压输出的功能。它能测量出一个被测电容与参考电容的相对变化，尤其在相对于参考电容5％-100％的范围内，其检测效果最好，绝对电容的测量范围是10pF-2000pF。CAV414芯片工作时，只需要外接数量很少的电阻、电容就可以工作。本实施例中，电容测量电路能够测量的电容范围为50pF-100pF，采样信号的频率可以在0-1000Hz范围内任意调整。

本实施例还涉及一种基于双头电容探针的两相流参数测量方法，包括如下步骤：

步骤一，在管道截面上设置双头电容探针，双头电容探针由两个结构完全一致的单点电容探针构成，两个单点电容探针的探针头部水平方向相距一定距离，采用两个电容测量电路分别测量每个单点电容探针的电容数值并将电容值转换为电压值；

其中，每一单点电容探针，电容测量结果为： $C_m=\frac{C}{1+{\left(\mathrm{wCR}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中：C——固定电容、C_m——测量结果、R——接入测量电路的电阻、ω——电容的采样频率。

利用公式(1)，可以计算每一电路输出电容C_m的大小，电容测量电路输出的电容信号会随着流体导电性的不同而发生变化，原因是接入电容测量电路的电阻R发生了明显的变化。

电容测量电路的原理上相当于开关电路：导电相(水)接入电路时，R为一有限大小值，电路接通，测量电容C_m→输出一个有效值；而当不导电相(空气)接入电路时，R→∞，电路断开，测量电容C_m→0，因此无法检测到电容的存在。不同的电容值C_m可以通过电容检测电路转换为一一对应的电压值V_m。随时间的变化，V_m组成时间序列V(t)，其中t为采样时刻。

步骤二，将两个电容测量电路测得的电压值与设定的电压阈值进行比较，将高于阈值电压的信号区域对应导电相，低于阈值电压的信号区域对应不导电相，以将不规则的、随时间变化实际输出信号，修正为由高低电平组成的标准方波信号，分别对应导电相和非导电相，用每一相对应的时间除以总的采样时间，可得到每一相的局部相含率；

本实施例中，设置阈值电压大小V₀，然后把采样电压大小分别与阈值电压V₀比较，具体如下：

于是可以获得一些列由0和1组成的标准方波信号P(t)，其中高电平阶段对应水经过探针头部的时间长度(设定为t₁)，低电平对应空气经过探针头部的时间长度(设定为t₂)。则含水率为：

含气率为：

步骤三，采用“互相关法”获得两个单点电容探针获得的信号之间的延迟时间，利用两个单点电容探针之间距离除以延迟时间，获得到探针所在位置流体的局部真实速度；

本实施例中，空气-水两相流的流动方向从右到左，依次经过两个单点电容探针，每个单点电容探针输出一列随时间变化的信号。测量过程中，由于两个头部之间的距离ΔL很小，可以假设流动结构保持不变，则两列信号在形状上完全一致，只存在时间上的滞后。根据“相关法”计算得到两个单点电容探针输出信号的时间差，进而可以获得探针所在位置处流动速度u的大小，计算公式为：

$u=\frac{\mathrm{\ΔL}}{\mathrm{\Δt}}---\left(5\right)$

其中：

ΔL——上下游两个单点电容探针头部的距离，一般取在2mm左右；

Δt——两个探针输出信号之间的时间差。

步骤四，根据步骤二、步骤三获得的整个流场的局部相含率、局部真实速度结果，结合现有两相流流型参数，识别出流型，同时，沿管道径向调整双头电容探针的高度，分别得到不同空间位置处的流场信息，综合全场信息获得整体流动结构，对流动过程进行实时监控。在驱动装置的作用下，探针可以沿着管道直径方向作一维运动，具体位置由刻度尺定位，从而实现对管道内不同位置的测量。

如图3所示，是电容测量电路的输入输出信号结果，当外测电容小于50pF时，电路输出电压为0；当输入电容大于100pF时，电路输出电压稳定在6.7V左右；当输入电容范围为50-100pF时，电路输出电压呈单调递增，从0逐渐上升到6.7V。本实施例中，电容测量电路能够以频率为1000Hz的速度对电容信号进行连续采样。

如图4、图5所示，是两个单点电容探针测量过程中，主要参数(水的电导率和探针电极之间间距)变化对探针性能影响，与传统单点电导探针一样，本实施例中的单点电容探针也是利用流体电导率变化工作的。但是不一样之处在于，本实施例中的单点电容探针不是直接测量水的电导率，而是把水作为一部分导体接到测量电路中。

当水的矿化度改变时，两个电极之间电阻R的数量级变化范围大致为10Ω-10⁵Ω，假设实际工作频率数量级为1kHz，待测电容C的数量级为100pF，则：

ωCR∈(10^-6，10^-2)       (6)

所以，在测量频率和固定电容保持不变的条件下，C_m和C相差很小，因而测得的电容几乎不受水的电导率变化的影响，本实施例提出的单点电容探针克服了现有单点电导探针的缺点。

为了分析测量电路中电阻变化(包括水的电导率变化和探针电极距离变化)对局部电容探针性能的影响，在网丝电容探针研究的基础上进行如下实验：接入电路的待测电容C为80pF，单点电容探针的两个电极插在工业蒸馏水中。利用FLUKE公司型号为PM6304的阻抗测量仪对电容进行测量。为了模拟实际测量中参数的变化，分别进行下列实验：(1)考察水的电导率变化的影响，根据要求向水中加入不同量的NaCl(质量百分比变化范围为0-5％)，静态标定结果如图4所示；(2)考察探针间距对测量结果的影响，在探针插入水面深度不变的情况下，改变电极之间水平方向上的距离(变化范围为0-30mm)，静态标定结果如图5所示。实验结果表明，水的电导率在实验范围内变化时，电容测量结果没有明显变化(图3)。单点电容探针两电极之间距离在实验范围内变化时，输出电容变化小于2％(图5)。因此，水的电导率变化、探针间距变化对单点电容探针性能影响很小。

如图6所示，给出单点电容探针典型输出信号，涉及到的流型为塞状流。输出电压信号呈现较为明显的高低电平结构，其中高电平部分(持续时间为t₁)对应测量电路导通的时段，探针两个电极之间充满水；低电平部分(持续时间为t₂)对应测量电路断开的时段，探针两个电极之间充满空气。通过高低电平信号，可以识别出经过探针头部流体的性质，从而获得局部相含率。

Claims (7)

1.一种基于双头电容探针的两相流参数测量系统，其特征在于，包括：双头电容探针、探针驱动机构、两个电容测量电路、固定电容、平板电极、计算机系统，其中：

双头电容探针由两个结构一致的单点电容探针构成，两个单点电容探针的探针头部水平方向相距2mm，双头电容探针外侧套有不锈钢套管，双头电容探针和不锈钢套管焊接在一起，通过弯臂引出管道，在管道外，不锈钢套管与探针驱动机构相连，两个单点电容探针分别与两个电容测量电路的输入端相连，两个电容测量电路的输出端并联后与固定电容一端串联，固定电容的另一端与管道底部的平板电极相连，平板电极设置在管道的管壁上，平板电极始终和流体接触，两个电容测量电路将电容信号转换为电压信号之后输出到计算机系统中，计算机系统根据采集到两路信号得到两相流参数结果。

2.根据权利要求1所述的基于双头电容探针的两相流参数测量系统，其特征是，所述双头电容探针，其在探针驱动机构的作用下，沿管道径向做一维运动，具体位置由刻度尺确定。

3.根据权利要求1所述的基于双头电容探针的两相流参数测量系统，其特征是，所述两个单点电容探针的探针头部水平方向距离在测量过程中始终保持不变。

4.根据权利要求1或3所述的基于双头电容探针的两相流参数测量系统，其特征是，所述单点电容探针，其为表面涂有绝缘漆的不锈钢丝，仅单点电容探针的探针头部导通，且为锥形结构。

5.根据权利要求1所述的基于双头电容探针的两相流参数测量系统，其特征是，所述不锈钢套管，其与管道之间设有密封装置。

6.根据权利要求1或5所述的基于双头电容探针的两相流参数测量系统，其特征是，所述不锈钢套管，其内壁填充树脂，使不锈钢套管与两个单点电容探针之间保持绝缘。

7.一种基于双头电容探针的两相流参数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在管道截面上设置双头电容探针，双头电容探针由两个结构完全一致的单点电容探针构成，两个单点电容探针的探针头部水平方向相距2mm，采用两个电容测量电路分别测量每个单点电容探针的电容数值并将电容值转换为电压值；

步骤二，将两个电容测量电路测得的电压值与设定的电压阈值进行比较，将高于阈值电压的信号区域对应导电相，低于阈值电压的信号区域对应不导电相，以将不规则的、随时间变化实际输出信号，修正为由高低电平组成的标准方波信号，分别对应导电相和非导电相，用每一相对应的时间除以总的采样时间，可得到每一相的局部相含率；

步骤三，采用相关法获得两个单点电容探针获得的信号之间的延迟时间，利用两个单点电容探针之间距离除以延迟时间，获得到探针所在位置流体的局部真实速度；

步骤四，根据步骤二、步骤三获得的整个流场的局部相含率、局部真实速度结果，结合现有两相流流型参数，识别出流型，同时，沿管道径向通过探针驱动机构调整双头电容探针的高度，分别得到不同空间位置处的流场信息，综合全场信息获得整体流动结构，对流动过程进行实时监控。

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