基于ni数据采集卡的两相流网格传感器测量方法
【专利说明】基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量方法 所属技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量方法
【背景技术】
[0002] 两相流现象广泛地存在于石油工程、化学工程、冶金工程、核工程、航空与航天工 程等传统工业和新兴工业领域中。气液两相流是指气相与液相不相容物质的混合流动体 系。由于气液两相流中各成份之间存在着密度、粘度等物理性质上的差异，在流量、压力、重 力及管路形状等诸多因素的影响下，导致气液两相流流动状态实时监测较为困难。
[0003] 随着计算机技术的不断发展，过程层析成像技术已在两相流流动状态动态监测方 面取得较大进展，但是常见的ERT、ECT测量硬件系统及其成像算法都较为复杂。1987年， 出现与过程层析成像技术明显不同的两相流Wire-Mesh(以下简称网格传感器）传感系统 (JohnsonID.MethodandapparatusformeasuringwaterincrudeOil.UnitedStates Patent,No4, 644, 263, 17February, 1987)，利用插入管道内的双层平行电极构成网格传感 器，可对管道内两相流流动状态实时成像、动态监测，然而，Wire-Mesh硬件系统中的数据采 集速度、精度直接制约管内流体的成像质量。目前，NationalInstruments(NI)公司的数 据采集卡已被广泛地应用于各种工业生产过程，其在数据采集过程表现出明显优势，同时， 与之配套的上位机软件LabView可实现采集数据的实时显示和处理。据此可见，基于NI数 据采集卡的两相流网格传感器测量系统设计在提高传感器成像速度和精度方面潜力明显。
[0004] 本发明提出一种基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量系统设计方法。下 位机以AVR单片机ATmegal6为核心，实现网格传感器的循环激励控制、信号调理、NI数据 采集卡外部触发采集控制；NI数据采集卡在单片机控制下，按预定时序对8路电压信号同 时采集；上位机以LabView软件为核心，实现采集数据的实时显示及管内流体的实时成像。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量方法。本 发明通过单片机控制NI数据采集卡的工作过程，可充分发挥NI数据采集卡在数据采集方 面的优势，同时利用上位机实现管道内流体的实时准确成像。本发明的技术方案如下：
[0006] -种基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量方法，所采用的测量装置包括 置于待测量管路内的电导式网格传感器，多路模拟开关、调理电路、NI数据采集卡、单片机、 上位机，其特征在于，
[0007] 该电导式网格传感器包括两层分别位于两个相互平行的平面上的不锈钢金属导 线，层内的金属导线相互平行且等间距排布，层间的金属导线相互垂直，构成网格结构，从 而在三维空间内形成多个交错点，即流体的待测位置；第一层金属导线通过多路模拟开关 与单片机相连，为激励电极；第二层金属导线通过调理电路与NI数据采集卡连接，为测量 电极，当管道内存在导电和不导电两种流动介质时，管道内流体流动结构动态监测过程，分 以下步骤进行：
[0008] 第一步：在单片机控制下，激励电极依次轮流接地，使得NI数据采集卡工作在外 部触发模式下，
[0009] 第二步：单片机控制某个激励电极与地断开，后与+5V激励信号连接，当其与+5V 激励信号连接后，触发NI数据采集卡工作，各个测量电极上电压信号被采集卡同时采集， 采集得到各个电压信号分别反映相应的交错点处的流体信息，当交错点处流体导电时，采 集电压较高；当交错点处流体不导电时，采集电压较低。
[0010] 第三步：上述数据采集过程完成后，该电极与+5V激励信号断开，并接地。
[0011] 第四步：单片机控制下一个激励电极与地断开，重复步骤二和三，直至得到反映各 个交错点处流体信息的各个电压信号。
[0012] 第五步：上位机根据各个交错点的流体信息，绘制管道内流体图像。
[0013] 其中，所采用的NI数据采集卡为PXI4472;上位机以LabView软件为核心，实现采 集数据的实时显示及管内流体的实时成像。
[0014] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0015] (1)本发明中涉及的网格传感器采用上下两层平行金属导线构成，可与流体直接 接触，对上下两层金属导线交错点处流体的测量灵敏度高。
[0016] (2)下位机以AVR单片机ATmegal6为核心，实现网格传感器的激励电极的循环激 励控制，控制时序清晰，控制过程快捷有效。
[0017] (3)NI数据采集卡工作在外部触发模式下时，可受单片机下位机ATmegal6控制， 完成N采样（N为每次触发后预设的各通道采样点数），数采迅速用时短，数据准确有效。
[0018] (4)与NI数据采集卡配套的LabView软件，可对N采样数据实时显示，迅速实现管 内被测量流体的成像过程。
【附图说明】
[0019] 图1是电导式网格传感器的结构示意图：(a)安装在管道上的电导式网格传感器 的正视图；(b)安装在管道上的电导式网格传感器的侧视图。
[0020] 图2是基于NI数据采集卡的两相流网格传感器测量系统框图。
[0021] 图3是8个激励电极按编号顺序（从A到H的顺序）轮流接地的单片机控制时序 图。
[0022] 图4是激励电极A完成一次激励操作的控制时序，包括A电极与地断开、A电极接 +5V、A电极与+5V断开、A电极接地四步操作。
[0023] 图5是管道内充满静止纯水时，电导网格传感器64个交错点位置的测量电压平均 值。
[0024] 图6是管道内充满静止纯水时，电导网格传感器64个交错点位置的测量电压平均 值的分布图。
[0025] 图7垂直上升气液两相流段塞流情况下，某时刻上位机所示的流体成像结果。
[0026] 图中标号说明：
[0027] 1圆形的有机玻璃管道；
[0028] 2构成网格传感器的金属电极；
[0029] 3 8个激励电极，按顺序用A到H大写英文字母表示；
[0030] 4 8个测量电极，按顺序用a到h小写英文字母表示。
[0031] 5单片机PC7引脚输出的高电平脉冲，此脉冲作为NI数据采集卡的信号采集外部 触发信号。
[0032] 6垂直上升气液两相流段塞流中的气塞（即由空气构成的塞状结构，不导电）。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0034] (1)设计一个电导式网格传感器，其结构如图1所示。该电导式网格传感器有两 层不锈钢金属导线组成（2):第一层金属导线数目为8,分别用A，B，C，D，E，F，G和H八个 大写英文字母表示（3)，这八个金属导线平行且等间距排布，为激励电极；第二层金属导线 数目为8,分别用a，b，c，d，e，f，g和h八个小写英文字