基于ni數(shù)據(jù)采集卡的兩相流網(wǎng)格傳感器測量方法
【專利說明】基于NI數(shù)據(jù)采集卡的兩相流網(wǎng)格傳感器測量方法 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于NI數(shù)據(jù)采集卡的兩相流網(wǎng)格傳感器測量方法
【背景技術(shù)】
[0002] 兩相流現(xiàn)象廣泛地存在于石油工程、化學(xué)工程、冶金工程、核工程、航空與航天工 程等傳統(tǒng)工業(yè)和新興工業(yè)領(lǐng)域中。氣液兩相流是指氣相與液相不相容物質(zhì)的混合流動體 系。由于氣液兩相流中各成份之間存在著密度、粘度等物理性質(zhì)上的差異，在流量、壓力、重 力及管路形狀等諸多因素的影響下，導(dǎo)致氣液兩相流流動狀態(tài)實時監(jiān)測較為困難。
[0003] 隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，過程層析成像技術(shù)已在兩相流流動狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測方 面取得較大進(jìn)展，但是常見的ERT、ECT測量硬件系統(tǒng)及其成像算法都較為復(fù)雜。1987年， 出現(xiàn)與過程層析成像技術(shù)明顯不同的兩相流Wire-Mesh(以下簡稱網(wǎng)格傳感器）傳感系統(tǒng) (JohnsonID.MethodandapparatusformeasuringwaterincrudeOil.UnitedStates Patent,No4, 644, 263, 17February, 1987)，利用插入管道內(nèi)的雙層平行電極構(gòu)成網(wǎng)格傳感 器，可對管道內(nèi)兩相流流動狀態(tài)實時成像、動態(tài)監(jiān)測，然而，Wire-Mesh硬件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采 集速度、精度直接制約管內(nèi)流體的成像質(zhì)量。目前，NationalInstruments(NI)公司的數(shù) 據(jù)采集卡已被廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)過程，其在數(shù)據(jù)采集過程表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，同時， 與之配套的上位機軟件LabView可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時顯示和處理。據(jù)此可見，基于NI數(shù) 據(jù)采集卡的兩相流網(wǎng)格傳感器測量系統(tǒng)設(shè)計在提高傳感器成像速度和精度方面潛力明顯。
[0004] 本發(fā)明提出一種基于NI數(shù)據(jù)采集卡的兩相流網(wǎng)格傳感器測量系統(tǒng)設(shè)計方法。下 位機以AVR單片機ATmegal6為核心，實現(xiàn)網(wǎng)格傳感器的循環(huán)激勵控制、信號調(diào)理、NI數(shù)據(jù) 采集卡外部觸發(fā)采集控制；NI數(shù)據(jù)采集卡在單片機控制下，按預(yù)定時序?qū)?路電壓信號同 時采集；上位機以LabView軟件為核心，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時顯示及管內(nèi)流體的實時成像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于NI數(shù)據(jù)采集卡的兩相流網(wǎng)格傳感器測量方法。本 發(fā)明通過單片機控制NI數(shù)據(jù)采集卡的工作過程，可充分發(fā)揮NI數(shù)據(jù)采集卡在數(shù)據(jù)采集方 面的優(yōu)勢，同時利用上位機實現(xiàn)管道內(nèi)流體的實時準(zhǔn)確成像。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種基于NI數(shù)據(jù)采集卡的兩相流網(wǎng)格傳感器測量方法，所采用的測量裝置包括 置于待測量管路內(nèi)的電導(dǎo)式網(wǎng)格傳感器，多路模擬開關(guān)、調(diào)理電路、NI數(shù)據(jù)采集卡、單片機、 上位機，其特征在于，
[0007] 該電導(dǎo)式網(wǎng)格傳感器包括兩層分別位于兩個相互平行的平面上的不銹鋼金屬導(dǎo) 線，層內(nèi)的金屬導(dǎo)線相互平行且等間距排布，層間的金屬導(dǎo)線相互垂直，構(gòu)成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從 而在三維空間內(nèi)形成多個交錯點，即流體的待測位置；第一層金屬導(dǎo)線通過多路模擬開關(guān) 與單片機相連，為激勵電極；第二層金屬導(dǎo)線通過調(diào)理電路與NI數(shù)據(jù)采集卡連接，為測量 電極，當(dāng)管道內(nèi)存在導(dǎo)電和不導(dǎo)電兩種流動介質(zhì)時，管道內(nèi)流體流動結(jié)構(gòu)動態(tài)監(jiān)測過程，分 以下步驟進(jìn)行：
[0008] 第一步：在單片機控制下，激勵電極依次輪流接地，使得NI數(shù)據(jù)采集卡工作在外 部觸發(fā)模式下，
[0009] 第二步：單片機控制某個激勵電極與地斷開，后與+5V激勵信號連接，當(dāng)其與+5V 激勵信號連接后，觸發(fā)NI數(shù)據(jù)采集卡工作，各個測量電極上電壓信號被采集卡同時采集， 采集得到各個電壓信號分別反映相應(yīng)的交錯點處的流體信息，當(dāng)交錯點處流體導(dǎo)電時，采 集電壓較高；當(dāng)交錯點處流體不導(dǎo)電時，采集電壓較低。
[0010] 第三步：上述數(shù)據(jù)采集過程完成后，該電極與+5V激勵信號斷開，并接地。
[0011] 第四步：單片機控制下一個激勵電極與地斷開，重復(fù)步驟二和三，直至得到反映各 個交錯點處流體信息的各個電壓信號。
[0012] 第五步：上位機根據(jù)各個交錯點的流體信息，繪制管道內(nèi)流體圖像。
[0013] 其中，所采用的NI數(shù)據(jù)采集卡為PXI4472;上位機以LabView軟件為核心，實現(xiàn)采 集數(shù)據(jù)的實時顯示及管內(nèi)流體的實時成像。
[0014] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：
[0015] (1)本發(fā)明中涉及的網(wǎng)格傳感器采用上下兩層平行金屬導(dǎo)線構(gòu)成，可與流體直接 接觸，對上下兩層金屬導(dǎo)線交錯點處流體的測量靈敏度高。
[0016] (2)下位機以AVR單片機ATmegal6為核心，實現(xiàn)網(wǎng)格傳感器的激勵電極的循環(huán)激 勵控制，控制時序清晰，控制過程快捷有效。
[0017] (3)NI數(shù)據(jù)采集卡工作在外部觸發(fā)模式下時，可受單片機下位機ATmegal6控制， 完成N采樣（N為每次觸發(fā)后預(yù)設(shè)的各通道采樣點數(shù)），數(shù)采迅速用時短，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。
[0018] (4)與NI數(shù)據(jù)采集卡配套的LabView軟件，可對N采樣數(shù)據(jù)實時顯示，迅速實現(xiàn)管 內(nèi)被測量流體的成像過程。
【附圖說明】
[0019] 圖1是電導(dǎo)式網(wǎng)格傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖：(a)安裝在管道上的電導(dǎo)式網(wǎng)格傳感器 的正視圖；(b)安裝在管道上的電導(dǎo)式網(wǎng)格傳感器的側(cè)視圖。
[0020] 圖2是基于NI數(shù)據(jù)采集卡的兩相流網(wǎng)格傳感器測量系統(tǒng)框圖。
[0021] 圖3是8個激勵電極按編號順序（從A到H的順序）輪流接地的單片機控制時序 圖。
[0022] 圖4是激勵電極A完成一次激勵操作的控制時序，包括A電極與地斷開、A電極接 +5V、A電極與+5V斷開、A電極接地四步操作。
[0023] 圖5是管道內(nèi)充滿靜止純水時，電導(dǎo)網(wǎng)格傳感器64個交錯點位置的測量電壓平均 值。
[0024] 圖6是管道內(nèi)充滿靜止純水時，電導(dǎo)網(wǎng)格傳感器64個交錯點位置的測量電壓平均 值的分布圖。
[0025] 圖7垂直上升氣液兩相流段塞流情況下，某時刻上位機所示的流體成像結(jié)果。
[0026] 圖中標(biāo)號說明：
[0027] 1圓形的有機玻璃管道；
[0028] 2構(gòu)成網(wǎng)格傳感器的金屬電極；
[0029] 3 8個激勵電極，按順序用A到H大寫英文字母表示；
[0030] 4 8個測量電極，按順序用a到h小寫英文字母表示。
[0031] 5單片機PC7引腳輸出的高電平脈沖，此脈沖作為NI數(shù)據(jù)采集卡的信號采集外部 觸發(fā)信號。
[0032] 6垂直上升氣液兩相流段塞流中的氣塞（即由空氣構(gòu)成的塞狀結(jié)構(gòu)，不導(dǎo)電）。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0034] (1)設(shè)計一個電導(dǎo)式網(wǎng)格傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電導(dǎo)式網(wǎng)格傳感器有兩 層不銹鋼金屬導(dǎo)線組成（2):第一層金屬導(dǎo)線數(shù)目為8,分別用A，B，C，D，E，F(xiàn)，G和H八個 大寫英文字母表示（3)，這八個金屬導(dǎo)線平行且等間距排布，為激勵電極；第二層金屬導(dǎo)線 數(shù)目為8,分別用a，b，c，d，e，f，g和h八個小寫英文字