專利名稱：雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器及兩相流流速相關(guān)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及氣-液，氣-固，液-固，液-、液等兩相流體的 流速測量。
背景技術(shù)：
兩相流是指兩相物質(zhì)(至少一相為流體)所組成的流動(dòng)系統(tǒng)。若流動(dòng)系統(tǒng)中物質(zhì)的相態(tài) 多于兩個(gè)，則稱為多相流，兩相或多相流是化工生產(chǎn)中為完成相變傳質(zhì)和反應(yīng)過程所涉 及的最普遍的粘性流體流動(dòng)。有相變時(shí)的傳熱、塔設(shè)備中的氣體吸收、液體精餾、液體 萃取以及攪拌槽或鼓泡塔中的化學(xué)反應(yīng)過程等，都涉及兩相流。石油工業(yè)中對(duì)油氣水三 相流的測量中利用分離裝置對(duì)流體進(jìn)行初步分離后得到的也是兩相流流體。兩相流流體 分為氣-液，氣-固，液-固，液-液等，為了工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用要求，需要對(duì)兩相流的流量進(jìn) 行較為準(zhǔn)確的計(jì)量?；ハ嚓P(guān)技術(shù)是目前在測量兩相流流速中應(yīng)用比較廣泛的方法，由于 這種方法自身原理的限制，得到的相關(guān)流速和流體真實(shí)流速之間有一定的誤差，影響了 測量精度。申請?zhí)枮?00510045977.6的發(fā)明專利申請?zhí)岢鲆环N基于電容傳感器和相關(guān)技術(shù)的固 液兩相流流量電容實(shí)時(shí)檢測裝置，雖然這種方法對(duì)電容值進(jìn)行相關(guān)分析再做相應(yīng)的處理， 但該裝置存在以下的缺點(diǎn)(1)僅適用于固液兩相流測量(2)未對(duì)流體進(jìn)行預(yù)處理， 流入電容傳感器的流體可能存在較大的速度滑移(3)該方法采用的電容傳感器以及電容 檢測電路的精確度還有待于提高。申請?zhí)枮?00510046171.9的發(fā)明專利提出了一種基于 多傳感器、電容值的互相關(guān)和超聲波互相關(guān)分析的兩相流流速測量方法，雖然這種方法 對(duì)電容和超聲兩路的值進(jìn)行相關(guān)分析再做相應(yīng)的處理，但是它沒有分析相關(guān)方法在兩相 流流速測量中誤差產(chǎn)生的原因，因而沒有從流量傳感器部分給出解決測量誤差的方法， 沒有從根本上解決問題。此外，傳統(tǒng)的用于測量流體流速的電容傳感器由兩個(gè)半環(huán)形的電極構(gòu)成，兩個(gè)電極之間電場分布不均勻，流場的分布情況對(duì)流速測量有很大影響。鑒 于此，本發(fā)明從兩相流流體本身的物理特性出發(fā)，深入研究利用相關(guān)方法進(jìn)行兩相流流 速測量的本發(fā)明利用流體的電學(xué)性質(zhì)提出了一套新的測量兩相流流速的方案，該測量系 統(tǒng)引入了新型的流量測量傳感器和相關(guān)信息處理方法，易于實(shí)現(xiàn)，便于現(xiàn)場應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有的兩相流流速測量方法的弊端，提出一種能夠大大消除流場分 布不均勻，提高測量精度的電容傳感器結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了基于此種電容傳感器的相關(guān)式兩相流流速測量系統(tǒng)。本發(fā)明的電容傳感器的技術(shù)方案如下-一種流速測量雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器，包括測量管道，分別設(shè)置在測量管道上游和 下游的兩個(gè)相同的電容傳感器，其特征在于，在測量管道的中軸線上固定有圓柱型電極 載體，上游電容傳感器和下游電容傳感器的兩個(gè)內(nèi)環(huán)電極分別固定在圓柱型電極載體外， 其兩個(gè)外環(huán)電極分別固定在與兩個(gè)內(nèi)環(huán)電極位置相對(duì)應(yīng)的測量管道內(nèi)壁上。在測量管道的入口處最好設(shè)置有靜態(tài)混合器。本發(fā)明還提供一種采用上述電容器結(jié)構(gòu)的兩相流流速相關(guān)測量系統(tǒng)，技術(shù)方案如下一種基于雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的兩相流流速相關(guān)測量系統(tǒng)，包括雙內(nèi)外環(huán)形電容 傳感器、傳感器信號(hào)采集電路、相關(guān)信號(hào)處理電路，其中，雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器包括測量管道，分別設(shè)置在測量管道上游和下游的兩個(gè)相同 的電容傳感器，其特征在于，在測量管道的中軸線上固定有圓柱型電極載體，上游電容 傳感器和下游電容傳感器的兩個(gè)內(nèi)環(huán)電極分別固定在圓柱型電極載體外，其兩個(gè)外環(huán)電 極分別固定在與所述的兩個(gè)內(nèi)環(huán)電極位置相對(duì)應(yīng)的測量管道內(nèi)壁上；傳感器信號(hào)采集電路包括振蕩激勵(lì)信號(hào)模塊、上游和下游電容信號(hào)采集電路、上游 和下游電容信號(hào)處理電路；由振蕩激勵(lì)信號(hào)模塊分別向雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器施加相同 的激勵(lì)信號(hào)；上游、下游信號(hào)處理電路分別采集上游和下游電容傳感器的信號(hào)，并經(jīng)過 程控放大處理后將其傳送到相關(guān)信號(hào)處理電路；相關(guān)信號(hào)處理電路包括作為從機(jī)的DSP和作為主機(jī)的單片機(jī)及其外圍電路，由單片 機(jī)采集上游和下游電容傳感器的信號(hào)，送入DSP中進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到管道內(nèi)兩相流 體的流速。在上述的技術(shù)方案中，雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器最好還包括設(shè)置在測量管道入口處的 靜態(tài)混合器。振蕩激勵(lì)信號(hào)模塊可以包括自激振蕩源及分別與其相連的上游和下游延遲開關(guān)電 路，自激振蕩源產(chǎn)生的方波信號(hào)分別經(jīng)由上游和下游延遲開關(guān)電路后加載在上游和下游 電容傳感器上。所述上游信號(hào)處理電路可以包括上游電容信號(hào)采樣電路、第一檢波電路、信號(hào)幅值 判斷電路、第一程控信號(hào)放大電路，上游電容信號(hào)采樣電路的輸出分別與第一檢波電路 和第一程控信號(hào)放大電路的輸入端相連，信號(hào)幅值判斷電路根據(jù)第一檢波電路輸入的信 號(hào)判斷上游電容信號(hào)采樣電路輸出信號(hào)的大小，并據(jù)此設(shè)定第一程控信號(hào)放大電路的放 大倍數(shù)。下游信號(hào)處理電路與上游相似，包括下游電容信號(hào)采樣電路、第二檢波電路、信號(hào) 幅值判斷電路、第二程控信號(hào)放大電路，上游電容信號(hào)釆樣電路的輸出分別與第二檢波 電路和第二程控信號(hào)放大電路的輸入端相連，信號(hào)幅值判斷電路根據(jù)第二檢波電路輸入 的信號(hào)判斷下游電容信號(hào)采樣電路輸出信號(hào)的大小，并據(jù)此設(shè)定第二程控信號(hào)放大電路 的放大倍數(shù)。本發(fā)明采用在測量管道內(nèi)豎直安裝的雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器作為流量傳感器，與傳統(tǒng)的用于測量流體流速的電容傳感器相比，使得流速呈軸對(duì)稱分布，速度剖面較均勻， 能夠大大消除流場和電場的分布不均勻的影響，內(nèi)雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的設(shè)計(jì)還使得 測量段被測流體的流速迅速增加。同時(shí)靜態(tài)混合器的設(shè)置，使得各相均勻混合，降低了 速度滑移，為互相關(guān)分析提供了很好的前提條件，可提高分析精度。利用DSP對(duì)上下游 兩個(gè)傳感器得到的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理，提高了兩相流體中流速測量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性， 同時(shí)設(shè)計(jì)保證了低功耗，節(jié)約能源；本發(fā)明利用了兩相流流體自身的電學(xué)特性來進(jìn)行流 速的測量，避免了使用射線技術(shù)，消除了安全隱患。本發(fā)明釆用的流速測量技術(shù)可以廣 泛的應(yīng)用于氣-液，氣-固，液-固，液-液等兩相流體的流速測量，易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用。


圖1流速測量雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2基于雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的兩相流流速相關(guān)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3本發(fā)明的測量系統(tǒng)中的相關(guān)信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)框圖；圖4主程序流程圖；圖5上游內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的信號(hào)采集電路原理圖； 圖6相關(guān)信號(hào)處理電路原理圖；圖7作為主機(jī)的單片機(jī)及其外圍器件和接口電路原理圖。
具體實(shí)施方式
以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理予以說明。流速測量雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器如圖1 所示。氣-液，氣-固，液-固，液-液等兩相流體進(jìn)入流速測量雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器， 流體通過設(shè)置在測量管道1入口處的靜態(tài)混合器4整流后進(jìn)入由上游環(huán)形電容傳感器和 下游環(huán)形電容傳感器形成的雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器上。雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的兩個(gè)內(nèi) 環(huán)電極6、 8分別貼在圓柱型電極載體2上，兩個(gè)外環(huán)電極5、 7分別貼在測量管道1的 內(nèi)壁上。上、下游兩個(gè)電容傳感器的電極寬度均為d=8mm，兩個(gè)內(nèi)電極6， 8直徑dl=15mm， 外電極5， 7的直徑(32=50畫，上、下游兩個(gè)電容傳感器之間的距離L-25咖。圓柱型電極 載體采用耐腐蝕、硬度高的絕哮材料如硬質(zhì)塑料制成。參見圖2，振蕩激勵(lì)信號(hào)模塊，向上游和下游電容傳感器施加振蕩激勵(lì)信號(hào)。電容信 號(hào)通過上游檢測電路模塊和下游檢測電路模塊來檢測。檢測到的兩個(gè)電容信號(hào)分別經(jīng)過 檢波電路送入信號(hào)幅值判斷電路模塊16。兩個(gè)電容信號(hào)輸出還分別連接到兩個(gè)程控放大 電路，上下游兩路模擬信號(hào)被相關(guān)信號(hào)處理電路采集。如圖3所示，相關(guān)信號(hào)處理電路 將上游模擬信號(hào)，下游模擬信號(hào)，通過從機(jī)DSP和主機(jī)(單片機(jī))進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算處理， 進(jìn)而得到管道內(nèi)兩相流體的流速，通過顯示部分實(shí)時(shí)顯示。主程序流程如圖4。圖5為上游內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的信號(hào)采集電路，該信號(hào)采集電路包括自激振蕩源、 延遲開關(guān)電路、電容信號(hào)采樣電路、檢波電路、程控信號(hào)放大電路、信號(hào)幅值判斷電路幾個(gè)部分。上游延遲開關(guān)電路由電阻R20、 二極管D5和電阻R21、 二極管D6以及四開關(guān) 器件IC7 (型號(hào)4066)構(gòu)成，電容信號(hào)采樣電路主要由IC8A和IC8B兩個(gè)放大器構(gòu)成， 自激振蕩源輸出的方波振蕩信號(hào)經(jīng)開關(guān)延遲電路向上游環(huán)形電容傳感器(圖2中的Bl和 B2兩個(gè)接線端子分別與上游內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的內(nèi)環(huán)電極6，外環(huán)電極5相連)施加 激勵(lì)信號(hào)。上游電容信號(hào)采樣電路輸出的電壓信號(hào)分成兩路， 一路經(jīng)由程控放大器IC10 和放大器IC9A構(gòu)成程控信號(hào)放大電路的放大處理后輸出上游模擬信號(hào)；另一路經(jīng)過由放 大器IC犯構(gòu)成的檢波電路后輸入信號(hào)幅值判斷電路，信號(hào)幅值判斷電路主要由型號(hào)為 MSP430F1611的微處理器MCU構(gòu)成，信號(hào)幅值判斷電路根據(jù)檢波電路輸入的信號(hào)判斷電容 信號(hào)采樣電路輸出電壓信號(hào)的大小，據(jù)此調(diào)節(jié)程控放大器的放大倍數(shù)。下游內(nèi)外環(huán)形電 容傳感器的信號(hào)采集電路與上游相同，兩者共用振蕩信號(hào)源和信號(hào)幅值判斷電路。故而 省略附圖和說明。參見圖6和圖7，分別通過處理上游模擬信號(hào)和下游模擬信號(hào)被作為主機(jī)的單片機(jī) Ul經(jīng)過AD釆樣后輸出到作為從機(jī)的DSP進(jìn)行互相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理。本發(fā)明在傳感器部分由于靜態(tài)混合器4的設(shè)置使得流體在進(jìn)入雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感 器之前得到充分的混合，減小了相間速度滑移，同時(shí)由于內(nèi)外環(huán)形電極的設(shè)置使得流體 流過時(shí)速度突然增加，這樣也有利于流體的混合，為提高相關(guān)測速的精度創(chuàng)造了良好的 條件。在互相關(guān)信號(hào)處理部分從機(jī)DSP18選用TMS320VC5509PGE，在確保系統(tǒng)性能要求的 同時(shí)可以有效的降低功耗，節(jié)約了能源。主機(jī)(單片機(jī))選用MSP430F1611，其采樣精度 高，采集的數(shù)據(jù)量大，可提高數(shù)據(jù)處理得實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。這套雙內(nèi)外環(huán)形電容-相關(guān)式兩相流流速測量系統(tǒng)在氣-液，氣-固，液-固，液-液等 兩相流流速測量方面具有很明顯的優(yōu)勢，整套系統(tǒng)對(duì)于兩相流流速的測量具有很高的精 度，無輻射，制造成本低，易于現(xiàn)場應(yīng)用，普遍適用于石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)。
權(quán)利要求
1. 一種流速測量雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器，包括測量管道，分別設(shè)置在測量管道上游和下游的兩個(gè)相同的電容傳感器，其特征在于，在測量管道的中軸線上固定有圓柱型電極載體，上游電容傳感器和下游電容傳感器的兩個(gè)內(nèi)環(huán)電極分別固定在圓柱型電極載體外，其兩個(gè)外環(huán)電極分別固定在與兩個(gè)內(nèi)環(huán)電極位置相對(duì)應(yīng)的測量管道內(nèi)壁上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流速測量雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器，其特征在于，在測量管道的 入口處設(shè)置有靜態(tài)混合器。
3. —種基于雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的兩相流流速相關(guān)測量系統(tǒng)，包括雙內(nèi)外環(huán)形電容傳 感器、傳感器信號(hào)采集電路、相關(guān)信號(hào)處理電路，其中，雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器包括測量管道，分別設(shè)置在測量管道上游和下游的兩個(gè)相同 的電容傳感器，其特征在于，在測量管道的中軸線上園定有圓柱型電極載體，上游電容 傳感器和下游電容傳感器的兩個(gè)內(nèi)環(huán)電極分別固定在圓柱型電極載體外，其兩個(gè)外環(huán)電 極分別固定在與所述的兩個(gè)內(nèi)環(huán)電極位置相對(duì)應(yīng)的測量管道內(nèi)壁上；傳感器信號(hào)采集電路包括振蕩激勵(lì)信號(hào)模塊、上游和下游電容信號(hào)采集電路、上游 和下游電容信號(hào)處理電路；由振蕩激勵(lì)信號(hào)模塊分別向雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器施加相同 的激勵(lì)信號(hào)；上游、下游信號(hào)處理電路分別采集上游和下游電容傳感器的信號(hào)，并經(jīng)過 程控放大處理后將其傳送到相關(guān)信號(hào)處理電路；相關(guān)信號(hào)處理電路包括作為從機(jī)的DSP和作為主機(jī)的單片機(jī)及其外圍電路，由單片 機(jī)采集上游和下游電容傳感器的信號(hào)，送入DSP中進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到管道內(nèi)兩相流 體的流速。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的兩相流流速相關(guān)測量系統(tǒng)，其特 征在于，雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器還包括設(shè)置在測量管道入口處的靜態(tài)混合器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的兩相流流速相關(guān)測量系統(tǒng)，其特 征在于，所述振蕩激勵(lì)信號(hào)模塊包括自激振蕩源及分別與其相連的上游和下游延遲開 關(guān)電路，自激振蕩源產(chǎn)生的方波信號(hào)分別經(jīng)由上游和下游延遲開關(guān)電路后加載在上游 和下游電容傳感器上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的兩相流流速相關(guān)測量系統(tǒng)，其特 征在于，所述上游信號(hào)處理電路包括上游電容信號(hào)采樣電路、第一檢波電路、信號(hào)幅 值判斷電路、第一程控信號(hào)放大電路，上游電容信號(hào)釆樣電路的輸出分別與第一檢波 電路和第一程控信號(hào)放大電路的輸入端相連，信號(hào)幅值判斷電路根據(jù)第一檢波電路輸 入的信號(hào)判斷上游電容信號(hào)采樣電路輸出信號(hào)的大小，并據(jù)此設(shè)定第一程控信號(hào)放大 電路的放大倍數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器的兩相流流速相關(guān)測量系統(tǒng)，其特 征在于，所述下游信號(hào)處理電路包括下游電容信號(hào)采樣電路、第二檢波電路、信號(hào)幅 值判斷電路、第二程控信號(hào)放大電路，上游電容信號(hào)采樣電路的輸出分別與第二檢波 電路和第二程控信號(hào)放大電路的輸入端相連，信號(hào)幅值判斷電路根據(jù)第二檢波電路輸 入的信號(hào)判斷下游電容信號(hào)采樣電路輸出信號(hào)的大小，并據(jù)此設(shè)定第二程控信號(hào)放大 電路的放大倍數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種流速測量雙內(nèi)外環(huán)形電容傳感器，包括測量管道，分別設(shè)置在測量管道上游和下游的兩個(gè)相同的電容傳感器，其特征在于，在測量管道的中軸線上固定有圓柱型電極載體，上游電容傳感器和下游電容傳感器的兩個(gè)內(nèi)環(huán)電極分別固定在圓柱型電極載體外，其兩個(gè)外環(huán)電極分別固定在與兩個(gè)內(nèi)環(huán)電極位置相對(duì)應(yīng)的測量管道內(nèi)壁上。本發(fā)明還提供一種采用此種電容傳感器的兩相流相關(guān)測量系統(tǒng)。本發(fā)明提供的電容傳感器和兩相流相關(guān)測量系統(tǒng)，能夠大大消除流場和電場分布不均勻，提高測量精度。
文檔編號(hào)G01F1/56GK101251398SQ20071005735
公開日2008年8月27日 申請日期2007年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月17日
發(fā)明者葉佳敏, 濤 張, 超 陳 申請人:天津大學(xué)