專利名稱：基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多相流測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的方法與裝置，具體是一種基于雙頭電 容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量方法與裝置。
背景技術(shù)：
兩相流廣泛存在于核能、石油、化工、航空等工程領(lǐng)域。兩相流過程的監(jiān)控 對(duì)于工業(yè)過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有至關(guān)重要的作用，兩相流動(dòng)過程的參數(shù)對(duì)于 建立數(shù)學(xué)模型、分析流動(dòng)機(jī)理必不可少。兩相流參數(shù)檢測(cè)對(duì)于兩相流理論的發(fā)展 和工程應(yīng)用具有重要的意義。根據(jù)兩相流體性質(zhì)的不同，提出了很多參數(shù)測(cè)量方 法射線方法、光學(xué)方法、電學(xué)方法、熱學(xué)方法等。
由于具有安全、可靠、簡單等優(yōu)點(diǎn)，電學(xué)方法在測(cè)量兩相流參數(shù)(一次信號(hào)) 中應(yīng)用非常廣泛。根據(jù)傳感器是否插入流場，電學(xué)方法分為介入式和非介入式兩 類。非介入式方法把傳感器布置在流場之外，對(duì)敏感場內(nèi)的流體性質(zhì)進(jìn)行識(shí)別， 從而得到流場相分布、流場速度等參數(shù)，進(jìn)而可以對(duì)流型進(jìn)行識(shí)別。非介入式方 法在不干擾流場的前提下，就可獲得參數(shù)，在某些無法介入測(cè)量的場合應(yīng)用很廣。 但是非介入系統(tǒng)具有"軟場"特性，測(cè)量結(jié)果容易受外界環(huán)境干擾，測(cè)量系統(tǒng)的 魯棒性差。為了克服非介入方法的"軟場"特性，提出了很多介入式參數(shù)測(cè)量方 法，直接將傳感器布置于流場當(dāng)中，使傳感器與工質(zhì)直接接觸。介入式方法具有 "硬場"特性，抗干擾能力較強(qiáng)，目前基于電學(xué)原理的介入式方法主要指電阻法。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Reinecke等人在Int. J. Multiphase Flow (國際多相流雜志)(1998， 24(4) : 617-634)，發(fā)表了 Tomographic imaging of the phase distribution in two-phase slug flow (氣液兩相彈狀流型下斷面 層析成像研究)，該文中提出了一種電導(dǎo)式層析成像方法，可以對(duì)管道截面的相 分布進(jìn)行測(cè)量。傳感器共由三層平行不銹鋼導(dǎo)線組成，每層平行導(dǎo)線的方向各不 相同，4代表一個(gè)投影方向，于是3層導(dǎo)線就形成三個(gè)投影方向，而兩根相鄰的平行導(dǎo)線就相當(dāng)于一束"射線"，其"投影值"等于這兩根導(dǎo)線之間的電導(dǎo)，該 電導(dǎo)值主要取決于這兩根導(dǎo)線之間的兩相介質(zhì)(水和空氣)分布或體積含水率(不 考慮兩導(dǎo)線周圍的流體對(duì)電導(dǎo)的影響)。因此，這種測(cè)量場在形式上已屬于一種 "硬場"了。 Reinecke等人提出的這種成像方法在克服"軟場"特性方面向前 邁出了一大步，但由于未考慮兩導(dǎo)線外周周流體對(duì)電導(dǎo)的貢獻(xiàn)，因而存在著明顯 的缺陷，直接影響了圖像重建結(jié)果，因此還不能說該方法完全解決了"軟場"問 題。
經(jīng)檢索還發(fā)現(xiàn)，專利號(hào)為US6314373的美國專利提出了一種新的電導(dǎo)式層析 成像方法，其能夠免去冗長的圖像重建計(jì)算，直接在信號(hào)檢測(cè)過程中輸出層析圖 像結(jié)果，實(shí)現(xiàn)高速兩相流層析成像。其中采用的電導(dǎo)敏感陣列由兩層相互垂直的 平行電極組成，電極為直徑為0. 12mra的裸露導(dǎo)線，層間距為1.5mm，相鄰兩根 平行電極之間的距離為3mm，利用水平與垂直電極所組成的交叉結(jié)點(diǎn)(空間交叉) 組成一種局部電導(dǎo)"探針"，于是兩電極之間的電導(dǎo)主要取決于結(jié)點(diǎn)區(qū)的兩相介 質(zhì)分布，通過依次測(cè)量各交叉電極之間的點(diǎn)導(dǎo)，就能直接得出流通截面上各個(gè)結(jié) 點(diǎn)區(qū)的局部相分布，而不需要經(jīng)過復(fù)雜的圖像重建運(yùn)算。但這種方法仍然存在十 分明顯的不足，即未考慮結(jié)點(diǎn)區(qū)外圍的兩相流體對(duì)電導(dǎo)的貢獻(xiàn)，因此，根據(jù)電導(dǎo) 值直接重建結(jié)點(diǎn)區(qū)的相分布就會(huì)造成較大的誤差。
上述"電阻法"一般以流體的電導(dǎo)率為直接測(cè)量對(duì)象，依靠兩相電導(dǎo)率的不 同識(shí)別每一相，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性受電導(dǎo)率變化的影響非常大。在實(shí)驗(yàn)室或者實(shí) 際工業(yè)現(xiàn)場，多相流動(dòng)中的流體電導(dǎo)率往往會(huì)不斷變化，因此目前這些電導(dǎo)率測(cè) 量方法并不能夠準(zhǔn)確獲取參數(shù)，必須尋找不受電導(dǎo)率變化的參數(shù)測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出了一種基于雙頭電容探針 的兩相流參數(shù)測(cè)量方法與裝置，本發(fā)明具有體積小、可移動(dòng)、不受流體溫度和電 導(dǎo)率變化影響的特點(diǎn)，能夠?qū)上嗔鞯木植肯嗪省⒘鲃?dòng)速度、界面面積濃度等 參數(shù)進(jìn)行直接測(cè)量，還可獲得整個(gè)管道截面上的相分布信息和流型結(jié)構(gòu)。從根本 上消除了流體電學(xué)參數(shù)變化給測(cè)量結(jié)果帶來的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)在線測(cè)量。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明涉及一種基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括雙頭電容探針、探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩個(gè)電容測(cè)量電路、固定電容、平板電極、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 其中
雙頭電容探針由兩個(gè)結(jié)構(gòu)一致的單點(diǎn)電容探針構(gòu)成，兩個(gè)單點(diǎn)電容探針的探 針頭部水平方向相距一定距離，雙頭電容探針外側(cè)套有不銹鋼套管，雙頭電容探 針和不銹鋼套管固接在一起，通過彎臂引出管道，在管道外，不銹鋼套管與探針 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，兩個(gè)單點(diǎn)電容探針分別與兩個(gè)電容測(cè)量電路的輸入端相連，兩個(gè) 電容測(cè)量電路的輸出端并聯(lián)后與固定電容一端串聯(lián)，固定電容的另一端與管道底 部的平板電極相連，平板電極設(shè)置在管道的管壁上，平板電極始終和流體接觸， 兩個(gè)電容測(cè)量電路將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)之后輸出到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)根據(jù)采集到的兩路信號(hào)得到兩相流參數(shù)結(jié)果。
所述雙頭電容探針，其在探針驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下，沿豎直方向做一維運(yùn)動(dòng)， 具體位置由標(biāo)尺確定，則雙頭電容探針可以測(cè)定豎直直徑方向上任意點(diǎn)的流動(dòng)信 息。
所述兩個(gè)單點(diǎn)電容探針的探針頭部水平方向距離在測(cè)量過程中始終保持不 變，垂直流動(dòng)方向上探針距離可以忽略。
所述單點(diǎn)電容探針，其為表面涂有絕緣漆的不銹鋼絲，僅單點(diǎn)電容探針的探 針頭部導(dǎo)通，且為錐形結(jié)構(gòu)。
所述不銹鋼套管，其與管道之間設(shè)有密封裝置，以保證流體不從探針和管道 縫隙泄漏，
所述不銹鋼套管，其內(nèi)壁填充樹脂，使不銹鋼套管與兩個(gè)單點(diǎn)電容探針之間 保持絕緣。
所述不銹鋼套管只起到固定探針的作用，與測(cè)量電路無關(guān)，不作為電極接入 測(cè)量電路。
本發(fā)明涉及一種基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量方法，包括如下步驟 步驟一，在管道截面上設(shè)置雙頭電容探針，雙頭電容探針由兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全一 致的單點(diǎn)電容探針構(gòu)成，兩個(gè)單點(diǎn)電容探針的探針頭部水平方向相距一定距離， 采用兩個(gè)電容測(cè)量電路分別測(cè)量每個(gè)單點(diǎn)電容探針的電容數(shù)值并將電容值轉(zhuǎn)換 為電壓值；
步驟二，將兩個(gè)電容測(cè)量電路測(cè)得的電壓值與設(shè)定的電壓閾值進(jìn)行比較，將高于閾值電壓的信號(hào)區(qū)域?qū)?yīng)導(dǎo)電相，低于閾值電壓的信號(hào)區(qū)域?qū)?yīng)不導(dǎo)電相， 以將不規(guī)則的、隨時(shí)間變化實(shí)際輸出信號(hào)，修正為由高低電平組成的標(biāo)準(zhǔn)方波信 號(hào)，分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)電相和非導(dǎo)電相，用每一相對(duì)應(yīng)的時(shí)間除以總的采樣時(shí)間，可得 到每一相的局部相含率；
步驟三，采用互相關(guān)法獲得兩個(gè)單點(diǎn)電容探針獲得的信號(hào)之間的延遲時(shí)間， 利用兩個(gè)單點(diǎn)電容探針之間距離除以延遲時(shí)間，獲得到探針?biāo)谖恢昧黧w的局部
真實(shí)速度；
步驟四，根據(jù)步驟二、步驟三獲得的整個(gè)流場的局部相含率、局部真實(shí)速度 結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有兩相流流型參數(shù)，識(shí)別出流型，同時(shí)，沿管道徑向通過探針驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu)調(diào)整雙頭電容探針的高度，分別得到不同空間位置處的流場信息，綜合全場 信息獲得整體流動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)流動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
本發(fā)明工作時(shí)，實(shí)際電容信號(hào)首先經(jīng)過電容測(cè)量電路轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，然后 再由采集卡儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中。同時(shí)，本發(fā)明假設(shè)流體結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中保持不變，整 體結(jié)構(gòu)以"剛體"的方式沿流動(dòng)方向平動(dòng)，這樣上下游的探針輸出只有時(shí)間上的 差異，在局部相含率大小上沒有任何差異。經(jīng)過平移之后，隨時(shí)間變化的兩個(gè)探 針信號(hào)可以完全重合。利用上下游兩個(gè)探針位置的局部相含率測(cè)量結(jié)果，根據(jù)相 關(guān)法可以測(cè)量出探針?biāo)谖恢锰巸上嗟乃俣龋瑫r(shí)可以獲得界面面積濃度。根據(jù) 不同空間位置處流場參數(shù)，結(jié)合兩相流流型知識(shí)，還可以獲得流型特征和流場總 體結(jié)構(gòu)信息。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果-
本發(fā)明在測(cè)量上僅要求兩相流體一相導(dǎo)電而另一相不導(dǎo)電，除此之外再與流 體的其他物性無關(guān)，而且導(dǎo)電相的電導(dǎo)率大小對(duì)測(cè)量結(jié)果也無影響，因而本發(fā)明 具有極強(qiáng)的通用性；本方法直接將探針插入流場，有效地克服了 "軟場"特性。 另外，由于探針表面除了探頭位置全部包有絕緣漆，因此不存在兩相流體的電解 及極化問題。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明中的雙頭電容探針的放大結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例中的電容測(cè)量電路的標(biāo)定結(jié)果；圖4是本發(fā)明的實(shí)施例中水的電導(dǎo)率(NaCl)變化對(duì)電容測(cè)量結(jié)果的影響示 意圖5是本發(fā)明的實(shí)施例中探針電極水平方向的間距變化對(duì)電容測(cè)量結(jié)果的 影響示意圖6是本發(fā)明的實(shí)施例中單點(diǎn)電容探針輸出的典型信號(hào)曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
本實(shí)施例用于對(duì)由水和空氣組成的兩相流進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。
如圖l、 2所示，本實(shí)施例涉及一種基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量系 統(tǒng)，包括雙頭電容探針1、密封裝置3、探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4、兩個(gè)電容測(cè)量電路5、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6、固定電容7、平板電極8，其中
雙頭電容探針1由兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全一致的單點(diǎn)電容探針構(gòu)成，兩個(gè)單點(diǎn)電容探 針的探針頭部水平方向相距一定距離，雙頭電容探針1外側(cè)套有不銹鋼套管2， 雙頭電容探針1和不銹鋼套管2焊接在一起，通過彎臂引出管道IO，管道10與 不銹鋼套管2之間由密封裝置3密封，在管道外，不銹鋼套管2與探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 4相連，兩個(gè)單點(diǎn)電容探針分別與兩個(gè)電容測(cè)量電路的輸入端相連，兩個(gè)電容測(cè) 量電路的輸出端并聯(lián)后與固定電容7 —端串聯(lián)，固定電容7的另一端與管道底部 的平板電極8相連，平板電極8設(shè)置在管道的管壁上，平板電極8始終和流體接 觸，兩個(gè)電容測(cè)量電路5將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)之后輸出到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6 中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6根據(jù)釆集到兩路信號(hào)得到兩相流參數(shù)結(jié)果。
所述兩個(gè)單點(diǎn)電容探針的探針頭部水平方向相距2mm，測(cè)量過程中始終保持 不變，垂直流動(dòng)方向上探針距離可以忽略。
所述單點(diǎn)電容探針，其為表面涂有絕緣漆的不銹鋼絲11，單點(diǎn)電容探針的 探針頭部12為錐形結(jié)構(gòu)，錐形結(jié)構(gòu)的長度為0.2mni。
所述單點(diǎn)電容探針，其直徑為O. 15mm。
所述不銹鋼套管2，其內(nèi)徑0.9ram。
所述不銹鋼套管2，其內(nèi)壁填充樹脂，使不銹鋼套管2與兩個(gè)單點(diǎn)電容探針之間保持絕緣。
所述不銹鋼套管2只起到固定探針的作用，與測(cè)量電路無關(guān)，不作為電極接 入測(cè)量電路。
所述的電容測(cè)量電路5，為基于集成電路CAV414芯片制成的轉(zhuǎn)換電路， CAV414芯片內(nèi)包含有完整的信號(hào)處理單元，它具有信號(hào)采集、處理和電壓輸出 的功能。它能測(cè)量出一個(gè)被測(cè)電容與參考電容的相對(duì)變化，尤其在相對(duì)于參考電 容5%-100%的范圍內(nèi)，其檢測(cè)效果最好，絕對(duì)電容的測(cè)量范圍是10pF-2000pF。 CAV414芯片工作時(shí)，只需要外接數(shù)量很少的電阻、電容就可以工作。本實(shí)施例 中，電容測(cè)量電路能夠測(cè)量的電容范圍為50pF-100pF，采樣信號(hào)的頻率可以在 0-1000Hz范圍內(nèi)任意調(diào)整。
本實(shí)施例還涉及一種基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量方法，包括如下步
驟
步驟一，在管道截面上設(shè)置雙頭電容探針，雙頭電容探針由兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全一 致的單點(diǎn)電容探針構(gòu)成，兩個(gè)單點(diǎn)電容探針的探針頭部水平方向相距一定距離， 采用兩個(gè)電容測(cè)量電路分別測(cè)量每個(gè)單點(diǎn)電容探針的電容數(shù)值并將電容值轉(zhuǎn)換 為電壓值；
其中，每一單點(diǎn)電容探針，電容測(cè)量結(jié)果為Cm= ,C (1)
l + (wC7 )
式中C——固定電容、Cw——測(cè)量結(jié)果、^^接入測(cè)量電路的電阻、" ——電容的采樣頻率。
利用公式(1)，可以計(jì)算每一電路輸出電容G的大小，電容測(cè)量電路輸出 的電容信號(hào)會(huì)隨著流體導(dǎo)電性的不同而發(fā)生變化，原因是接入電容測(cè)量電路的電 阻W發(fā)生了明顯的變化。
電容測(cè)量電路的原理上相當(dāng)于開關(guān)電路導(dǎo)電相(水)接入電路時(shí)，W為一 有限大小值，電路接通，測(cè)量電容G—輸出一個(gè)有效值；而當(dāng)不導(dǎo)電相(空氣) 接入電路時(shí)，~，電路斷開，測(cè)量電容二一0，因此無法檢測(cè)到電容的存在。 不同的電容值G可以通過電容檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為一一對(duì)應(yīng)的電壓值K。隨時(shí)間的 變化，K組成時(shí)間序列其中t為采樣時(shí)刻。步驟二，將兩個(gè)電容測(cè)量電路測(cè)得的電壓值與設(shè)定的電壓閾值進(jìn)行比較，將 高于閾值電壓的信號(hào)區(qū)域?qū)?yīng)導(dǎo)電相，低于閾值電壓的信號(hào)區(qū)域?qū)?yīng)不導(dǎo)電相， 以將不規(guī)則的、隨時(shí)間變化實(shí)際輸出信號(hào)，修正為由高低電平組成的標(biāo)準(zhǔn)方波信 號(hào)，分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)電相和非導(dǎo)電相，用每一相對(duì)應(yīng)的時(shí)間除以總的采樣時(shí)間，可得 到每一相的局部相含率；
本實(shí)施例中，設(shè)置閾值電壓大小K。，然后把采樣電壓大小分別與閾值電壓 K。比較，具體如下
]0， 如果K(rt 〈F。
于是可以獲得一些列由0和1組成的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào),GA其中高電平階段 對(duì)應(yīng)水經(jīng)過探針頭部的時(shí)間長度(設(shè)定為G)，低電平對(duì)應(yīng)空氣經(jīng)過探針頭部的 時(shí)間長度(設(shè)定為&)。則含水率為
<formula>formula see original document page 10</formula>
(3);
含氣率為:
<formula>formula see original document page 10</formula>(4)(
步驟三，采用"互相關(guān)法"獲得兩個(gè)單點(diǎn)電容探針獲得的信號(hào)之間的延遲時(shí) 間，利用兩個(gè)單點(diǎn)電容探針之間距離除以延遲時(shí)間，獲得到探針?biāo)谖恢昧黧w的 局部真實(shí)速度；
本實(shí)施例中，空氣-水兩相流的流動(dòng)方向從右到左，依次經(jīng)過兩個(gè)單點(diǎn)電容
探針，每個(gè)單點(diǎn)電容探針輸出一列隨時(shí)間變化的信號(hào)。測(cè)量過程中，由于兩個(gè)頭
部之間的距離4乙很小，可以假設(shè)流動(dòng)結(jié)構(gòu)保持不變，則兩列信號(hào)在形狀上完全
一致，只存在時(shí)間上的滯后。根據(jù)"相關(guān)法"計(jì)算得到兩個(gè)單點(diǎn)電容探針輸出信
號(hào)的時(shí)間差，進(jìn)而可以獲得探針?biāo)谖恢锰幜鲃?dòng)速度"的大小，計(jì)算公式為 <formula>formula see original document page 10</formula> (5)
g中
——上下游兩個(gè)單點(diǎn)電容探針頭部的距離， 一般取在2mra左右；^ t^兩個(gè)探針輸出信號(hào)之間的時(shí)間差。
步驟四，根據(jù)步驟二、步驟三獲得的整個(gè)流場的局部相含率、局部真實(shí)速度 結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有兩相流流型參數(shù)，識(shí)別出流型，同時(shí)，沿管道徑向調(diào)整雙頭電容 探針的高度，分別得到不同空間位置處的流場信息，綜合全場信息獲得整體流動(dòng) 結(jié)構(gòu)，對(duì)流動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下，探針可以沿著管道直徑 方向作一維運(yùn)動(dòng)，具體位置由刻度尺定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)不同位置的測(cè)量。
如圖3所示，是電容測(cè)量電路的輸入輸出信號(hào)結(jié)果，當(dāng)外測(cè)電容小于50pF 時(shí)，電路輸出電壓為0;當(dāng)輸入電容大于100pF時(shí)，電路輸出電壓穩(wěn)定在6.7V 左右；當(dāng)輸入電容范圍為50-100pF時(shí)，電路輸出電壓呈單調(diào)遞增，從O逐漸上 升到6. 7V。本實(shí)施例中，電容測(cè)量電路能夠以頻率為1000Hz的速度對(duì)電容信號(hào) 進(jìn)行連續(xù)采樣。
如圖4、圖5所示，是兩個(gè)單點(diǎn)電容探針測(cè)量過程中，主要參數(shù)(水的電導(dǎo)
率和探針電極之間間距)變化對(duì)探針性能影響，與傳統(tǒng)單點(diǎn)電導(dǎo)探針一樣，本實(shí) 施例中的單點(diǎn)電容探針也是利用流體電導(dǎo)率變化工作的。但是不一樣之處在于，
本實(shí)施例中的單點(diǎn)電容探針不是直接測(cè)量水的電導(dǎo)率，而是把水作為一部分導(dǎo)體 接到測(cè)量電路中。
當(dāng)水的礦化度改變時(shí)，兩個(gè)電極之間電阻R的數(shù)量級(jí)變化范圍大致為10Q -105Q，假設(shè)實(shí)際工作頻率數(shù)量級(jí)為lkHz，待測(cè)電容C的數(shù)量級(jí)為100pF，貝ij:
fiO e(l(T6,10-2) (6)
所以，在測(cè)量頻率和固定電容保持不變的條件下，Cm和C相差很小，因而 測(cè)得的電容幾乎不受水的電導(dǎo)率變化的影響，本實(shí)施例提出的單點(diǎn)電容探針克服 了現(xiàn)有單點(diǎn)電導(dǎo)探針的缺點(diǎn)。
為了分析測(cè)量電路中電阻變化(包括水的電導(dǎo)率變化和探針電極距離變化) 對(duì)局部電容探針性能的影響，在網(wǎng)絲電容探針研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)接入
電路的待測(cè)電容C為80pF，單點(diǎn)電容探針的兩個(gè)電極插在工業(yè)蒸餾水中。利用 FLUKE公司型號(hào)為PM6304的阻抗測(cè)量儀對(duì)電容進(jìn)行測(cè)量。為了模擬實(shí)際測(cè)量中 參數(shù)的變化，分別進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)(1)考察水的電導(dǎo)率變化的影響，根據(jù)要求向 水中加入不同量的NaCl (質(zhì)量百分比變化范圍為0-5%)，靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果如圖4所示；(2)考察探針間距對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在探針插入水面深度不變的情況下， 改變電極之間水平方向上的距離(變化范圍為0-30mm)，靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果如圖5所 示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水的電導(dǎo)率在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)變化時(shí)，電容測(cè)量結(jié)果沒有明顯變 化(圖3)。單點(diǎn)電容探針兩電極之間距離在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電容變化 小于2% (圖5)。因此，水的電導(dǎo)率變化、探針間距變化對(duì)單點(diǎn)電容探針性能影 響很小。
如圖6所示，給出單點(diǎn)電容探針典型輸出信號(hào)，涉及到的流型為塞狀流。輸 出電壓信號(hào)呈現(xiàn)較為明顯的高低電平結(jié)構(gòu)，其中高電平部分(持續(xù)時(shí)間為O)對(duì) 應(yīng)測(cè)量電路導(dǎo)通的時(shí)段，探針兩個(gè)電極之間充滿水；低電平部分(持續(xù)時(shí)間為 對(duì)應(yīng)測(cè)量電路斷開的時(shí)段，探針兩個(gè)電極之間充滿空氣。通過高低電平信號(hào)， 可以識(shí)別出經(jīng)過探針頭部流體的性質(zhì)，從而獲得局部相含率。
權(quán)利要求
1、一種基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括雙頭電容探針、探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩個(gè)電容測(cè)量電路、固定電容、平板電極、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中雙頭電容探針由兩個(gè)結(jié)構(gòu)一致的單點(diǎn)電容探針構(gòu)成，兩個(gè)單點(diǎn)電容探針的探針頭部水平方向相距一定距離，雙頭電容探針外側(cè)套有不銹鋼套管，雙頭電容探針和不銹鋼套管焊接在一起，通過彎臂引出管道，在管道外，不銹鋼套管與探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，兩個(gè)單點(diǎn)電容探針分別與兩個(gè)電容測(cè)量電路的輸入端相連，兩個(gè)電容測(cè)量電路的輸出端并聯(lián)后與固定電容一端串聯(lián)，固定電容的另一端與管道底部的平板電極相連，平板電極設(shè)置在管道的管壁上，平板電極始終和流體接觸，兩個(gè)電容測(cè)量電路將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)之后輸出到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)采集到兩路信號(hào)得到兩相流參數(shù)結(jié)果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征 是，所述雙頭電容探針，其在探針驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下，沿管道徑向做一維運(yùn)動(dòng)， 具體位置由標(biāo)尺確定。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征 是，所述兩個(gè)單點(diǎn)電容探針的探針頭部水平方向距離在測(cè)量過程中始終保持不變。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征是，所述單點(diǎn)電容探針，其為表面涂有絕緣漆的不銹鋼絲，僅單點(diǎn)電容探針 的探針頭部導(dǎo)通，且為錐形結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征 是，所述不銹鋼套管，其與管道之間設(shè)有密封裝置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其 特征是，所述不銹鋼套管，其內(nèi)壁填充樹脂，使不銹鋼套管與兩個(gè)單點(diǎn)電容探針 之間保持絕緣。
7、 一種基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一，在管道截面上設(shè)置雙頭電容探針，雙頭電容探針由兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全一 致的單點(diǎn)電容探針構(gòu)成，兩個(gè)單點(diǎn)電容探針的探針頭部水平方向相距一定距離， 采用兩個(gè)電容測(cè)量電路分別測(cè)量每個(gè)單點(diǎn)電容探針的電容數(shù)值并將電容值轉(zhuǎn)換為 電壓值；步驟二，將兩個(gè)電容測(cè)量電路測(cè)得的電壓值與設(shè)定的電壓閾值進(jìn)行比較，將 高于閾值電壓的信號(hào)區(qū)域?qū)?yīng)導(dǎo)電相，低于閾值電壓的信號(hào)區(qū)域?qū)?yīng)不導(dǎo)電相， 以將不規(guī)則的、隨時(shí)間變化實(shí)際輸出信號(hào)，修正為由高低電平組成的標(biāo)準(zhǔn)方波信 號(hào)，分別對(duì)應(yīng)導(dǎo)電相和非導(dǎo)電相，用每一相對(duì)應(yīng)的時(shí)間除以總的采樣時(shí)間，可得 到每一相的局部相含率；步驟三，采用互相關(guān)法獲得兩個(gè)單點(diǎn)電容探針獲得的信號(hào)之間的延遲時(shí)間， 利用兩個(gè)單點(diǎn)電容探針之間距離除以延遲時(shí)間，獲得到探針?biāo)谖恢昧黧w的局部真實(shí)速度；步驟四，根據(jù)步驟二、步驟三獲得的整個(gè)流場的局部相含率、局部真實(shí)速度 結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有兩相流流型參數(shù)，識(shí)別出流型，同時(shí)，沿管道徑向通過探針驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu)調(diào)整雙頭電容探針的高度，分別得到不同空間位置處的流場信息，綜合全場 信息獲得整體流動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)流動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
全文摘要
一種多相流測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的基于雙頭電容探針的兩相流參數(shù)測(cè)量方法與裝置，本發(fā)明裝置包括雙頭電容探針、探針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩個(gè)電容測(cè)量電路、固定電容、平板電極、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中雙頭電容探針系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的單點(diǎn)電容探針組成，可以在管道截面上作一維運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明方法中，每一單點(diǎn)電容探針以用于識(shí)別流體性質(zhì)，當(dāng)經(jīng)過探針頭部的流體導(dǎo)電時(shí)，電路接通，電容測(cè)量裝置輸出高電平；反之，電路斷開，電容測(cè)量裝置輸出低電平。由電平信號(hào)可以獲得局部相含率，該方法的測(cè)量結(jié)果不受流體電導(dǎo)率和探針間距的影響。對(duì)兩個(gè)單點(diǎn)電容探針信號(hào)進(jìn)行閾值法、相關(guān)法處理，可以獲得局部相含率和流動(dòng)速度，結(jié)合兩相流知識(shí)獲得流型信息，能夠?qū)崿F(xiàn)在線流型識(shí)別。
文檔編號(hào)G01P5/18GK101413911SQ200810203438
公開日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者楊燕華, 棟 王, 顧漢洋, 黃善仿 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)