[发明专利]基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及计量技术领域，尤其涉及一种基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置与方法。

背景技术

两相流广泛存在于石油化学工业等领域之中，气液两相流作为一种典型的两相流动现象，在生产实际当中非常普遍。对气液两相流进行深入研究常常需要测量其流速、空隙率等参数。由于两相流动系统的复杂性，这些参数的连续在线检测往往十分困难。

微型系统内的两相流现象是当今的一个研究热点，受到越来越多的关注与重视，例如微型管道反应器在诸多工业领域中得到了广泛的研究应用，微型管道中两相流参数的检测也成为多相流参数检测领域的一个新方向。流速作为两相流现象的重要参数，对其进行连续在线检测具有很重要的实际意义。目前，对微型管道中两相流速的检测主要有两种方法：高速图像摄影法和光学法。这些方法尚处在实验室研究阶段，虽然有一定的可行性，依然不够成熟完善，难以在实际工业环境中得到应用。工业条件下微型管道中两相流速的检测目前还缺乏行之有效的方法，需要进一步研究。

电容法历史悠久，具有结构简单，成本低廉的特点，便于工业应用。电容法主要获得非导电介质的空隙率信息，已在常规尺度下成功运用，但对于毫米级微型管道环境，尤其是管径在5mm以下的微型管道中，鲜有文献报道。电容法与互相关测速原理相结合可以实现对气液两相流体速度的非侵入式在线测量，目前在微型管道气液两相流速测量中未见使用。

本发明针对当前微型管道内气液两相流速检测的发展现状，提出基于电容法和互相关测速原理的测量方案，设计出一套装置，包含电容传感器、电容电压转换电路、数据采集电路和计算机，可以实现对毫米级微型管道内非导电气液两相流体流速的连续在线测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种稳定、可靠的基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置与方法。

基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量装置包括管径为毫米级的绝缘微型测量管道，在管道的外围安装有两个结构相同的电容传感器，电容传感器与电容电压转换电路相连接，两个电容传感器分别与第一电容电压转换电路、第二电容电压转换电路相连接，转换电路通过数据采集电路与计算机相连接，电容传感器由两片对称的金属电极构成，分别为激励端和检测端，两电极互相对称并且紧贴绝缘微型测量管道的外壁安装，电极与导线相连接，整个测量管道外侧均匀包围金属屏蔽层。

所述的第一电容电压转换电路和第二电容电压转换电路结构相同，连接方式均为第一电子开关一端和第二开关一端经过电容传感器与第三电子开关的一端、第三电容的一端、第一运算放大器反向输入端相连接，第二开关另一端接地，电容传感器两端分别与第一电容一端、第二电容一端相连接，第一电容另一端和第二电容另一端接地，第一运算放大器输出端与第一电阻一端，第三电容另一端，第三开关另一端相连接，第一电阻另一端与第二电阻一端，第二运算放大器反向输入端相连接，第一运算放大器正向输入端和第二运算放大器正向输入端接地，第二运算放大器输出端与第二电阻另一端、第一采样保持器输入端，第二采样保持器输入端相连接，第一采样保持器输出端与第四电容一端、差分放大器反向输入端相连接，第二采样保持器输出端与第五电容一端、差分放大器正向输入端相连接，差分放大器输出端与第四电子开关一端相连接，第四电容和第五电容另一端均接地。

所述的数据采集电路为：数字信号处理器分别与A/D转换器、可编程增益放大器、仪表放大器、D/A转换器、复杂可编程逻辑器件、USB通讯模块相连接，D/A转换器依次与仪表放大器、可编程增益放大器、A/D转换器相连接，复杂可编程逻辑器件分别与D/A转换器、仪表放大器、可编程增益放大器、A/D转换器相连接，复杂可编程逻辑器件分别与D/A转换器、仪表放大器、可编程增益放大器、A/D转换器相连接。

基于电容和互相关法的微管气液两相流速测量方法包括如下步骤：

1)两个结构相同的电容传感器安装在绝缘微型测量管道外壁上，该传感器产生两组反映气液两相流相含率分布信息的独立电容信号，由第一电容电压转换电路和第二电容电压转换电路测得，并由数据采集电路送入计算机；

2)先对两组电容信号进行归一化与去均值处理，对处理后的信号E_x1、E_x2进行互相关处理，互相关处理的公式如下：