專利名稱：多相管流中相含率和相界面的單絲電容探針測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多相管流中相含率和相界面的連續(xù)實時在線測量系統(tǒng)，具體涉及一種多相管流中相含率和相界面的單絲電容探針測量系統(tǒng)。
背景技術：
氣—液、液—液、油—氣—水多相管流在能源、動力與石油、化工等工業(yè)領域廣泛應用。實時變化的截面相含率是多相管流中最基本和最重要的特征參數(shù)之一。而在分層流、環(huán)狀流和段塞流中存在著連續(xù)的相界面結構，這種相界面結構對多相管流的傳熱、傳質(zhì)以及阻力特征有著顯著的影響。對多相管流的截面相含率和相界面結構的實時準確測量是涉及多相管流的實驗研究、技術發(fā)展和工業(yè)應用中的關鍵技術之一。
目前測量多相管流截面相含率和相界面結構的方法主要有快關閥法、射線法、光學法、電學法等?？礻P閥法是一種機械方法，只適合實驗室使用；射線法的準確度較好，但受設備龐大，輻射安全性等因素的影響，光學法受設備昂貴，對測量對象要求苛刻等因素的影響，其使用都受很大的制約。
電學法具有結構簡單、反應快速靈敏、運行穩(wěn)定可靠的特點，成為近20年來多相流測量領域研究的熱點技術。電學法可以分為電導法和電容法兩類。如中國專利申請文本《地面電導含水分析儀》(
公開日2005年3月30日，公開號CN1601265，申請日2004年10月26日)中公開的一種用于測量油田外輸液中含水率的地面電導含水分析儀，該專利即采用電導法測量多相管流中的含液率，但是電導法的測量結果隨液相電導系數(shù)變化而變化，而液相溫度、液相中的雜質(zhì)成分等因素都顯著影響液相的電導系數(shù)，為了保證測量的精度必須不斷對測量結果進行修正，從而無法實現(xiàn)連續(xù)的在線測量。如中國專利申請文本《采用內(nèi)置12極電容傳感器的氣液兩流空泡份額測量儀》(
公開日2005年8月17日，公開號CN1654940A，申請日2004年12月29日)中公開的一種氣液兩相流中空泡份額的測量儀器，該專利即采用電容法測量氣液兩相流中空泡份額。這類電容法的原理是，布置于兩相流動管道上的電極對視為一個電容器，電容值的大小與兩相混合物的介電常數(shù)ε有關，而ε是氣相介電常數(shù)εG、液相介電常數(shù)εL和空泡份額α的函數(shù)。通過測量電極間的電容值得到混合物的空泡份額。但這類電容法的測量結果同樣隨著液相介電常數(shù)的變化而變化，而液相溫度、液相中的雜質(zhì)成分等因素都顯著影響液相的介電常數(shù)，為了測量的準確也必須不斷對測量結果進行修正。在實驗研究或者實際工業(yè)多相管流中的流體導電系數(shù)和介電常數(shù)往往是不斷變化的，所以目前這些電導法和電容法并不能實現(xiàn)對多相管流相含率以及相界面結構進行連續(xù)的實時在線測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種測量結果不受流體溫度和雜質(zhì)成分的影響且測量精度高，能夠從根本上消除流體電學性質(zhì)隨機變化對測量結果的影響，實現(xiàn)連續(xù)實時在線測量的多相管流中相含率和相界面的單絲電容探針測量系統(tǒng)。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是包括單絲電容探針裝置以及與單絲電容探針裝置相連接的電容電壓轉換電路和信號處理裝置，其特點是，所說的單絲電容探針裝置包括設置在測量管道內(nèi)的單絲電容探針，在測量管道的外側對稱設置有上支架和下支架，上支架和下支架內(nèi)均設置密封套，上支架上設置有套管和上端蓋，上端蓋通過螺栓與上支架相連接，且在上端蓋上還設置有與單絲電容探針的一端相連接的電極接線柱，下支架上設置有鎖緊螺栓和與單絲電容探針的另一端相連接的下端蓋；所說的電容電壓轉換電路采用CAV424芯片，CAV424芯片的外接第一、第二和第三管角分別與參考振蕩電路電阻Rosc、第一積分器電流調(diào)整電阻Rcx1、第二積分器電流調(diào)整電阻Rcx2相連接，且參考振蕩電路電阻Rosc、第一積分器電流調(diào)整電阻Rcx1、第二積分器電流調(diào)整電阻Rcx2連同CAV424芯片的外接第十管角接地；CAV424芯片的外接第四管角與輸出電壓放大電阻RL1連接，該電壓放大電阻RL1的另一端引到外接電壓輸出端V0，同時從CAV424芯片的外接第四管角引出導線與另外一個輸出電壓放大電阻RL2連接，該電阻RL2的另為一端與CAV424芯片的外接第六管角連接；CAV424芯片的外接第六管角與載荷電容CVM連接，該載荷電容CVM的另外一端接地；同時CAV424芯片的外接第六管角直接與另外一個電壓輸出端V1連接；CAV424芯片的外接第十一管角引出導線與直流電壓電源外接端Vcc連接；CAV424芯片的外接第十二、十三、十五和十六管角分別與振蕩電路電容COSC、低通電路電容CL2、另一低通電路電容CL1及參考電容CX1連接，這些電容的另外一端均接地；從CAV424芯片的外接第十四管角引出導線到外接單絲電容探針裝置的一端C0，同時從接地線引出到外接單絲電容探針裝置的另一端C1。，從直流電壓電源外接端Vcc接入5伏的直流電源；在外接單絲電容探針裝置的兩個外接端C0、C1分別與單絲電容探針9的兩端相連接；信號處理裝置采用C8051F000單片機，信號處理裝置的輸入端與電容電壓轉換電路的兩個電壓輸出端V1和V0連接。
本發(fā)明的單絲電容探針包括不銹鋼絲和涂敷在不銹鋼絲外側的聚四氟乙烯層；測量管道與上支架及下支架之間還設置有絕緣墊片；；鎖緊螺栓和下端蓋之間還設置有彈簧。
由于本發(fā)明采用了單絲電容探針，只要求多相管流中被測相為導電介質(zhì)，測量結果不受流體溫度和雜質(zhì)成分的影響，從根本上消除了流體電學性質(zhì)隨機變化對測量結果的影響，實現(xiàn)了對多相管流相含率和相界面結構的連續(xù)實時在線測量，并且有很高的測量精度。


圖1是本發(fā)明的整體示意圖；圖2是本發(fā)明單絲電容探針裝置18的裝配圖；圖3是本發(fā)明單絲電容探針9的結構示意圖；圖4是本發(fā)明電容電壓轉換電路19的原理圖；圖5是本發(fā)明對分層界面的測量圖，其中橫坐標為無量鋼液位高度，縱坐標為本發(fā)明的測量值；圖6是本發(fā)明對泡狀流液相相含率的測量圖，其中橫坐標為液相相含率，縱坐標為測量值。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。
參見圖1，本發(fā)明包括單絲電容探針裝置18以及與單絲電容探針裝置18相連接的電容電壓轉換電路19和信號處理裝置20，電容電壓轉換電路19將單絲電容探針裝置18中的單絲電容探針的電容值轉化為直流電壓，并將電壓值傳給信號處理裝置20，信號處理裝置20實現(xiàn)對電容電壓轉換電路19的開啟和關閉的控制并實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲和打印等功能。
參見圖2，本發(fā)明的單絲電容探針裝置18包括設置在測量管道8內(nèi)的單絲電容探針9，在測量管道8的外壁面徑向?qū)ΨQ方向上銑出兩個對稱的圓錐形槽口，外徑為0.3mm的圓柱形單絲電容探針9穿過兩個圓錐形槽口，參見圖3，圓柱形單絲電容探針9采用中心為直徑0.1厘米的不銹鋼絲16，不銹鋼絲外涂厚度為0.1mm聚四氟乙烯層17的漆包線，單絲電容探針9的一端穿過硅樹脂密封套5，密封套5制作成圓錐形與圓錐形槽口吻合，除去單絲電容探針9末端的聚四氟乙烯層17后固定在電極接線柱1上，并將電極接線柱1固定在上端蓋3上，通過上端蓋3上的螺栓2將上端蓋3固定在銅質(zhì)上支架6上固定，在上端蓋3往下運動過程中，通過套管4將硅樹脂密封套5往測量管道8的壁上的圓錐形槽口擠壓起到密封作用。如果測量管道8為非導電材質(zhì)時，上支架6用固定膠直接固定在測量管道8的外壁上，如果測量管道8為導電材質(zhì)時，上支架6和測量管道8外壁之間加入絕緣墊片7并用固定膠固定。通過鎖緊螺栓13往銅質(zhì)下支架11上鎖緊的過程中擠壓硅樹脂密封套12對單絲電容探針9的另一端進行密封，下支架11與測量管道8的固定方式與上支架6相同，調(diào)節(jié)單絲電容探針9的長度并將單絲電容探針9的末端固定在下端蓋15上，下端蓋15壓縮設置在鎖緊螺栓13凹槽內(nèi)的彈簧14，使單絲電容探針9保持一定的張力從而消除流體流動沖擊探針產(chǎn)生的振動。單絲電容探針裝置18中的單絲電容探針9沿著管道徑向垂直穿過測試管道，探針兩端分別與端蓋和電極接線螺栓連接，利用兩端的支架、端蓋、螺栓和緊鎖螺栓結構對探針進行固定，并利用彈簧將探針張緊消除流動沖擊引起的振動，采用硅樹脂密封套對探針穿出管道的位置實現(xiàn)良好的密封。
參見圖3，單絲電容探針9采用中心為直徑0.1厘米的不銹鋼絲16，不銹鋼絲外涂厚度為0.1mm聚四氟乙烯層17的漆包線，本發(fā)明采用外徑為0.3mm的圓柱形單絲電容探針，單絲電容探針的測量原理如下探針的中心為直徑為0.1mm的不銹鋼絲，不銹鋼絲16具有較好的強度和良好的導電性，該不銹鋼絲16即作為單絲電容探針9的一個電極。不銹鋼絲16外均勻地噴涂厚度為0.1mm的聚四氟乙烯層17，該環(huán)狀聚四氟乙烯層17即成為單絲電容探針9的電解質(zhì)。聚四氟乙烯有穩(wěn)定的電學性質(zhì)，其電絕緣性和介電常數(shù)在很寬的范圍內(nèi)不受環(huán)境溫度和激勵頻率的影響。當導電流體接觸單絲電容探針9時，導電流體構成單絲電容探針9的另外一個電極。此時內(nèi)部的不銹鋼絲16、聚四氟乙烯層17和與聚四氟乙烯層17接觸的導電流體共同組成了柱狀電容。聚四氟乙烯具有固體材料中最小的表面張力，被測流體不會粘附其上，所以測量過程中信號響應滯后現(xiàn)象十分微弱。當導電流體與單絲電容探針9在某處接觸的長度為h，那么該處形成的柱狀電容值C1為C1=2πϵhIn(Dd)---(1)]]>其中ε為聚四氟乙烯的介電常數(shù)，D，d分別為單絲電容探針的外徑和中心位置不銹鋼絲的直徑。當單絲電容探針9置于多相管流中時，導電流體與之接觸形成了一個或者一系列并聯(lián)的電容，根據(jù)并聯(lián)電容的計算公式可知，單絲電容探針上的總電容C為C=Σi=1nCi=2πϵIn(Dd)Σi=1nhi==2πϵIn(Dd)hi---(2)]]>上式中h1為與置于管道內(nèi)單絲電容探針接觸的導電流體的總長度。式(2)中的ε，D，d都是確定的常數(shù)，所以任何時刻從單絲電容探針9檢測到的電容值只跟與單絲電容探針9接觸的導電流體的長度有關并成正比。所以通過檢測單絲電容探針9的電容即可得到多相管流中管道界面相含率和界面結構。
參見圖4，本發(fā)明的電容電壓轉換電路19采用CAV424芯片，該芯片具有電容的高檢測靈敏度并可以克服寄生電容和環(huán)境變化的影響，實現(xiàn)對單絲電容探針9電容值的檢測并將電容信號轉變?yōu)橹绷鞯碾妷盒盘枴AV424芯片的第一、第二和第三管角分別與參考振蕩電路電阻Rosc、第一積分器電流調(diào)整電阻Rcx1、第二積分器電流調(diào)整電阻Rcx2相連接，且參考振蕩電路電阻Rosc、第一積分器電流調(diào)整電阻Rcx1、第二積分器電流調(diào)整電阻Rcx2連同CAV424芯片的外接第十管角接地；CAV424芯片的外接第四管角與輸出電壓放大電阻RL1連接，該電壓放大電阻RL1的另一端引到外接電壓輸出端V0，同時從CAV424芯片外接第四管角引出導線與另外一個輸出電壓放大電阻RL2連接，該電阻RL2的另外一端與CAV424芯片的外接第六管角連接；CAV424芯片的外接第六管角與載荷電容CVM連接，該載荷電容CVM的另外一端接地；同時CAV424芯片的外接第六管角直接與另外一個電壓輸出端V1連接；CAV424芯片的外接第十一管角引出導線與直流電壓電源外接端Vcc連接；CAV424芯片的外接第十二、十三、十五和十六管角分別與振蕩電路電容C0SC、低通電路電容CL2、另一低通電路電容CL1及參考電容CX1連接，這些電容的另外一端均接地；從CAV424芯片的外接第十四管角引出導線到外接單絲電容探針裝置的一端C0，同時從接地線引出到外接單絲電容探針裝置的另一端C1。，從直流電壓電源外接端Vcc接入5伏的直流電源；在外接單絲電容探針裝置的兩個外接端C0、C1分別與單絲電容探針9的兩端相連接，當管道材質(zhì)導電時C1直接與管道外壁連接，當單管道材質(zhì)非導電時，從單絲電容探針的下游10mm處的管壁打孔從管內(nèi)引出一電極與C1連接(該電極與被測流體連接)；從V0，V1外接端輸出經(jīng)該電路轉化得到直流電壓。在測試管道內(nèi)的被測液相相含率為零時通過調(diào)節(jié)電阻Rcx1、Rcx2對該C-V電路進行調(diào)零；通過調(diào)節(jié)電阻RL1、RL2調(diào)節(jié)輸出差變電壓的大小，使得處在管道內(nèi)的單絲電容探針都浸沒在導電流體時輸出的最大電壓小于最大量程。
信號處理裝置20以單片機為核心，采用C8051F000單片機，信號處理裝置19的輸入端與電容電壓轉換電路的外接端V1和V0連接。采集和處理頻率為2000kH。實現(xiàn)對電容-電壓(C-V)轉換電路的開啟和關閉控制，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行實時處理、顯示、存儲和打印等功能。
使用該系統(tǒng)前首先在單絲電容探針裝置無流體時對電容電壓轉換電路19調(diào)零消除裝置制作過程中引入的額外電容，再測定單絲電容探針裝置18中充滿導電流體時單絲電容探針9的最大電容轉化得到的最大電壓，這樣就完成了對該測量系統(tǒng)的初始化設置。因為本發(fā)明的測量值不受測量流體介電常數(shù)的影響，在測量過程中無需再對測量系統(tǒng)進行設置或者對測量結果進行修正，通過信號處理裝置控制該系統(tǒng)，實現(xiàn)對多相管流的相含率和相界面結構、連續(xù)的實時在線測量和顯示。
本發(fā)明提供的單絲電容探針測量系統(tǒng)結構簡單緊湊、成本低廉，實現(xiàn)了對多相管流相含率和相界面的實時在線測量和顯示；只要求被測相具有導電性，測量結果不受多相流體的溫度以及電學性質(zhì)隨機變化的影響所以有很強適用性，并且測量過程中無需對測量結果進行修正能實現(xiàn)連續(xù)的在線測量；檢測的電容信號與被測物理量呈良好的線性關系，測量結果的精度很高；本發(fā)明的測量系統(tǒng)通過實驗表明對分層流界面厚度測量的絕對誤差小于1.0％，而對泡狀流截面相含率測量的絕對誤差小于2.5％。說明本發(fā)明能很好地滿足實驗研究和工業(yè)領域?qū)Χ嘞喙芰髦邢嗪屎徒缑娼Y構測量的精度要求。
在使用該測量系統(tǒng)前，完成對系統(tǒng)的初始化設置，測量過程中不再對測量系統(tǒng)設置和測量結果進行任何的修改。使用本發(fā)明的測量系統(tǒng)對不同含鹽量的水在分層情況的相界面結構和對不同溫度下的空氣-水泡狀流的相含率的測量結果如圖5，6所示。
圖5給出本發(fā)明的測量系統(tǒng)對三組不同含鹽量的水在分層情況下的界面特征的測量值和實驗值的比較，無量綱高度的實驗值通過已知液體體積和幾何關系求出。從該圖可以看出該測量系統(tǒng)的測量結果與實驗結果相比絕對誤差和實驗的重復性誤差均小于1％。
利用本發(fā)明的測量系統(tǒng)對垂直管內(nèi)的不同溫度下空氣-水泡狀流的液相相含率進行測量，水的溫度通過泵的運行對工質(zhì)水自動加熱。圖6給出本發(fā)明的測量系統(tǒng)測量結果和實驗結果的比較，實驗結果采用快關閥法給出。從該圖可以看出該測量系統(tǒng)的測量結果與實驗結果相比絕對誤差和實驗的重復性誤差均小于2.5％。
從以上兩個實驗結果可以看出本發(fā)明的單絲電容探針測量系統(tǒng)能實現(xiàn)對多相管流中相含率和相界面的連續(xù)在線實時測量，無需對測量結果進行修正并且具有很高的測量精度。
權利要求
1.多相管流中相含率和相界面的單絲電容探針測量系統(tǒng)，包括單絲電容探針裝置(18)以及與單絲電容探針裝置(18)相連接的電容電壓轉換電路(19)和信號處理裝置(20)，其特征在于所說的單絲電容探針裝置(18)包括設置在測量管道(8)內(nèi)的單絲電容探針(9)，在測量管道(8)的外側對稱設置有上支架(6)和下支架(11)，上支架(6)和下支架(11)內(nèi)均設置密封套(5、12)，上支架(6)上設置有套管(4)和上端蓋(3)，上端蓋(3)通過螺栓(2)與上支架(6)相連接，且在上端蓋(2)上還設置有與單絲電容探針(9)的一端相連接的電極接線柱(1)，下支架(11)上設置有鎖緊螺栓(13)和與單絲電容探針(9)的另一端相連接的下端蓋(15)；所說的電容電壓轉換電路(19)采用CAV424芯片，CAV424芯片的外接第一、第二和第三管角分別與參考振蕩電路電阻Rosc、第一積分器電流調(diào)整電阻Rcx1、第二積分器電流調(diào)整電阻Rcx2相連接，且參考振蕩電路電阻Rosc、第一積分器電流調(diào)整電阻Rcx1、第二積分器電流調(diào)整電阻Rcx2連同CAV424芯片的外接第十管角接地；CAV424芯片的外接第四管角與輸出電壓放大電阻RL1連接，該電壓放大電阻RL1的另一端引到外接電壓輸出端V0，同時從CAV424芯片的外接第四管角引出導線與另外一個輸出電壓放大電阻RL2連接，該電阻RL2的另外一端與CAV424芯片的外接第六管角連接；CAV424芯片的外接第六管角與載荷電容CVM連接，該載荷電容CVM的另外一端接地；同時CAV424芯片的外接第六管角直接與另外一個電壓輸出端V1連接；CAV424芯片的外接第十一管角引出導線與直流電壓電源外接端Vcc連接；CAV424芯片的外接第十二、十三、十五和十六管角分別與振蕩電路電容COSC、低通電路電容CL2、另一低通電路電容CL1及參考電容CX1連接，這些電容的另外一端均接地；從CAV424芯片的外接第十四管角引出導線到外接單絲電容探針裝置的一端C0，同時從接地線引出到外接單絲電容探針裝置的另一端C1。，從直流電壓電源外接端Vcc接入5伏的直流電源；在外接單絲電容探針裝置的兩個外接端C0、C1分別與單絲電容探針(9)的兩端相連接，信號處理裝置(20)采用C8051F000單片機，信號處理裝置(20)的輸入端與電容電壓轉換電路(19)的兩個電壓輸出端V1和V0連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的多相管流中相含率和相界面的單絲電容探針測量系統(tǒng)，其特征在于所說的單絲電容探針(9)包括不銹鋼絲(16)和涂敷在不銹鋼絲(16)外側的聚四氟乙烯層(17)。
3.根據(jù)權利要求1所述的多相管流中相含率和相界面的單絲電容探針測量系統(tǒng)，其特征在于所說的測量管道(8)與上支架(6)及下支架(11)之間還設置有絕緣墊片(7)和絕緣墊片(10)。
4.根據(jù)權利要求1所述的多相管流中相含率和相界面的單絲電容探針測量系統(tǒng)，其特征在于所說的鎖緊螺栓(13)和下端蓋(15)之間還設置有彈簧(14)。
全文摘要
多相管流中相含率和相界面的單絲電容探針測量系統(tǒng)，包括單絲電容探針裝置以及與單絲電容探針裝置相連接的電容電壓轉換電路和信號處理裝置，電容電壓轉換電路將單絲電容探針裝置中的單絲電容探針的電容值轉化為直流電壓，并將電壓值傳給信號處理裝置，信號處理裝置實現(xiàn)對電容電壓轉換電路的開啟和關閉的控制并實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲和打印等功能。本發(fā)明采用了單絲電容探針，只要求多相管流中被測相為導電介質(zhì)，測量結果不受流體溫度和雜質(zhì)成分的影響，從根本上消除了流體電學性質(zhì)隨機變化對測量結果的影響，實現(xiàn)了對多相管流相含率和相界面結構的連續(xù)實時在線測量，并且有很高的測量精度。
文檔編號G01N27/22GK1865966SQ20061004279
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月11日 優(yōu)先權日2006年5月11日
發(fā)明者郭烈錦, 顧漢洋, 張晨鳴 申請人:西安交通大學