一种可用于长期监测流体流速的电磁测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于针对低电导率流体的流速测量领域，涉及一种可用于长期监测流体流 速的电磁测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002] 气液两相流在自然界和化工、制药、石油等工业过程中普遍存在，其离散相速度的 监测是一个非常重要的研究课题。现有的流体流速测量方法主要有电学测量法，光学测量 法及高速摄影法，其中电学测量方案中检测部件多与被测流体直接接触，易造成电化学腐 蚀等问题，不适用于在工业应用中进行长期监测，同时在测量环境较差的应用场合也常常 出现电机粘污，这些都会严重影响测量结果的准确性和现场实用性;而光学法和高速摄影 法往往对应用环境的要求比较高，同时还存在成本较高的问题，难以在实际工业环境中得 到大规模应用。
【发明内容】
[0003] ( - )发明目的
[0004] 本发明的目的是提供一种可用于长期监测流体流速的电磁测量装置及测量方法， 实现利用共轴线圈间的电磁互感信息快速、准确的测量流体流速。
[0005] (二)技术方案
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种可用于长期监测流体流速的电磁测量装 置，其包括:包括PC主机，连接PC主机的FPGA主板，以及连接FPGA主板的传感器，FPGA主板包 括通过USB接口连接PC主机的微处理器，以及连接微处理器的直接数字频率合成器、模/数 转换模块、数/模转换模块和累加器，直接数字频率合成器连接模/数转换模块，数/模转换 模块连接累加器;传感器包括共轴的激励线圈和接收线圈，以及前端电路，前端电路包括连 接模/数转换模块的功率放大模块、连接数/模转换模块的信号预处理模块，以及连接激励 线圈、接收线圈、功率放大模块和信号预处理模块的模拟开关，所述微处理器还与模拟开关 连接，向模拟开关传送逻辑控制信号，以控制模拟开关的通断。
[0007] 其中，所述测量装置用于流体流速测量时，激励线圈和接收线圈安装在被测流体 管道外表面且分别对应一个测量截面，两个测量截面之间的距离固定为一个预设值，传感 器四周包裹屏蔽材料。
[0008] 本发明还提供了一种可用于长期监测流体流速的电磁测量方法，测量流体流速 时，激励线圈上注入预设频率和幅值的激励信号，根据电磁感应原理，对应的接收线圈上产 生与激励信号频率相同的感应电压;感应信号通过前端电路传输到FPGA主板后，经过AD采 样转化成数字信号，FPGA主板将数据进行采集存储，采用解调算法得到感应信号的相位信 息，在预设距离的两个测量截面上进行同步数据采集，提取两组数据中相同的特征点以得 到气泡经过两个截面所使用的时间，计算出该段时间的平均流速，当两个测量截面的间距 无穷小时，得到流体的瞬时流速。
[0009] 其中，所述激励信号的预设频率为固定的频率点值或频率段，当激励信号的预设 频率为固定的频率点值时，利用两个测量截面之间的距离除以气泡经过两个截面所使用的 时间得到流体在该段时间内的平均流速；当激励信号的预设频率为频率段时，采用扫频测 量的方法，激励频率及扫频点预先由操作人员通过PC主机进行设定，测量时依次使用该频 率段的激励信号，得到每个频率点对应的流苏测量结果后取平均值即可。
[0010] 其中，所述解调算法采用正交解调法。
[0011](三)有益效果
[0012] 上述技术方案所提供的可用于长期监测流体流速的电磁测量装置及测量方法，可 以实现对被测流体流速的快速、准确测量，传感器设计既满足了测量要求，又可以避免接触 式传感器易受腐蚀等问题，更加适合满足工业过程中对气液两相流流速进行长期监测的需 求;通过采取扫频测量、噪声屏蔽等方法，使得整个测量过程方便灵活、准确可靠，与传统的 测量方法相比有明显的效果和优点。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明实施例传感器示意图；
[0014] 图2是本发明实施例测量装置功能框图；
[0015]图3是本发明实施例流型图；
[0016 ]图4是本发明实施例数据采集曲线；
[0017] 图5是本发明实施例上位机软件界面示意图。
【具体实施方式】
[0018] 为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具 体实施方式作进一步详细描述。
[0019]针对现有技术中存在的问题，本实施例尝试将电磁测量法引入至幌相流流速的测 量应用中来，这种方法最大的优点的是非接触式测量，测量设备无需直接接触被测对象，克 服了传统接触式测量的一些主要的缺点，受环境影响小，使用寿命长，依托高频电磁数据采 集系统，测量速度快，测量精度高等等，同时结构简单、成本较低。电磁检测技术以涡流检测 为基础，它的基本原理可以表述为：当载有交变电流的实验线圈靠近被测物体时，由于线圈 产生的交变磁场的作用会在物体中感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到目标大 小、形状及其电学特性的影响，而涡流的反作用又使线圈之间的互感发生变化。被测物体的 电学特性决定了电学测量方法的敏感量，利用电磁法测量高导电率物体时（如金属导体）， 由于产生的涡流较强，被测物体就像一面镜子，将一部分的电磁信号反射回去，造成接收传 感器感应信号的减小，具体表现为幅值的减小;而当被测物体电导率较低(如盐水），其中产 生的涡流很弱，大部分的电磁信号穿过被测物体，因此接收传感器上的感应信号在幅值上 变化并不大，其变化主要表现在相位上。利用电磁法测量气液两相流流速，原理就是两相流 中的气体分相经过传感器时会使得互感信号的相位发生变化，在距离一定的两个测量截面 上进行同步数据采集，提取两组数据中相同的特征点可以得到气泡经过两个截面所使用的 时间，从而计算出该段时间的平均流速，当两个测量截面的间距足够小时，就可以得到流体 的近似瞬时流速。
[0020]如图1所示，本实施例的重要组成部分传感器由两对共轴线圈和前端电路组成，每 对线圈对应一个测量截面，两个测量截面之间的距离固定为d。传感器四周包裹屏蔽材料， 测量过程中线圈安装在流体管道外表面，既可以满足测量需求，又可以避免测量传感器和 被测电解质之间的直接接触，防止长时间接触造成的传感器腐蚀问题，延长使用寿命，保证 测量精度。
[0021 ] 如图2所示，本实施例测量装置包括PC主机，连接PC主机的FPGA主板，以及连接 FPGA主板的传感器，FPGA主板包括通过USB接口连接PC主机的微处理器，以及连接微处理器 的直接数字频率合成器、模/数转换模块、数/模转换模块和累加器，直接数字频率合成器连 接模/数转