同轴线相位传感器气弹参数测量系统及方法

本发明涉及多相流参数测量领域，具体地说是一种同轴线相位传感器气弹参数测量系统及方法。

背景技术：

1、多相流广泛存在于能源、化工、医药等各个领域的生产与科研过程，且随着工业4.0时代的到来，对其动态参数进行检测非常重要。多相流中的分相流速能够表征流体的动态特性，流速的准确、快速测量对工业过程的精准在线控制和生产效率的提升具有重大意义。与单相流相比，多相流的成分复杂，且流动过程具有时变性、非线性等特点，导致难以建立准确的物理模型，增加了在线检测的难度。一直以来，多相流中气弹参数的精确测量都是检测学科中亟待解决的问题。

2、在多相流测量领域，目前被广泛研究的测速方法主要包括位移法、多普勒法和互相关法等。近年来，随着信号采样装置以及信号处理芯片性能的提升，使得对多相流流动参数进行更加准确的实时测量成为可能。互相关算法可以与多种类型的传感器配合使用，而且对设备环境要求较低，已在多相流测量领域开始广泛应用。

3、在相关多相流气弹参数测量系统中，传感器是获取流动信息的关键部件。传感器按流动噪声的构成可总结为以下几类：利用流体内部随机噪声对外部入射能量束的随机调制作用而构成的流动噪声传感器，如光学传感器、超声传感器等；利用流体本身某种物理特性的随机变化对外加物理场随机调制作用而构成的流体噪声传感器，如基于流体电容值、电导率、导热率等的各种传感器；直接利用被测流体本身发射的能量的随机波动构成的流动噪声传感器，如用于测量含辐射介质的辐射检测器等。

4、电容法是以电容器作为传感器件，将被测物理量转化为电容量变化。由于介电常数的不同，电容随着浓度的变化而变化，在多相流检测中应用电容传感器测量是工业生产过程中建立起来的一种多相流检测方法。解决多相流的流速测量问题，需要在电容传感器能检验到的随机电容转化成的随机电压信号中提取出相关有用信息，利用频谱分析的方法对现场采样的信号进行数据处理，可实现多相流相速度的测量。电容传感器测量多相流流速方法的优点就是所需测量参数少，便于实时、在线、连续、非侵入的检测多相流各种成分的流速。但测量过程中，管道内的压力有小的波动，采样时应该同时获取电压信号，加入到计算过程中，对结果进行修正。在试验过程中可以发现流体的流型对试验现象有一定的影响，并且电容传感器的内部电极经常与介质接触，导致收集到的传感器信号波动，该方法尚需改进，以适应更广泛的需求。

5、在微波技术发展的同时，电磁波技术作为一种低频微波技术，也逐渐被人们接受并使用，因其安全性能更高，成本更低，从而得到了发展与广泛的应用。电磁波技术具有传播快，不需要传播介质和宽传播面等优点。随着电子技术的迅速发展，将电磁技术与多相流测量连接起来，成为了多相流检测中的新思想。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种同轴线相位传感器气弹参数测量系统及方法，为提高多相流气弹参数测量的精度并增强其扩展性提供一种新方法、新思路。

2、本发明是这样实现的：

3、一种同轴线相位传感器气弹参数测量系统，包括同轴线相位传感器、微控制器、数字频率合成器、射频功率放大器、功率分配器、鉴相器、通信模块、上位机以及电源模块；同轴线相位传感器数量为两个，两个同轴线相位传感器以左右排列的方式分设在流体上下游，分别用于获取上游气液两相流相位差信号和下游气液两相流相位差信号，鉴相器的数量为两个，分别对应两个同轴线相位传感器；同轴线相位传感器包括测量管以及位于测量管内的u型管，u型管的底边处于测量管的中心轴线上，u型管的两侧臂从测量管上的两个圆孔中伸出；气液两相流在测量管内传输；

4、微控制器用于控制数字频率合成器合成所需频率的电磁波信号并将电磁波信号发送至射频功率放大器，射频功率放大器输出的电磁波信号经功率分配器后输出四路基准信号，四路基准信号频率、相位、功率、幅度保持一致；其中两路基准信号分别传输至两个鉴相器，另两路基准信号分别传输至两个同轴线相位传感器输入端，电磁波信号在同轴线相位传感器内与混合介质产生作用后经同轴线相位传感器输出并传输至对应鉴相器，每一鉴相器将基准信号与对应同轴线相位传感器输出的信号进行相位比较，并以模拟电压信号的形式输出，微控制器采集鉴相器的输出信号并把所采集的数据上传到上位机，上位机对两个数字电压信号进行互相关运算后得出两个同轴线相位传感器的渡越时间，进而得出气弹速度；利用其中一个数字电压信号的功率谱密度得到气弹频率。

5、优选的，所述u型管包括外部的绝缘保护套层以及位于绝缘保护套层内的内导体；测量管为外导体，测量管接地线。

6、优选的，u型管外部的绝缘保护套层的直径φ10mm，内导体为铜芯；u型管长度为180mm，两个u型管中心距离为300mm。

7、优选的，电磁波在同轴线相位传感器内以tem模式传输。

8、优选的，微控制器包括stm32f103rct6芯片，数字频率合成器包括ad9959芯片，通信模块为rs232通信模块。

9、本发明还提供了一种同轴线相位传感器气弹参数测量方法，该测量方法采用了上述测量系统，具体包括如下步骤：

10、a、微控制器控制数字频率合成器合成所需频率的电磁波信号并将电磁波信号发送至射频功率放大器；

11、b、射频功率放大器将电磁波信号功率放大后输出给功率分配器；

12、c、功率分配器将电磁波信号进行功率分配然后输出四路基准信号；四路基准信号的频率、相位、功率、幅度均保持一致；

13、d、四路基准信号中的其中两路基准信号分别传输至两个鉴相器，另两路基准信号分别传输至两个同轴线相位传感器；

14、e、电磁波信号在同轴线相位传感器内与混合介质产生作用后经同轴线相位传感器输出并传输至对应鉴相器；

15、f、每一鉴相器将基准信号与对应同轴线相位传感器输出的信号进行相位比较，并以模拟电压信号的形式输出；

16、g、微控制器采集鉴相器的输出信号并把所采集的数据以数字形式上传到上位机；

17、h、上位机对两个数字电压信号进行互相关运算后得出两个同轴线相位传感器的渡越时间，进而得出气弹速度；上位机利用其中一个数字电压信号的功率谱密度得到气弹频率。

18、优选的，步骤h中，计算渡越时间，具体如下：

19、两个模拟电压信号变化趋势的相关程度用互协方差rx，y[n]来表示：

20、

21、引用快速傅里叶变换来计算卷积，可得：

22、

23、式中，表示傅里叶变化，表示傅里叶反变化；

24、最后，将rx，y[n]进行归一化处理：

25、

26、搜索出式中的极大值点即为渡越时间。

27、优选的，步骤h中，利用功率谱密度可得到气弹的特征频率f，功率谱密度是信号自相关函数的快速傅里叶变换，代表信号在不同频率下的能量分布；利用功率谱密度对相位差信号进行分析，并反映在不同频率上信号的能量分布；

28、

29、其中，n是样本段数，ω表示信号角频率(rad/s)，有截取流动状态稳定状态下的可用数据x(n)，反应在功率谱密度图上得到峰值对应频率即为所得特征频率。

30、气弹频率st-fr预测模型如下：

31、st＝0.04346*fr(-0.01783)

32、st为无量纲斯特劳哈尔数，表示液相表观流速对气弹频率的影响；fr为无量纲弗劳德数，表示气相表观流速对气弹频率的影响；

33、st＝fd/usl

34、

35、f为气弹频率，d为测量管内径，usl为液相表观流速，usg为气相表观流速，g为重力加速度，ρg、ρl分别为气体、液体密度。

36、气弹速度与液相表观流速预测关系式u＝c0usl+ud，其中u为气弹传播速度，有c0、c1为系数常数，在实际中，经同轴线相位传感器测量得气弹速度及气弹频率，经气弹频率st-fr预测模型与气弹速度关系式可求未知usg与usl。

37、本发明基于电磁波通过气液两相流混合介质时产生相位差原理，利用上下游同轴线相位传感器，通过互相关算法及功率谱密度，设计了多相流气弹参数的测量系统，并且提出了st-fr的气弹频率预测模型。实际应用中，存在不可确定的环境干扰及噪声，造成测量误差增大导致计算偏差增大，电容法测量等传统方法分辨率较低，容易被介质形态影响测量。利用本发明可以保持较高的精度和抗干扰能力，同时避免重力等因素造成的流体形态复杂化，电磁波同时利用了气液在较高频率下电磁变化的特性，其测量频率更高，更容易应用。本发明将电磁波、同轴线相位传感器及互相关算法三者结合起来，并且验证了st-fr的气弹频率预测模型，为多相流气弹速度及气弹频率测量提供了一种新方法、新思路。