專利名稱：電容式兩相流相濃度計(jì)及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種兩相流體檢測(cè)儀表及其測(cè)量方法。
兩相流相濃度測(cè)量是兩相流工業(yè)測(cè)量及實(shí)驗(yàn)室研究中所遇到的重要課題。采用電容法測(cè)量相濃度具有成本低，可靠性高，非接觸及可以測(cè)量整個(gè)載流管道截面等優(yōu)點(diǎn)，因此受到國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究人員的重視。然而采用電容法的最大問題在于，管道中兩相分布的狀態(tài)或流型影響電容傳感器的輸出，造成很大的測(cè)量誤差。為解決這一問題，有人提出了采用旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的方法，如M.Merilo等人在“Void fraotion measurement with a rotating eleotrio field conduotanoe gauge”(J.Heat Transfer P330 1977)一文中提出的利用旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)測(cè)量電導(dǎo)的方法，通過將三相交流電壓分別加在繞管道排列的三對(duì)電極上，造成測(cè)量電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，從而在很大程度上消除了相分布界面的方向性的影響，減少了流型的影響。上述方法的缺點(diǎn)在于所采用的電極結(jié)構(gòu)在管道截面上所產(chǎn)生的敏感場(chǎng)不是處處均勻的。在靠近電極的區(qū)域內(nèi)敏感度較高，而在管道中心區(qū)域的敏感度較低?？啃D(zhuǎn)電場(chǎng)的辦法不能克服這一缺點(diǎn)。由此產(chǎn)生的結(jié)果是流型的影響不能進(jìn)一步減小，尤其是對(duì)于環(huán)狀和柱狀這兩種軸對(duì)稱流型的測(cè)量結(jié)果彼此相差甚遠(yuǎn)。
另一種方法是C.C.Xie等人在“Design of oapacitanoe eleotrodes for conoentration measurement of two-phase flow”(Meas.Sci Technol.1(1990)65-78)一文中描述的均勻敏感場(chǎng)法，即在一段絕緣管道外圍安置兩個(gè)弧形電極構(gòu)成電容傳感器，可通過適當(dāng)選擇絕緣管壁厚度及電極對(duì)管心的張角等參數(shù)得到在管道截面上幾乎處處均勻的敏感度分布。這種方法在測(cè)量軸對(duì)稱分布式流型時(shí)效果較好，但對(duì)于非軸對(duì)稱式的分布，如各種分層流動(dòng)的相界面取向十分敏感，由此帶來的測(cè)量誤差很大?？梢姶朔óa(chǎn)生的敏感場(chǎng)雖均勻卻有固定的方向性。
因此，上述兩種方法都不能滿意地解決流型影響的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種不受相分布或流型影響而只對(duì)相濃度敏感的電容式相濃度計(jì)及測(cè)量方法。
根據(jù)本發(fā)明，電容式兩相流濃度計(jì)，由在絕緣的載流管道上安置的兩對(duì)或兩對(duì)以上的電極及信號(hào)處理與控制電路組成，其特征在于采取了以下措施(1)電極[1～10]的內(nèi)表面與載流管道[11]軸心的距離[R2]與載流管道內(nèi)半徑[R1]之間應(yīng)滿足公式3R1≥R2≥1.5R1(2)選擇上述一至數(shù)個(gè)電極組成被測(cè)電容的第一個(gè)極板，在載流管道的另一側(cè)關(guān)于管道軸心對(duì)稱的位置上選擇同樣數(shù)目的電極組成第二個(gè)極板，上述第一個(gè)及第二個(gè)極板對(duì)管道軸心所張的角度[θ]為70°～130°，將未被選入上述二極板的電極接地。
上述電極是指安置在載流管道外圍，成環(huán)狀等間距排列的弧狀電極。
上述極板，是采用電子開關(guān)[31～35]選擇電極組成的。
上述電容式兩相流相濃度計(jì)的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于在載流管道外圍安裝一絕緣圓管以供安置電極，使環(huán)狀陣列的電極與載流管道形成同心圓結(jié)構(gòu)，以滿足公式3R1≥R2≥1.5R1上述電容式兩相流相濃度計(jì)的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于加厚載流管道的管壁厚度，以滿足公式3R1≥R2≥1.5R1根據(jù)電容式兩相流相濃度計(jì)，我們同時(shí)提出一種電容式兩相流相濃度測(cè)量方法，其特征在于使用上述電容式兩相流相濃度計(jì)，通過切換激勵(lì)電源及測(cè)量電路與上述各電極的連接關(guān)系，使上述被測(cè)電容的第一個(gè)和第二個(gè)極板的位置繞管道軸心旋轉(zhuǎn)，經(jīng)信號(hào)處理電路將所有不同旋轉(zhuǎn)位置上取得的電容測(cè)量值的平均值求出，作為相濃度輸出信號(hào)。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于通過選擇優(yōu)化的電極結(jié)構(gòu)尺寸，在載流管道橫截面上造成一個(gè)處處均勻的測(cè)量敏感場(chǎng)，在此前提下再實(shí)現(xiàn)敏感場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)測(cè)量，將均勻場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法各自的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，克服了其各自的不足。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用本發(fā)明提供的方法在各種不同流型下測(cè)量相濃度時(shí)，所得誤差明顯小于現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量誤差，從而證明了本發(fā)明的成效。
下面是本發(fā)明的一個(gè)具體方案，借助于下列附圖加以說明

圖1是上述具體實(shí)施的系統(tǒng)原理框圖。
圖2是傳感器電極的安裝結(jié)構(gòu)。
圖3是測(cè)量系統(tǒng)電路原理圖。
圖4是圖3中開關(guān)與控制信號(hào)的連接表。
圖5是圖3中開關(guān)的控制狀態(tài)順序表。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施的原理如圖1所示，其傳感器部分由電極[1～10]、載流絕緣管段[11]、電極安裝絕緣管段[12]等組成。半導(dǎo)體開關(guān)陣列[13]控制兩個(gè)被測(cè)電容極板的選擇及其位置旋轉(zhuǎn)。兩極板間的電容量與相濃度有關(guān)。電容/電壓轉(zhuǎn)換器[14]將被選的兩電極間的電容值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器[15]將這一電壓轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量送入微處理器系統(tǒng)[16]。微處理器[16]控制開關(guān)陣列[13]及A/D轉(zhuǎn)換器[15]的周期性工作，并將每個(gè)周期內(nèi)所有旋轉(zhuǎn)位置上的電容測(cè)量值取平均，得到相濃度信號(hào)。
采用圖2a及圖2b所示的電極安裝結(jié)構(gòu)并通過適當(dāng)選擇半徑比R2/R1及圓心角θ，可以獲得載流管道[11]截面上處處均勻的敏感場(chǎng)。本實(shí)施例中選R2/R1≈2.2，θ≈108°。其中θ角值約為108°是由于在上述10電極系統(tǒng)中每次選擇3個(gè)電極接在一起構(gòu)成一個(gè)被測(cè)電容極板。為了防止環(huán)境電磁場(chǎng)的干擾，整個(gè)傳感器部分由金屬外罩[17]加以屏蔽。10個(gè)電極引線采用同軸屏蔽電纜[18～27]。裝有電極板的管道[12]，通過金屬支架[28][29]安裝在載流管道[11]上。
圖1所示測(cè)量系統(tǒng)的具體工作過程可由圖3，結(jié)合圖4及圖5來說明。
在一個(gè)測(cè)量周期開始時(shí)，微處理器系統(tǒng)[16]將十六進(jìn)制狀態(tài)字01送給并行寄存器[63]，使控制信號(hào)[64]為高電平，其余為零，被測(cè)電容處于旋轉(zhuǎn)位置1，此時(shí)開關(guān)[31][34][36][39][41][44][46][49][50][52]閉合，其余斷開，使電極[1][2][3]同時(shí)接交流電壓信號(hào)S，成為被測(cè)電容的極板，[6][7][8]接電容反饋式電流檢測(cè)器[69]的輸入端D，成為被測(cè)電容的另一個(gè)極板。電極[4][5][9][10]作為閑置電極接地。被測(cè)電容兩極板間的電容量由變壓器[54]、參考電容[55]、音頻交流電源[70]及電流檢測(cè)器[69]組成的變壓器交流電橋進(jìn)行測(cè)量。即將被測(cè)電容接于S與D端之間，作為一個(gè)橋臂，與另一個(gè)橋臂上的參考電容[55]進(jìn)行比較，用電流檢測(cè)器[69]將變壓器交流電橋輸出的不平衡電流轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)。這種測(cè)量方法只與兩個(gè)被測(cè)極板間的電容量有關(guān)，而對(duì)被測(cè)極板及其引線對(duì)地的分布電容不敏感。參考電容[55]用來平衡橋路，使載流管道中的離散相濃度為零時(shí)，電容/電壓轉(zhuǎn)換器[14]的輸出亦近似為零。電流檢測(cè)器[69]由寬頻帶運(yùn)算放大器[56]、反饋電容[57]、電阻[58]組成，其中反饋電容[57]決定檢測(cè)器的交流增益，電阻[58]通常為100MΩ，用來提供直流反饋防止運(yùn)算放大器[56]的直流飽和。由電流檢測(cè)器[69]輸出的交流電壓信號(hào)，經(jīng)帶通濾波器[59]，交流放大器[60]，相敏解調(diào)器[61]及低通濾波器[62]等環(huán)節(jié)后轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器[15]轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存入微處理器系統(tǒng)[16]。
上述過程完成后，微處理器[16]將控制信號(hào)[65]置為高電平，其余控制信號(hào)為零電平。被測(cè)電容處于旋轉(zhuǎn)位置2。根據(jù)圖3中開關(guān)布置及圖4中表格可知，電極[2][3][4]與S端接通，[7][8][9]與D端接通，分別形成兩個(gè)被測(cè)極板，而電極[5][6][10][1]作為閑置電極接地。等系統(tǒng)完成電容/電壓轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換及信號(hào)存貯后，再開始旋轉(zhuǎn)到第三個(gè)位置上。依此類推，在第五個(gè)旋轉(zhuǎn)位置上，寄存器中的狀態(tài)控制字為10，控制信號(hào)端中[68]為高電平，其余為低。根據(jù)圖4中的表格可知，電極[5][6][7]接S端，[10][1][2]接D端，形成被測(cè)電容的兩個(gè)極板，而[3][4][8][9]接地。在第5次測(cè)量及數(shù)據(jù)存貯完成后，微處理器[16]將5次測(cè)量值取平均值，作為相濃度值輸出。至此完成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)測(cè)量周期。在下一個(gè)周期開始時(shí)，微處理器[16]再將控制字01送寄存器，重復(fù)上述過程。
根據(jù)在如圖3所示系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上所做的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本發(fā)明所提供的方法在減小流型變化影響方面，效果十分明顯。與國(guó)外采用的均勻場(chǎng)方法相比，本法在測(cè)量各種具有不同分布方向的層狀流時(shí)，所觀察到的最大誤差為5%，而用均勻場(chǎng)法在同樣條件下最大測(cè)量誤差約為25%。因此證明了本法的優(yōu)越性。由于在上述實(shí)驗(yàn)中并未采用最佳電極參數(shù)，因此若進(jìn)一步優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，誤差還可以減小。
權(quán)利要求
1.電容式兩相流相濃度計(jì)，由在絕緣的載流管道上安置的兩對(duì)或兩對(duì)以上的電極及信號(hào)處理與控制電路組成，其特征在于采取了以下措施(1)電極[1～10]的內(nèi)表面至載流管道[11]軸心的距離[R2]與載流管道內(nèi)半徑[R1]之間應(yīng)滿足公式3R1≥R2≥1.5R1(2)選擇上述一至數(shù)個(gè)電極組成被測(cè)電容的第一個(gè)極板，在載流管道的另一側(cè)關(guān)于管道軸心對(duì)稱的位置上選擇同樣數(shù)目的電極組成第二個(gè)極板，上述第一個(gè)及第二個(gè)極板對(duì)管道軸心所張的角度[θ]為70°～130°，將未被選入上述二極板的電極接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，是指安置在載流管道外圍，成環(huán)狀等間距排列的弧狀電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極板，是采用電子開關(guān)[31～53]選擇電極組成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2所述的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于載流管道外圍安裝一絕緣圓管以供安置電極，使環(huán)狀陣列的電極與載流管道形成同心圓結(jié)構(gòu)，以滿足公式3R1≥2R2≥1.5R1
5.根據(jù)權(quán)利要求1，2所述的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于加厚載流管道的管壁厚度，以滿足公式3R1≥R2≥1.5R1
6.一種電容式兩相流相濃度測(cè)量方法，其特征在于使用權(quán)利要求1所述的電容式兩相流相濃度計(jì)，通過切換激勵(lì)電源及測(cè)量電路與權(quán)利要求1中所述各電極的連接關(guān)系，使權(quán)利要求1中所述的被測(cè)電容的第一和第二個(gè)極板的位置繞管道軸心旋轉(zhuǎn)，經(jīng)信號(hào)處理電路將在所有不同旋轉(zhuǎn)位置上取得的電容測(cè)量值的平均值求出，作為相濃度的輸出信號(hào)。
全文摘要
一種電容式兩相流相濃度計(jì)及其測(cè)量方法，屬于一種工業(yè)檢測(cè)儀表及測(cè)量方法。相濃度測(cè)量是兩相流工業(yè)檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)室研究中所遇到的重要課題?，F(xiàn)有儀表及方法因受流型影響測(cè)量誤差較大。本發(fā)明推出了一種對(duì)流型變化不敏感的相濃度計(jì)及測(cè)量方法，其特征在于采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多電極電容傳感器，通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)尺寸，在載流管道橫截面上造成處處均勻的測(cè)量靈敏度分布，在此前提下再實(shí)現(xiàn)繞管道軸心的旋轉(zhuǎn)測(cè)量，將不同旋轉(zhuǎn)角度上的測(cè)量值取平均作為相濃度信號(hào)。本發(fā)明將均勻場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)場(chǎng)法結(jié)合起來，大大減小了流型的影響。
文檔編號(hào)G01N27/22GK1063361SQ9110007
公開日1992年8月5日 申請(qǐng)日期1991年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月11日
發(fā)明者黃松明 申請(qǐng)人:清華大學(xué)