[发明专利]基于电容检测装置的油气两相流液塞运动速度和长度测量方法

摘要

基于电容检测装置的油气两相流液塞运动速度和长度测量方法，包括对管道内的油气两相流采集电压信号，根据差值法电压信号处理方法，计算出每个液塞上的电压特征点；通过液塞速度和长度计算公式计算每个液塞的速度和长度。本发明通过体积测量的电容差值法测量气液两相流液塞速度和长度，具有电极对相界面的变化敏感，设备廉价简单，不对流动产生扰动，不受介质电导率、温度等参数影响，不需要进行标定，当液相介电常数较低，可通过改变芯片内置参数使输出电容差值的对应电压值变化显著。

主权项

基于电容检测装置的油气两相流液塞运动速度和长度测量方法，其特征在于所述的电容检测装置包括：两组双凹面电容电极装置(1、2)，通过同轴电缆与所述双凹面电容电极装置(1、2)连接的信号源与电容电压转换集成电路(4)，与信号源与电容电压转换集成电路(4)相连的采集板卡(5)和计算机(6)；所述信号源和电容电压转换集成电路(4)根据计算机(6)的控制程序输出激发交流电，并向采集板卡(5)输出测量电压，计算机(6)通过数据处理软件对采集板卡(5)采集到的测量电压进行处理，并计算出测量电压对应的体积相含率、进行数据存储并在显示器上实时显示；所述的双凹面电容电极装置(1、2)包括用于安装在绝缘管道(3)外壁上的双凹面电容电极组(7)、用于将双凹面电容电极组(7)紧固在绝缘管道(3)外壁上的绝缘填充材料(8)，以及紧固在绝缘填充材料(8)外侧的铜保护外壳(9)；上述双凹面电容电极组(7)包括两片形状完全相同的弧形铜片，且紧贴在绝缘管道(3)两侧并对称放置；所述的测量方法包括以下步骤：1)将与信号源和电容电压转换电路(4)相连接的两组双凹面电容电极装置(1、2)安装在待测量的绝缘管道(3)上；两组双凹面电容电极装置(1、2)的两端间距设置为不小于管径的10倍；2)通过对MS3110芯片(10)的CS2IN，CS1IN，CSCOM进行参数设置的方式，使测量得到的管内满油最高电压和管内满气最低电压值的差值处于2V～4V之间；由于与该芯片配合使用的采集板卡5的采压范围为+5V～‑5V，控制差值位于2V～4V之间可使采集的曲线便于波形分析辨识；3)设置参数完毕后，通过电容电压转换电路(4)对绝缘管道(3)内的油气两相流的流动过程中产生的电容信号转换成电压信号，然后以采集板卡(5)对该电压信号进行采集，并将采集到的电压信号进行采集存储；4)然后读取采集电压，根据差值法电压信号处理方法，计算出每个液塞上的电压特征点；具体是：利用公式V＝V_ref*1.14*GAINSEL*(CS2IN‑CS1IN)/CSCOM+V_ref其中，V_ref＝2.25V，为MS3110芯片(10)设置调整电压，为固定值；1.14为该公式的常数；GAINSEL为放大倍数，单位V/V，由芯片自身决定；CSCOM为MS3110芯片(10)的内置积分电容，单位pF；以上参数均为预制参数；CS2IN为靠近出口端位置的双凹面电容电极装置(2)测量到的电容、CS1IN靠近入口端位置的双凹面电容电极装置(1)测量到的电容，单位pF；然后根据公式得到两组双凹面电容电极装置(1、2)在各自位置测量的电容值所对应的输出电压信号分别是V₁和V₂；该电压信号V是随时间的变化曲线：V₁＝f₁(t)，V₂＝f₂(t)；将两条曲线电压值做差V₂‑V₁＝f₂(t)‑f₁(t)＝f₃(t)，得到差值曲线V₃＝f₃(t)；然后分析差值曲线V₃＝f₃(t)，单个液塞对应的曲线具有先有波谷后有波峰的类余弦曲线特征，设曲线上任意一点的斜率为dV₃/dT＝k，时间为T，绝缘管道(3)内液塞区以外为液膜区，而液膜区的电压是稳定的，通过液膜区电压值V_const，计算得到三个拐点(特征点)：当T≥0.03S后，(由于当V₃≈V_const，即V₃在V_const±0.1V范围内时为过渡状态，该状态时无拐点，而该状态持续时间至少为0.03S)，若存在第一个k<0，定义此拐点为A点，即液塞头部经过第一组双凹面电容测量装置(1)时对应点；在A点之后，对于k>0时的各段曲线，若一段曲线内各点的斜率所对应的倾角之差在2度之内，则定义该段曲线为具有相同斜率的曲线段，然后比较各个曲线段的斜率的大小，定义k值最大的曲线段的起始点为B点，即液塞头部经过第二组电容测量装置(2)时对应点；在B点之后，存在斜率由k<0变为k＝0的过程，若V₃在V_const±0.1V范围内稳定持续0.03S，可认为该曲线段的斜率k＝0，将该曲线段的第一点定义为C点，即液塞尾部经过第二组电容测量装置(2)时对应点。5)通过以下液塞速度和长度计算公式计算每个液塞的速度和长度；具体如下：读取三个拐点分别对应的时间，得到T₁，T₂，T₃；然后利用公式V_S＝L/(T_B‑T_A)计算液塞速度，其中Vs为单个液塞速度，L为两组双凹面电容电极装置中心间距，T_B为特征点B对应时间，T_A为特征点A对应时间：得到该液塞的速度Vs＝L/(T₂‑T₁)；再利用公式L_S＝V_S×(T_C‑T_A)‑L计算液塞长度，其中Ls为单个液塞长度，Tc为特征点C对应时间：得到液塞长度Ls＝Vs×(T₃‑T₁)‑L6)对于每一个液塞重复上述计算，从而得到各个液塞的速度和长度。