專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于雙線(xiàn)圈的導(dǎo)電液位及電導(dǎo)率測(cè)量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導(dǎo)電液體液位及電導(dǎo)率測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種基于雙線(xiàn)圈的電磁傳感器的導(dǎo)電液位和電導(dǎo)率的測(cè)量裝置和方法。

背景技術(shù)：
在許多工業(yè)應(yīng)用中，水是一個(gè)重要的過(guò)程組分。而在很多情況下，水是導(dǎo)電的。比如，在海底石油開(kāi)采中過(guò)程水的電導(dǎo)率可高達(dá)4西門(mén)/米。對(duì)電導(dǎo)率和水位的監(jiān)測(cè)是有效運(yùn)作石油分離設(shè)施的必要條件。另外水位和電導(dǎo)率的測(cè)量在許多地球物理，海洋工程中，也有很重要的應(yīng)用。非接觸測(cè)量在許多場(chǎng)合中是理想的選擇。已有研究成果中，有許多利用電容、雷達(dá)、超聲和激光技術(shù)測(cè)量水位高度的技術(shù)，也有一些接觸式測(cè)量電導(dǎo)率的產(chǎn)品；但是沒(méi)有一個(gè)傳感器可以非接觸地同時(shí)測(cè)量水位和電導(dǎo)率。利用電磁傳感器對(duì)水的電導(dǎo)率進(jìn)行非接觸式測(cè)量的理論基礎(chǔ)是，電磁傳感器在水中會(huì)引起渦流，而渦流會(huì)改變傳感器的阻抗特性，渦流的大小和電導(dǎo)率及水位均有關(guān)系，因此從理論上講通過(guò)測(cè)量傳感器的阻抗特性是可以推知水位及電導(dǎo)率?？墒峭ǔＲ粋€(gè)線(xiàn)圈只能給出一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，而無(wú)法同時(shí)確定水位及電導(dǎo)率。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種可以同時(shí)確定水位及電導(dǎo)率的電感式傳感器及其測(cè)量方法。它使用兩個(gè)不同半徑的線(xiàn)圈、基于一個(gè)簡(jiǎn)化的簡(jiǎn)析模型來(lái)同時(shí)確定水位及電導(dǎo)率。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種基于雙線(xiàn)圈的導(dǎo)電液位及電導(dǎo)率測(cè)量裝置，包括雙線(xiàn)圈電磁傳感器、電流激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、感應(yīng)信號(hào)測(cè)量單元、模擬選通開(kāi)關(guān)、上位計(jì)算機(jī)，所述的雙線(xiàn)圈電磁傳感器由兩個(gè)半徑不同的同軸線(xiàn)圈構(gòu)成，豎直放置于待測(cè)導(dǎo)電液體水平液位的上方，由上位計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬選通開(kāi)關(guān)依次將兩個(gè)線(xiàn)圈連接到電流激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元，分別施加激勵(lì)信號(hào)，利用感應(yīng)信號(hào)測(cè)量單元測(cè)量各自的感應(yīng)電壓。
作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的基于雙線(xiàn)圈電磁傳感器的測(cè)量裝置，所述的雙線(xiàn)圈傳感器由兩個(gè)匝數(shù)為1-200的、半徑之比為0.1-10的兩個(gè)同軸線(xiàn)圈組成；線(xiàn)圈由絕緣導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成，繞線(xiàn)的直徑為0.1mm-10mm。
本發(fā)明同時(shí)提供一種采用上述測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括下列步驟 (1)第一個(gè)線(xiàn)圈被模擬開(kāi)關(guān)選中，加載激勵(lì)電流信號(hào)，對(duì)其上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集的感應(yīng)電壓值除以激勵(lì)電流值得到第一個(gè)線(xiàn)圈的自感L1，將L1減去 (2)第一個(gè)線(xiàn)圈在空氣中的原始電感值L10得到由導(dǎo)電液體引起的電感變化值ΔL1； (3)第二個(gè)線(xiàn)圈被模擬開(kāi)關(guān)選中，加載激勵(lì)電流信號(hào)，對(duì)其上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集的感應(yīng)電壓值除以激勵(lì)電流值得到第一個(gè)線(xiàn)圈的自感L2，將L2減去第二個(gè)線(xiàn)圈在空氣中的原始電感值L20得到由導(dǎo)電液體引起的電感變化值ΔL2； (4)將兩個(gè)電感變化值進(jìn)行相除并表達(dá)為水位c的函數(shù)，其中ω是激勵(lì)信號(hào)的角頻率，常數(shù)α01和α02分別為線(xiàn)圈1和2的參數(shù)，α01的選取使函數(shù)最大化，α02的選取使最大化。其中J1(x)是第一類(lèi)一階貝塞爾函數(shù)，h11和h12分別為線(xiàn)圈1的底部和頂部距離液面的高度，h21和h22分別為線(xiàn)圈2的底部和頂部距離液面的高度，r1和r2分別是兩個(gè)線(xiàn)圈的半徑； (5)確定水位 (6)根據(jù)式，確定電導(dǎo)率σ。這里const1＝ΔL01，μ0是空氣中的磁導(dǎo)率。
本發(fā)明的裝置和方法，能夠非接觸測(cè)量得到導(dǎo)電液體的液位和電導(dǎo)率，在石油化工行業(yè)、地球物理、海洋工程中也有很重要的應(yīng)用。能夠克服接觸式傳感器容易被污染的情況，使其在腐蝕性液體的測(cè)量中也能應(yīng)用。



圖1是本發(fā)明的基于雙線(xiàn)圈的電磁傳感系統(tǒng)裝置示意圖； 圖2是雙線(xiàn)圈電磁傳感器示意圖； 圖3是兩個(gè)同軸線(xiàn)圈的橫切面示意圖。
具體實(shí)施方法 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
圖1是按照本發(fā)明實(shí)施的一種基于雙線(xiàn)圈的電磁傳感系統(tǒng)裝置原理圖。它由兩個(gè)同軸線(xiàn)圈、數(shù)據(jù)采集、上位計(jì)算機(jī)三個(gè)主要部分構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集部分包括了信號(hào)發(fā)生、模擬選通開(kāi)關(guān)、功率放大以及信號(hào)調(diào)理和采集幾個(gè)單元。信號(hào)發(fā)生單元可采用直接數(shù)字合成(DDS)芯片AD7008，該芯片可以產(chǎn)生不同幅度和相位的正弦激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)的幅度和相位可由計(jì)算機(jī)設(shè)置，通過(guò)功率放大器放大后加裝在由模擬開(kāi)關(guān)選通的激勵(lì)線(xiàn)圈上。
計(jì)算機(jī)控制信號(hào)調(diào)理和采集單元對(duì)線(xiàn)圈1和線(xiàn)圈2的互感數(shù)據(jù)采集，其中的順序由模擬開(kāi)關(guān)控制。模擬開(kāi)關(guān)將功率放大器輸出的信號(hào)分配到需要的激勵(lì)線(xiàn)圈上，模擬開(kāi)關(guān)的電流承受值應(yīng)為10mA至1A之間。模擬開(kāi)關(guān)可以采用MAXIUM公司的大電流開(kāi)關(guān)芯片(如MAX4656)。
線(xiàn)圈1和線(xiàn)圈2由絕緣導(dǎo)線(xiàn)繞制而成，繞線(xiàn)的直徑為0.1mm-10mm，繞線(xiàn)的匝數(shù)為1-1000匝，線(xiàn)圈的直徑為5mm-500mm。線(xiàn)圈架為非導(dǎo)電材料制成，比如塑料等。
雙線(xiàn)圈電磁傳感器的形式如圖2所示，兩個(gè)同軸線(xiàn)圈固定在所測(cè)導(dǎo)電液體1的上方。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，第一個(gè)線(xiàn)圈2先被模擬開(kāi)關(guān)選中，加載激勵(lì)電流信號(hào)，同時(shí)它的感應(yīng)電壓通過(guò)放大與解調(diào)送入數(shù)據(jù)采集板(每個(gè)線(xiàn)圈上接出兩根導(dǎo)線(xiàn)，這兩根導(dǎo)線(xiàn)既是激勵(lì)輸入端也是測(cè)量輸出端，因?yàn)榧?lì)電流的輸入和自感電壓的測(cè)量互不干擾，可以同時(shí)進(jìn)行)，感應(yīng)電壓除以激勵(lì)電流得到這個(gè)線(xiàn)圈的自感。之后，第二個(gè)線(xiàn)圈3被模擬開(kāi)關(guān)選中，加載激勵(lì)電流信號(hào)，它的感應(yīng)電壓通過(guò)放大與解調(diào)送入數(shù)據(jù)采集板，感應(yīng)電壓除以激勵(lì)電流得到第二個(gè)線(xiàn)圈的自感。得到了這兩個(gè)線(xiàn)圈的自感后，即可計(jì)算液位高度和電導(dǎo)率，這個(gè)過(guò)程為 (1)第一個(gè)線(xiàn)圈2被模擬開(kāi)關(guān)選中，加載激勵(lì)電流信號(hào)，對(duì)其上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集的感應(yīng)電壓值除以激勵(lì)電流值得到第一個(gè)線(xiàn)圈的自感L1，將L1減去第一個(gè)線(xiàn)圈在空氣中的原始電感值L10得到由導(dǎo)電液體引起的電感變化值ΔL1； (2)第二個(gè)線(xiàn)圈2被模擬開(kāi)關(guān)選中，加載激勵(lì)電流信號(hào)，對(duì)其上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集的感應(yīng)電壓值除以激勵(lì)電流值得到第一個(gè)線(xiàn)圈的自感L2，將L2減去第二個(gè)線(xiàn)圈在空氣中的原始電感值L20得到由導(dǎo)電液體引起的電感變化值ΔL2； (3)將兩個(gè)電感變化值進(jìn)行相除并表達(dá)為水位c的函數(shù)其中ω是激勵(lì)信號(hào)的角頻率，常數(shù)其中α01和α02分別為線(xiàn)圈1和2的參數(shù)，α01的選取使函數(shù)最大化，α02的選取使最大化。其中J1(x)是第一類(lèi)一階貝塞爾函數(shù)。線(xiàn)圈1的底部的高度為h11，線(xiàn)圈1頂部的高度為h12，線(xiàn)圈1高度為L(zhǎng)＝h12-h11；線(xiàn)圈2的底部的高度為h21，線(xiàn)圈2頂部的高度為h22，線(xiàn)圈2高度為L(zhǎng)＝h22-h21，r1和r2分別是兩個(gè)線(xiàn)圈的半徑，參見(jiàn)圖3； (4)確定水位即求解使的水位c值；對(duì)這一個(gè)非線(xiàn)性函數(shù)，求得其零點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)方法有牛頓法，查表法等。
(5)根據(jù)式，確定電導(dǎo)率σ。這里const1＝ΔL01，μ0是空氣中的磁導(dǎo)率。
上述的方法的理論基礎(chǔ)如下 根據(jù)Dodd和Deeds的理論(C.V.Dodd和W.E.Deeds發(fā)表在J.Appl.Phys.，vol.39，pp.2829-2839，1968上的題為Analytical solutions to eddy-currentprobe-coil problem的文章)，空氣芯圓形線(xiàn)圈在導(dǎo)電液體平面上由導(dǎo)電液體引起的電感變化為 其中， 其中，α是一個(gè)積分參量；ω是激勵(lì)信號(hào)的角頻率；σ和μ分別表示導(dǎo)電平面的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率； 線(xiàn)圈底部的高度表示為h1，線(xiàn)圈頂部的高度表示為h2，線(xiàn)圈高度為L(zhǎng)＝h2-h1；線(xiàn)圈的匝數(shù)為N，內(nèi)徑和外徑分別為r1和r2；μ0是空氣中的磁導(dǎo)率，J1(x)是第一類(lèi)一階貝塞爾函數(shù)。
以下通過(guò)兩個(gè)近似表達(dá)來(lái)將解析解簡(jiǎn)化。第一個(gè)近似表達(dá)是基于如下的事實(shí)，即φ(α)隨α的變化率相對(duì)于

而言較小，而

在一個(gè)α0下達(dá)到其峰值，因此，可在α0處計(jì)算φ(α)后，將其移出積分，這時(shí) ΔL(ω)＝φ(α0)ΔL0 (6) 考慮到在頻率低于500kHz、電導(dǎo)率低于10S/m的情況下，jωσμ0＜＜α0成立，那么 上式表明，線(xiàn)圈自感變化值的實(shí)部信號(hào)極小，幾乎可以忽略不計(jì)，而其虛部信號(hào)和水的電導(dǎo)率、激勵(lì)信號(hào)的角頻率成線(xiàn)性正比關(guān)系，和水位呈非線(xiàn)性關(guān)系。
如果我們使用兩個(gè)不同大小的線(xiàn)圈，那么第一個(gè)線(xiàn)圈的自感可以表達(dá)為 第二個(gè)線(xiàn)圈的自感可以表達(dá)為 兩式相除后，水的電導(dǎo)率、激勵(lì)信號(hào)的角頻率兩項(xiàng)抵消， 其中

和線(xiàn)圈的尺寸，匝數(shù)，提離距離等相關(guān)。
在上式中，對(duì)于給定的傳感器設(shè)置而言，水位是唯一的變量，因此可以被唯一確定。水位確定后，電導(dǎo)率可由或而定。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果 為了驗(yàn)證以上的測(cè)量裝置和方法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)同軸圓形線(xiàn)圈放置于水平鹽水平面上方。鹽水平面遠(yuǎn)大于線(xiàn)圈的尺寸。利用阻抗分析儀(Agilent 4204)對(duì)兩個(gè)線(xiàn)圈的自感進(jìn)行測(cè)量。作為參考值的鹽水電導(dǎo)率由HANA HI8733型電導(dǎo)率儀測(cè)量，水位由厘米刻度尺測(cè)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表 線(xiàn)圈的參數(shù)分別為R1＝150mm，r2＝150.1mm，匝數(shù)N＝10。
表 水位和電導(dǎo)率的實(shí)際值和測(cè)量值對(duì)比

權(quán)利要求
1.一種基于雙線(xiàn)圈的導(dǎo)電液位及電導(dǎo)率測(cè)量裝置，包括雙線(xiàn)圈電磁傳感器、電流激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、感應(yīng)信號(hào)測(cè)量單元、模擬選通開(kāi)關(guān)、上位計(jì)算機(jī)，其特征在于，所述的雙線(xiàn)圈電磁傳感器由兩個(gè)半徑不同的同軸線(xiàn)圈構(gòu)成，豎直放置于待測(cè)導(dǎo)電液體水平液位的上方，由上位計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬選通開(kāi)關(guān)依次將兩個(gè)線(xiàn)圈連接到電流激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元，分別施加激勵(lì)信號(hào)，利用感應(yīng)信號(hào)測(cè)量單元測(cè)量各自的感應(yīng)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙線(xiàn)圈電磁傳感器的測(cè)量裝置，其特征在于，所述的雙線(xiàn)圈傳感器由兩個(gè)匝數(shù)為1-200的、半徑之比為0.1-10的兩個(gè)同軸線(xiàn)圈組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于雙線(xiàn)圈電磁傳感器的測(cè)量裝置，其特征在于，線(xiàn)圈由絕緣導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成，繞線(xiàn)的直徑為0.1mm-10mm。
4.一種采用權(quán)利要求1或2或3所述的基于雙線(xiàn)圈電磁傳感器的測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，包括下列步驟
(1)第一個(gè)線(xiàn)圈被模擬開(kāi)關(guān)選中，加載激勵(lì)電流信號(hào)，對(duì)其上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集的感應(yīng)電壓值除以激勵(lì)電流值得到第一個(gè)線(xiàn)圈的自感L1，將L1減去第一個(gè)線(xiàn)圈在空氣中的原始電感值L10得到由導(dǎo)電液體引起的電感變化值ΔL1；
(2)第二個(gè)線(xiàn)圈被模擬開(kāi)關(guān)選中，加載激勵(lì)電流信號(hào)，對(duì)其上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集的感應(yīng)電壓值除以激勵(lì)電流值得到第一個(gè)線(xiàn)圈的自感L2，將L2減去第二個(gè)線(xiàn)圈在空氣中的原始電感值L20得到由導(dǎo)電液體引起的電感變化值ΔL2；
(3)將兩個(gè)電感變化值進(jìn)行相除并表達(dá)為水位c的函數(shù)，
其中ω是激勵(lì)信號(hào)的角頻率，常數(shù)
α01和α02分別為線(xiàn)圈1和2的參數(shù)，α01的選取使函數(shù)
最大化，α02的選取使
最大化。其中
J1(x)是第一類(lèi)一階貝塞爾函數(shù)，h11和h12分別為線(xiàn)圈1的底部和頂部距離液面的高度，h21和h22分別為線(xiàn)圈2的底部和頂部距離液面的高度，r1和r2分別是兩個(gè)線(xiàn)圈的半徑；
(4)確定水位
(5)根據(jù)
式，確定電導(dǎo)率σ。這里const1＝ΔL01，μ0是空氣中的磁導(dǎo)率。
全文摘要
本發(fā)明屬于導(dǎo)電液體液位及電導(dǎo)率測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種基于雙線(xiàn)圈的電磁傳感器，傳感器由兩個(gè)半徑不同的同軸線(xiàn)圈構(gòu)成，放置于水平液位的上方，通過(guò)對(duì)線(xiàn)圈分別施加電流激勵(lì)信號(hào)，和測(cè)量其感應(yīng)電壓，得到這兩個(gè)線(xiàn)圈的自感值，并利用一個(gè)基于簡(jiǎn)析解的算法，同時(shí)得到導(dǎo)電液體的液位和電導(dǎo)率。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液體實(shí)行非接觸式測(cè)量，可用于在油/氣/水分離設(shè)施中對(duì)電導(dǎo)率和水位同時(shí)監(jiān)測(cè)，另外對(duì)水位和電導(dǎo)率的測(cè)量在許多地球物理，海洋工程中也有很重要的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01F23/26GK101650211SQ20091007043
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者尹武良, 劍 姜, 超 王, 王化祥 申請(qǐng)人:天津大學(xué)