本發(fā)明涉及檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非接觸式氣液固三相鼓泡床相含率測量的方法。

背景技術(shù)：

多相流廣泛存在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活各個(gè)領(lǐng)域中，如石油傳輸與催化、污水處理、食品生產(chǎn)等，研究與檢測多相流參數(shù)對人類生活至關(guān)重要。相含率是指多相流體中各個(gè)分相所占的比重，是多相流體系中的一個(gè)重要參數(shù)，相含率的準(zhǔn)確檢測對于多相流動(dòng)機(jī)理研究和狀態(tài)監(jiān)測有著重要的意義。鼓泡床是一種常見的多相反應(yīng)器，在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,如利用三相鼓泡床制備甲醇。在鼓泡床中，液體為連續(xù)相，氣體從底部通入，床內(nèi)往往存在固體催化顆粒，是典型的氣液固三相流體系，對其三相相含率的測量對工業(yè)生產(chǎn)有著重要的意義。

然而目前大多數(shù)相含率測量方法僅僅是針對兩相流體系(如：一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測裝置和檢測方法，專利公開號：CN105890693A)或者是三相流體系中的某單一相相含率(如：用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)的測量方法及其傳感器，專利公開號：CN106092225A)，無法獲取三相流中每一相的相含率。少數(shù)方法(如：一種光纖電導(dǎo)一體化探針傳感器，專利公開號：CN204476404U)通過結(jié)合兩種方法獲取的信息得到三相流的每一相相含率，但是其傳感器與被測流體接觸，存在著干擾流場和傳感器腐蝕等問題，使用場合受限。

本發(fā)明針對現(xiàn)有的三相流相含率測量的現(xiàn)狀，提出了一種非接觸式氣液固三相鼓泡床相含率測量裝置與方法。本發(fā)明使用的相含率方法在已有專利(非接觸式一體化電容/電阻雙模態(tài)層析成像測量裝置及方法，專利公開號：CN103235013A)的基礎(chǔ)上，不采用傳統(tǒng)的通過圖像重建獲取相含率的方法，直接利用測量流體電阻值建立相含率測量模型，可以有效提高相含率測量精度。該方法首先通過非接觸電極檢測包含被測流體電阻信息和電極管壁耦合電容信息的信號，然后利用相敏解調(diào)的方法對信號進(jìn)行處理，得到其實(shí)部信息，即流體的電阻信息。利用電阻信息計(jì)算得出三相流中的導(dǎo)電相(液相)和不導(dǎo)電相(氣相和固相)的相含率。同時(shí)氣液固三相流體中，氣相的聲信息與固相的聲信息分布在不同的頻段，通過提取聲信號中的低頻氣相信息，計(jì)算得到三相流中的氣相相含率。綜合以上兩種信息，得到三相流中的每一相相含率。本發(fā)明中電阻和聲信號的測量都無需與流體接觸，有效避免了傳感器腐蝕與干擾流場等問題，安裝簡便，具有廣泛的適用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單且可行的非接觸氣液固三相鼓泡床相含率測量裝置和方法。

本發(fā)明首先公開了一種非接觸式氣液固三相鼓泡床相含率測量裝置，包括電阻測量傳感器、聲波檢測探頭、電阻信號采集處理模塊、聲信號采集處理模塊、微型計(jì)算機(jī)；電阻測量傳感器與電阻信號采集處理模塊的一端相連，聲波檢測探頭與聲信號采集處理模塊的一端相連，電阻信號采集處理模塊和聲信號采集處理模塊分別與微型計(jì)算機(jī)相連。

優(yōu)選的，所述的電阻測量傳感器包括有12個(gè)矩形金屬電極和絕緣管道，12個(gè)矩形金屬電極等間距地環(huán)繞在絕緣管道外壁，電阻信號采集處理模塊與每個(gè)金屬電極相連，依次對每個(gè)電極施加交流激勵(lì)信號，在剩余電極處接收檢測信號。

本發(fā)明還公開了一種所述非接觸式氣液固三相鼓泡床相含率測量裝置的電阻測量方法，其具體步驟如下：

1)電阻信號采集處理模塊提供的交流激勵(lì)信號V_i依次通過激勵(lì)電極、被測流體與檢測電極，其中激勵(lì)電極與絕緣管壁形成耦合電容C₁,被測流體等效為電阻R，檢測電極與絕緣管壁形成耦合電容C₂，電阻信號采集處理模塊在檢測電極處接收到包含流體電阻R與耦合電容C₁、C₂信息的檢測電流信號i；

2)對檢測電流信號i進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換、放大、A/D轉(zhuǎn)換后，利用交流激勵(lì)信號的同相參考信號和正交參考信號進(jìn)行相敏解調(diào)，得到檢測信號的相位與幅值信息，通過與交流激勵(lì)信號的幅值和相位進(jìn)行對比，即可得出被測流體的電阻R。

本發(fā)明進(jìn)一步公開了一種非接觸式氣液固三相鼓泡床相含率測量裝置，在前述裝置基礎(chǔ)上，所述的聲波檢測探頭表面涂抹絕緣膠，將其貼在所述的電阻測量傳感器的任意兩個(gè)金屬電極之間的縫隙中部，用于檢測流體聲音信號。

利用上述裝置的新型氣液固三相流相含率測量方法的步驟如下：

1)在絕緣管道內(nèi)注入導(dǎo)電液體，放入已知體積大小的不導(dǎo)電固體，模擬靜態(tài)的兩相流，此時(shí)的不導(dǎo)電相相含率記為α_m，利用電阻信號采集處理模塊依次對每個(gè)金屬電極施加交流激勵(lì)信號，并在剩余電極處接收檢測信號，經(jīng)過信號處理后傳輸?shù)轿⑿陀?jì)算機(jī)中計(jì)算得到每對電極之間的電阻值信息，記為一組電阻值信息R*，多次改變不導(dǎo)電固體體積來改變相含率α_m，并采集對應(yīng)的電阻值信息R*，利用偏最小二乘法建立不導(dǎo)電相相含率的回歸模型α_m＝f(R*)；

2)在絕緣管道內(nèi)注入導(dǎo)電液體，底部通入已知流量的空氣，利用電阻信號采集處理模塊采集多相流的電阻值信息，利用聲信號采集處理模塊同步采集聲信號，利用上一步中建立好的不導(dǎo)電相相含率回歸模型計(jì)算得到此時(shí)的氣相含率值記為α_g，與此同時(shí)，將采集到的聲信號進(jìn)行Daubechies二階小波分解，分解為不同頻段下的細(xì)節(jié)信號，將各個(gè)細(xì)節(jié)信號的能量值記為E*，多次改變氣體流量來改變氣相含率α_g，并采集對應(yīng)聲信號的細(xì)節(jié)信號能量值E*，利用偏最小二乘法建立氣相含率的回歸模型α_g＝f(E*)；

3)在氣液固三相流體系中，液相為連續(xù)導(dǎo)電相，固相和氣相為不導(dǎo)電相，其相含率存在以下關(guān)系：

α_l+α_g+α_s＝1

α_m＝α_s+α_g

利用電阻信號采集處理模塊采集多相流的電阻值信息，用已建立好的相含率測量模型計(jì)算得到不導(dǎo)電相的相含率α_m，利用聲信號采集處理模塊同步采集聲信號，用已建立好的相含率測量模型計(jì)算得到氣相的相含率α_g，從而計(jì)算得到三相流中的每一相相含率。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有有益效果：

1)傳感器電極結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，不與流體直接接觸，避免了傳感器腐蝕和干擾流場等問題，一定程度上擴(kuò)展了適用性；

2)測量得到氣液固三相流中的每一相的相含率，可以更清楚地了解多相流體的各相占比；

3)通過事先建立好的模型來計(jì)算相含率，可以在短時(shí)間內(nèi)得到三相流的各相相含率，具有較好的實(shí)時(shí)性，有助于流體的狀態(tài)監(jiān)測。

附圖說明

圖1是非接觸式氣液固三相鼓泡床相含率測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是電阻測量傳感器和電阻信息采集處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是單組激勵(lì)檢測電極與被測流體的等效電路圖；

圖4是聲波檢測探頭安裝位置示意圖；

圖中：電阻測量傳感器1，聲波檢測探頭2，電阻信號采集處理模塊3，聲信號采集處理模塊4，微型計(jì)算機(jī)5，絕緣管道6，矩形金屬電極7。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，氣液固三相鼓泡床相含率測量裝置包括電阻測量傳感器1，聲波檢測探頭2，電阻信號采集處理模塊3，聲信號采集處理模塊4，微型計(jì)算機(jī)5；電阻測量傳感器1與電阻信號采集處理模塊3的一端相連，聲波檢測探頭2與聲信號采集處理模塊4的一端相連，電阻信號采集處理模塊3和聲信號采集處理模塊4分別與微型計(jì)算機(jī)5相連。

如圖2所示，電阻測量傳感器1包括有12個(gè)矩形金屬電極7和絕緣管道6，12個(gè)矩形金屬電極7等間距地環(huán)繞在絕緣管道6外壁。電阻信號采集處理模塊4與每個(gè)金屬電極7相連，依次對每個(gè)電極施加交流激勵(lì)信號，在剩余電極處接收檢測信號。接收到的檢測信號中既包含著多相流的電阻信息，也包含著電極7和絕緣管壁6之間的耦合電容信息。

如圖3所示，電阻信號采集處理模塊3提供的交流激勵(lì)信號V_i依次通過激勵(lì)電極、被測流體與檢測電極，其中激勵(lì)電極與絕緣管壁形成耦合電容C₁,被測流體等效為電阻R，檢測電極與絕緣管壁形成耦合電容C₂。電阻信號采集處理模塊3在檢測電極處接收到包含流體電阻R與耦合電容C₁、C₂信息的檢測電流信號i。之后電阻信號采集處理模塊3對檢測電流信號i進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字輸出信號

給定正弦激勵(lì)電壓信號V_i(t)為：

V_i(t)＝A sinωt

式中，A為正弦激勵(lì)電壓信號的幅值，ω為角頻率。

經(jīng)過流體電阻R、耦合電容C₁、C₂與電流電壓轉(zhuǎn)換后得到的輸出電壓信號V_o(t)為：

其中，A'為輸出電壓信號的幅值，θ為輸出電壓信號的相位，R_f為運(yùn)算放大器的反饋電阻，C_x為C₁和C₂的串聯(lián)，其值為C₁C₂/(C₁+C₂)。

輸出電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字輸出信號V_o(nT)為：

V_o(nT)＝A'sin(2πnT/N+θ)

其中，T為采樣周期，N為每周期采樣數(shù)，n＝0,1,2,...,N-1。

接下來利用交流激勵(lì)信號的同相參考信號和正交參考信號進(jìn)行相敏解調(diào)。兩路參考信號分別為：

V_sin(nT)＝A₁sin(2πnT/N)

V_cos(nT)＝A₂cos(2πnT/N)

其中，A₁和A₂分別為兩路參考信號的幅值。

將數(shù)字輸出信號V_o(nT)分別與兩路參考信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算之后，得到兩個(gè)直流信號V_r與V_q：

由這兩個(gè)信號即可求得輸出電壓信號V_o(t)的幅值和相位：

通過與正弦激勵(lì)電壓信號的幅值與相位進(jìn)行對比，就可以得出被測流體的電阻信息：

如圖4所示，聲波檢測探頭2表面涂抹絕緣膠，將其貼在電阻測量傳感器1的任意兩個(gè)金屬電極之間的縫隙中部，用于檢測該部分管段的流體聲音信號。

氣液固三相流相含率測量方法的步驟如下：

1)在絕緣管道內(nèi)注入導(dǎo)電液體，放入已知大小的不導(dǎo)電固體，模擬靜態(tài)的兩相流，此時(shí)的不導(dǎo)電相相含率記為α_m。利用電阻信號采集處理模塊依次對每個(gè)金屬電極施加交流激勵(lì)信號，并在剩余電極處接收檢測信號，經(jīng)過信號處理后傳輸?shù)轿⑿陀?jì)算機(jī)中計(jì)算得到每對電極之間的電阻值信息，記為一組電阻值信息R*。多次改變不導(dǎo)電固體體積來改變相含率α_m，并采集對應(yīng)的電阻值信息R*，利用偏最小二乘法建立不導(dǎo)電相相含率的回歸模型α_m＝f(R*)。

2)在絕緣管道內(nèi)注入導(dǎo)電液體，底部通入已知流量的空氣，利用電阻信號采集處理模塊采集多相流的電阻值信息，利用聲信號采集處理模塊同步采集聲信號。利用上一步中建立好的不導(dǎo)電相相含率回歸模型計(jì)算得到此時(shí)的氣相含率值記為α_g，與此同時(shí)，將采集到的聲信號進(jìn)行Daubechies二階小波分解，分解為不同頻段下的細(xì)節(jié)信號，將各個(gè)細(xì)節(jié)信號的能量值記為E*。多次改變氣體流量來改變氣相含率α_g，并采集對應(yīng)聲信號的細(xì)節(jié)信號能量值E*，利用偏最小二乘法建立氣相含率的回歸模型α_g＝f(E*)。

3)在氣液固三相流體系中，液相為連續(xù)導(dǎo)電相，固相和氣相為不導(dǎo)電相，其相含率存在以下關(guān)系：

α_l+α_g+α_s＝1

α_m＝α_s+α_g

利用電阻信號采集處理模塊采集多相流的電阻值信息，用已建立好的相含率測量模型計(jì)算得到不導(dǎo)電相(氣相和固相)的相含率α_m。利用聲信號采集處理模塊同步采集聲信號，用已建立好的相含率測量模型計(jì)算得到氣相的相含率α_g，從而計(jì)算得到三相流中的每一相相含率。

已經(jīng)在內(nèi)徑為110mm的聚氯乙烯鼓泡床上對本發(fā)明中所提及的裝置和方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本發(fā)明的可行性。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣、水和不導(dǎo)電的陶瓷顆粒，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用本發(fā)明中所提及的裝置與方法，最終的測量結(jié)果與參考值之間的絕對偏差小于5％，可以實(shí)現(xiàn)對三相流體系中各相相含率的非接觸測量，并取得較好的測量結(jié)果。