专利名称：实时测量多相管流中相含率和相界面的电导探针测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量多相管流中相含率和相界面的测量系统，具体涉及一种实时测量多相管流中相含率和相界面的电导探针测量系统。
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存在。管内多相流随着各相流量的变化呈现不同的流型，实时变化的截面相含率是各种流型的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连续相界面结构，相界面结构对多相管流的传热、传质以及阻力特征有显著的影响。对多相管流的截面相含率和相界面结构的准确实时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射线法、光学法、快关阀法、电学法等。电学法是测量多相管流相含率和相界面的重要方法之一，通过测量相分布和电阻抗关系，来确定相含率和相界面特征。电学法分为电容探针法和电导探针法，其中的电导探针法具有测量精度高、成本低廉、安全环保等优点。
基于电导探针的信号监测仪器，通常是将经过探针调理电路调理后的电压信号直接输入计算机，采用计算机进行后续处理得到多相管流的截面相含率和相界面结构，都没有形成一套独立完整的电导探针测量系统来实现对多相管流相含率和相界面的在线测量和显示。
中国专利申请《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)公开了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，该分析仪同样不能实现在线测量和显示，而且，其采用的双环电导探针结构在测量较高厚度的连续相界面时还存在空间分辨率低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种实时测量多相管流中相含率和相界面的电导探针测量系统，解决了现有测量系统不能实现对多相管流中相含率和相界面的在线测量和显示的问题。
本发明所采用的技术方案是，实时测量多相管流中相含率和相界面的电导探针测量系统，包括电导探针以及接收电导探针信号的测量装置，测量装置包括产生激励信号并将激励信号传送给电导探针的激励信号发生电路，接收探针信号的探针信号调理电路，探针信号调理电路将调理后的探针信号输入信号处理装置，信号处理装置将处理后的信号送入输入/输出及控制接口，输入/输出及控制接口又与激励信号发生电路相连接，探针信号调理电路、信号处理装置、输入/输出及控制接口、激励信号发生电路均与稳压电源相连接，电导探针采用双环电导探针或双平行电导探针。
本发明的特点还在于探针信号调理电路包括信号跟随电路，信号跟随电路依次与电流-电压转换电路、全波整流电路、二阶低通滤波电路和信号放大电路相连接。
信号处理装置的电路采用C8051F000单片机，单片机C8051F000的管角7、8、18、19、22、28、29分别与外接口J5、J6、接地电容C18、接地电容C19、液晶显示屏管角4、液晶显示屏管角7、液晶显示屏管角6连接，单片机C8051F000的管角30、41、61分别接地，单片机C8051F000的管角62与电源正极连接，液晶显示屏的管角1与电源正极连接，液晶显示屏的管角2、3、9分别接地。
激励信号发生电路频率范围为5～300KHz，电压幅值范围为0～5V。
激励信号发生电路包括激励信号ICL8038芯片，芯片的管角2、4、5、6、10分别与电阻R1、滑动电阻R6、滑动电阻R7、电阻R8、电容C1连接，芯片的管角7与管角8连接，滑动电阻R6、滑动电阻R7、电阻R8与电源正极连接，运算放大器LM258的正管角与滑动电阻R5连接，负管角与电阻R3连接，输出管角与两个输出端J1和J2连接。
双环电导探针包括平行设置于管道内的两个环形电极，管道外与两个环形电极对应处固定有管套，两个环形电极的宽度为0.073D，且两个环形电极的间距为0.33D，D为管道的内径。
双平行电导探针包括平行设置的穿过管道的两根电极及固定电极的夹紧装置，两根电极的横截面为4.0×0.1mm的矩形电极，且两根矩形电极之间的间距为1.5mm。
夹紧装置设置于矩形电极穿出管道的两端处，包括设置于矩形电极两边的支撑架和固定于支撑架之上的夹紧支架，夹紧支架与两个矩形电极之间还设置有绝缘垫片。
本发明提供的测量系统有以下特点(1)提供了一套独立完整准确廉价的电导探针测量系统，实现了对多相管流相含率和相界面的在线测量和显示；(2)通过优化双平行电导探针的电极结构同时实现了对相界面结构测量的高精度和高分辨率；(3)通过优化双环电导探针的电极结构消除了探针对流型的敏感性，实现了对瞬态多相管流的截面相含率的在线准确测量；(4)对不同电导率的介质有很强的适应性，并且该测量系统对其他结构的电导探针具有通用性。
图1是本发明测量系统的结构示意图；图2是本发明探针信号调理电路原理图；图3是本发明信号处理装置电路原理图；图4是本发明激励信号发生电路原理图；图5是本发明采用的双环电导探针结构示意图，其中，a为主视图，b为a的A-A向视图；图6是对本发明采用的双环电导探针结构进行标定的结果示意图；图7是本发明采用的双平行电导探针结构示意图，其中，a为主视图，b为a的A-A向视图；图8是对本发明采用的双平行电导探针结构进行标定的结果示意图；图9采用双环电导探针的本发明系统对气液段塞流的测量结果；图10采用双平行电导探针的本发明系统对气液分层流相界面的测量结果。
图中，1.稳压电源，2.探针信号调理电路，3.信号处理装置，4.输入/输出及控制接口，5.激励信号发生电路，6.电导探针，7.套管，8.管道，9.环形电极，10.矩形电极，11.支撑架，12.夹紧支架，13.绝缘垫片，14.锁紧螺钉。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的实时测量多相管流中相含率和相界面的电导探针测量系统，包括电导探针6以及接收电导探针信号的测量装置，测量装置包括通过输入/输出及控制接口4调节激励信号发生电路5，激励信号发生电路5产生激励信号传递给电导探针6，接收探针信号的探针信号调理电路2，探针信号调理电路2将调理后的探针信号输入信号处理装置3，信号处理装置3将处理后的信号送入输入/输出及控制接口4。探针信号调理电路2、信号处理装置3、输入/输出及控制接口4、激励信号发生电路5均与稳压电源1相连接，电导探针6采用双环电导探针或双平行电导探针。
本发明提供如下实施例稳压电源1采用双路开关稳压电源，该电源能提供-12V～+12V直流电压，为仪器内的其他各部分提供稳定的直流电压。
激励信号发生电路5采用激励信号芯片ICL8038芯片结合其他外围电路提供正弦激励信号。电路原理图如图4所示，芯片的2、4、5、6、10分别与电阻R1、滑动电阻R6、滑动电阻R7、电阻R8、电容C1连接，管角7与8连接，滑动电阻R6、滑动电阻R7、电阻R8与电源正极连接，运算放大器LM258正管角与滑动电阻R5连接，负管角与电阻R3连接，输出管角与两个输出端J1和J2连接。通过调节滑动变阻R6、R7可以调节激励信号的频率，通过滑动变阻R5可以调节激励信号的电压幅值，该信号发生器的频率范围为5～300KHz，电压幅值范围为0～5V。
探针信号调理电路2电路原理图如图2所示，激励信号输出端J1与电容C3连接，电容C3与100k的接地电阻连接，同时与放大器LM258的正管角连接，放大器LM258的负管角与输出端连接，输出端与电导探针接口J2连接，电导探针接口J2与运算放大器Lm258的负管角连接，该发大器的负管角与接地电阻RGND1连接，发大器的负管角通过电阻R3连接与输出端连接，输出端与标准全波整流电路连接，整流电路的输出端与电阻R2连接，电阻R2与电阻R1连接同时跟电容C1连接，电阻R1跟接地电容C2连接，电阻R1与运算发大器LM258的正管角连接，运算发大器的负管角与放大器的输出端连接、输出端与接地电阻RGND5连接，输出端同时与运算放大器LM258的正极连接，该放大器的负极管角与接地电阻R5连接，同时负极管角与滑动电阻vr1连接，该滑动电阻与发大器的输出连接，运算发大器的输出端与输出接口J3连接。
该电路实质包括五部分(1)信号跟随电路保证激激励信号不变形并且滤去信号中的低频噪音；(2)电流-电压转换电路将带有物理信号的载波电流信号转变为稳定的电压信号；(3)全波整流电路；(4)二阶低通滤波电路将高频激励信号滤去，将物理信号转变为直流电压信号；(5)信号放大电路将直流物理电压信号进行放大，并保证外接输出电路不对探针调理电路产生影响。
信号处理装置3采用C8051F000单片机对经过调理电路得到的直流电压信号进行计算处理，包括输入参考电压值、设定标定曲线函数、实时计算多相管流的相界面厚度或液相相含率并将结果输出到液晶屏上进行实时显示，同时将标准电压信号输出到外设接口，电路原理图如图3所示。单片机C8051F000的管角7、8、18、19、22、28、29分别与外接口J5、J6、接地电容C18、接地电容C19、液晶显示屏管角4、液晶显示屏管角7、液晶显示屏管角6连接，单片机C8051F000的管角30、41、61分别接地，单片机C8051F000的管角62与电源正极连接，液晶显示屏的管角1与电源正极连接，液晶显示屏的管角2、3、9分别接地。
输入/输出及控制接口4输入接口为一外界键盘，通过输入接口输入标定曲线的系数、控制设备的运行和采集等。输出接口包括液晶显示屏和电压接口分别实时显示物理信号和电压信号，电压信号可与外部的计算机连接。控制接口为一调节旋钮，通过调节旋钮来调节激励信号发生电路产生激励信号的频率和幅值。
本发明的测量系统实现了以下功能●为电导探针提供正弦激励信号；●采集或者设定参考电压；●设定电导探针标定曲线函数；●对电导探针信号进行在线处理，实时显示物理信号并输出标准电压信号。
本发明的测量系统对现有的电导探针结构具有通用性，但本发明对测量系统采用双环电导探针和双平行电导探针时，通过对其电导探针结构进行改进，消除了探针对流型的敏感性，实现了对瞬态多相管流的截面相含率高精度和高分辨率的在线准确测量。
本发明提供的双环电导探针的结构如图5所示，双环电导探针的电极采用一对镀铬黄铜环制作以防腐蚀和生锈，两个环形电极9平行设置于管道8内，环形电极9的内径等于管道8的内径，环形电极9的外径等于管道8的外径，管道8外与两个环形电极9对应处通过一内径等于管道8外径的绝缘管套7进行固定，两个环形电极9的宽度为0.073D，两个环形电极9的间距为0.33D，D为管道8的内径。
分别采用空间相分布最不均匀的分层流和空间相分布最均匀的泡状流对本发明采用的双环电导探针结构进行标定。为了消除不同电解质的电导率对测量结果的影响，对标定结果进行无量处理，电导探针输出电压信号除以管道充满液体时的电压信号得到无量纲电压信号。标定结果如图6所示，结果表明本发明采用的双环电导探针的输出无量纲电压信号与截面液体相含率的关系表示对两相流的流型不敏感。可用三次多项式表示αL＝-0.381V*+3.09V*2-1.69V*3其中，αL为液相相含率，V*为无量纲电压。该三次多项式与两种流型条件下标定结果的相关性系数均大于99％，所以本发明的双环电导探针结构对两相流的流型不再敏感，能对不同流型的瞬态和稳态多相管流截面相含率实现准确测量。
本发明提供的双平行电导探针的结构如图7所示，双平行电导探针包括平行设置的穿过管道8的两根电极，两根电极的横截面为4.0×0.1mm的矩形电极10，用不锈钢丝制成，两根矩形电极10之间的间距为1.5mm。为了保证测量过程中电极不因流体冲击发生振动，设计制作了电极夹紧装置，夹紧装置设置于矩形电极10穿出管道8的两端处，包括设置于矩形电极10两边的支撑架11和固定于支撑架11之上的夹紧支架12，夹紧支架12与两个矩形电极10之间还设置有绝缘垫片13，支撑架11与夹紧支架12之间、夹紧支架12与绝缘垫片13之间可用锁紧螺钉14固定。探针用锁紧螺钉14通过绝缘垫片13固定在夹紧支架12上，调节垂直管道壁面方向的四个锁紧螺钉14，将矩形电极10拉紧并固定在管道壁面的支撑架11上。
实验结果表明矩形截面电极对之间形成的长方形通道对流体起导流作用，有效抑制了电极尾部的尾涡，消除了尾涡卷气引起的测量相界面厚度偏低的现象。为了消除不同电解质的电导率对测量结果的影响，对标定结果进行无量处理，电导探针输出电压信号除以管道充满液体时的电压信号得到无量纲电压信号，液相相界面厚度除以管道内径得到无量纲液相的相界面厚度。实验标定结果表明本发明采用的双平行电导探针结构的输出无量纲电压信号与无量纲液相的相界面厚度呈良好的线性关系如图8所示，即H*＝V*其中，H*为无量纲液位高度，V*为无量纲电压。证明了本发明的双平行电导探针结构能准确测量多相管流中的连续相界面结构。
利用本发明的测量系统进行工作时，将安装有电导探针的测量段安装到管道的测量位置，将电导探针与测量装置连接，打开测量系统电源，往测量管道内注满被测液体，通过电导探针信号检测仪菜单控制采入参考电压；输入探针标定曲线函数，仪器中默认标定函数为H＝a+bV+cV2+dV3+eV4，H为无量纲相界面厚度或截面相含率，V为无量纲电压信号。采用本发明的双环电导探针结构测量液相相含率时，默认系数为a＝0.0，b＝-0.381，c＝3.09，d＝-1.69，e＝0.0，采用本发明的双平行电导探针结构测量相界面厚度时，默认系数为a＝c＝d＝e＝0，b＝1，考虑到电导探针制作过程中产生的差异，可以通过仪器前面板的键盘修改标定曲线的系数；通过控制仪器菜单开始对稳态或瞬态多相管流的截面相含率和相界面结构进行在线测量，测量结果在液晶屏上实时显示，并在输出通道中实时地输出1～5V的标准电压信号。
图9给出了采用双环电导探针结构的测量系统对水平管内空气-水段塞流的截面相含率的实时测量结果。气液段塞流由液塞区和气弹区两部分组成，液塞区具有泡状流的特性，气弹区具有分层流的特性。从图中可以看出，采用本发明设计的双环电导探针测量系统因为对流型特征不敏感，因而十分准确地测量出段塞流的液塞区和气弹区的液相相含率特征。
图10给出了采用双平行电导探针测量系统对水平管内空气-水分层流的连续相界面的界面波动特征的实时测量结果。从图中可以看出，波动分层流气液界面上存在明显的界面波动，说明了采用本发明设计的双平行电导探针测量系统因为抑制了电极下游涡流卷气效应，准确捕捉到了气液分层流相界面的波动特征。
以上结果表明，本发明的测量系统可以十分方便准确地对多相管流中的截面相含率和相界面特征进行实时测量和显示。
权利要求
1.实时测量多相管流中相含率和相界面的电导探针测量系统，包括电导探针(6)以及接收电导探针信号的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括产生激励信号并将激励信号传送给电导探针(6)的激励信号发生电路(5)，接收探针信号的探针信号调理电路(2)，探针信号调理电路(2)将调理后的探针信号输入信号处理装置(3)，信号处理装置(3)将处理后的信号送入输入/输出及控制接口(4)，输入/输出及控制接口(4)又与激励信号发生电路(5)相连接，所述探针信号调理电路(2)、信号处理装置(3)、输入/输出及控制接口(4)、激励信号发生电路(5)均与稳压电源(1)相连接，所述电导探针(6)采用双环电导探针或双平行电导探针。
2.按照权利要求1所述的电导探针测量系统，其特征在于，所述探针信号调理电路(2)包括信号跟随电路，信号跟随电路依次与电流-电压转换电路、全波整流电路、二阶低通滤波电路和信号放大电路相连接。
3.按照权利要求1所述的电导探针测量系统，其特征在于，所述信号处理装置(3)的电路采用C8051F000单片机，单片机C8051F000的管角7、8、18、19、22、28、29分别与外接口J5、J6、接地电容C18、接地电容C19、液晶显示屏管角4、液晶显示屏管角7、液晶显示屏管角6连接，单片机C8051F000的管角30、41、61分别接地，单片机C8051F000的管角62与电源正极连接，液晶显示屏的管角1与电源正极连接，液晶显示屏的管角2、3、9分别接地。
4.按照权利要求1所述的电导探针测量系统，其特征在于，所述激励信号发生电路(5)频率范围为5～300KHz，电压幅值范围为0～5V。
5.按照权利要求4所述的电导探针测量系统，其特征在于，所述激励信号发生电路(5)包括激励信号ICL8038芯片，芯片的管角2、4、5、6、10分别与电阻R1、滑动电阻R6、滑动电阻R7、电阻R8、电容C1连接，芯片的管角7与管角8连接，滑动电阻R6、滑动电阻R7、电阻R8与电源正极连接，运算放大器LM258的正管角与滑动电阻R5连接，负管角与电阻R3连接，输出管角与两个输出端J1和J2连接。
6.按照权利要求1所述的电导探针测量系统，其特征在于，所述双环电导探针包括平行设置于管道(8)内的两个环形电极(9)，管道(8)外与两个环形电极对应处固定有管套(7)，两个环形电极(9)的宽度为0.073D，且两个环形电极(9)的间距为0.33D，D为管道(8)的内径。
7.按照权利要求1所述的电导探针测量系统，其特征在于，所述双平行电导探针包括平行设置的穿过管道(8)的两根电极及固定电极的夹紧装置，所述两根电极的横截面为4.0×0.1mm的矩形电极(10)，且两根矩形电极(10)之间的间距为1.5mm。
8.按照权利要求7所述的电导探针测量系统，其特征在于，所述的夹紧装置设置于矩形电极(10)穿出管道(8)的两端处，包括设置于矩形电极(10)两边的支撑架(11)和固定于支撑架(11)之上的夹紧支架(12)，夹紧支架(12)与两个矩形电极(10)之间还设置有绝缘垫片(13)。
全文摘要
本发明公开了一种实时测量多相管流中相含率和相界面的电导探针测量系统，包括电导探针以及接收电导探针信号的测量装置，测量装置包括接收探针信号的探针信号调理电路、对信号进行处理的信号处理装置、输入/输出及控制接口、与输入/输出及控制接口连接的激励信号发生电路及向各电路提供电源的稳压电源，电导探针采用双环电导探针或双平行电导探针。本发明的测量系统实现了对多相管流中相含率和相界面的在线测量和显示。
文档编号G01N27/06GK1847836SQ200610041979
公开日2006年10月18日 申请日期2006年3月27日 优先权日2006年3月27日
发明者郭烈锦, 顾汉洋, 张西民 申请人:西安交通大学