一种可用于长期监测流体流速的电磁测量装置及测量方法 |
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| 申请号 | CN201510744388.0 | 申请日 | 2015-11-05 | 公开(公告)号 | CN105510626A | 公开(公告)日 | 2016-04-20 |
| 申请人 | 天津津航计算技术研究所; | 发明人 | 陈广; 王乐鸿; 所玉君; 崔建飞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种可用于长期监测 流体 流速的电磁测量装置及测量方法，利用电磁法测量 气液两相流 流速，原理就是两相流中的气体分相经过 传感器 时会使得互感 信号 的 相位 发生变化，在距离一定的两个测量截面上进行同步 数据采集 ，提取两组数据中相同的特征点可以得到气泡经过两个截面所使用的时间，从而计算出该段时间的平均流速，当两个测量截面的间距足够小时，就可以得到流体的近似瞬时流速。本发明可以实现对被测流体流速的快速、准确测量，满足工业过程中对气液两相流流速进行长期监测的需求；整个测量过程方便灵活、准确可靠，与传统的测量方法相比有明显的效果和优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可用于长期监测流体流速的电磁测量装置，其特征在于，包括：包括PC主机，连接PC主机的FPGA主板，以及连接FPGA主板的传感器，FPGA主板包括通过USB接口连接PC主机的微处理器，以及连接微处理器的直接数字频率合成器、模/数转换模块、数/模转换模块和累加器，直接数字频率合成器连接模/数转换模块，数/模转换模块连接累加器；传感器包括共轴的激励线圈和接收线圈，以及前端电路，前端电路包括连接模/数转换模块的功率放大模块、连接数/模转换模块的信号预处理模块，以及连接激励线圈、接收线圈、功率放大模块和信号预处理模块的模拟开关，所述微处理器还与模拟开关连接，向模拟开关传送逻辑控制信号，以控制模拟开关的通断。 |
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| 说明书全文 | 一种可用于长期监测流体流速的电磁测量装置及测量方法技术领域[0001] 本发明属于针对低电导率流体的流速测量领域，涉及一种可用于长期监测流体流速的电磁测量装置及测量方法。 背景技术[0002] 气液两相流在自然界和化工、制药、石油等工业过程中普遍存在，其离散相速度的监测是一个非常重要的研究课题。现有的流体流速测量方法主要有电学测量法，光学测量法及高速摄影法，其中电学测量方案中检测部件多与被测流体直接接触，易造成电化学腐蚀等问题，不适用于在工业应用中进行长期监测，同时在测量环境较差的应用场合也常常出现电机粘污，这些都会严重影响测量结果的准确性和现场实用性；而光学法和高速摄影法往往对应用环境的要求比较高，同时还存在成本较高的问题，难以在实际工业环境中得到大规模应用。 发明内容[0003] (一)发明目的 [0004] 本发明的目的是提供一种可用于长期监测流体流速的电磁测量装置及测量方法，实现利用共轴线圈间的电磁互感信息快速、准确的测量流体流速。 [0005] (二)技术方案 [0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种可用于长期监测流体流速的电磁测量装置，其包括：包括PC主机，连接PC主机的FPGA主板，以及连接FPGA主板的传感器，FPGA主板包括通过USB接口连接PC主机的微处理器，以及连接微处理器的直接数字频率合成器、模/数转换模块、数/模转换模块和累加器，直接数字频率合成器连接模/数转换模块，数/模转换模块连接累加器；传感器包括共轴的激励线圈和接收线圈，以及前端电路，前端电路包括连接模/数转换模块的功率放大模块、连接数/模转换模块的信号预处理模块，以及连接激励线圈、接收线圈、功率放大模块和信号预处理模块的模拟开关，所述微处理器还与模拟开关连接，向模拟开关传送逻辑控制信号，以控制模拟开关的通断。 [0007] 其中，所述测量装置用于流体流速测量时，激励线圈和接收线圈安装在被测流体管道外表面且分别对应一个测量截面，两个测量截面之间的距离固定为一个预设值，传感器四周包裹屏蔽材料。 [0008] 本发明还提供了一种可用于长期监测流体流速的电磁测量方法，测量流体流速时，激励线圈上注入预设频率和幅值的激励信号，根据电磁感应原理，对应的接收线圈上产生与激励信号频率相同的感应电压；感应信号通过前端电路传输到FPGA主板后，经过AD采样转化成数字信号，FPGA主板将数据进行采集存储，采用解调算法得到感应信号的相位信息，在预设距离的两个测量截面上进行同步数据采集，提取两组数据中相同的特征点以得到气泡经过两个截面所使用的时间，计算出该段时间的平均流速，当两个测量截面的间距无穷小时，得到流体的瞬时流速。 [0009] 其中，所述激励信号的预设频率为固定的频率点值或频率段，当激励信号的预设频率为固定的频率点值时，利用两个测量截面之间的距离除以气泡经过两个截面所使用的时间得到流体在该段时间内的平均流速；当激励信号的预设频率为频率段时，采用扫频测量的方法，激励频率及扫频点预先由操作人员通过PC主机进行设定，测量时依次使用该频率段的激励信号，得到每个频率点对应的流苏测量结果后取平均值即可。 [0010] 其中，所述解调算法采用正交解调法。 [0011] (三)有益效果 [0012] 上述技术方案所提供的可用于长期监测流体流速的电磁测量装置及测量方法，可以实现对被测流体流速的快速、准确测量，传感器设计既满足了测量要求，又可以避免接触式传感器易受腐蚀等问题，更加适合满足工业过程中对气液两相流流速进行长期监测的需求；通过采取扫频测量、噪声屏蔽等方法，使得整个测量过程方便灵活、准确可靠，与传统的测量方法相比有明显的效果和优点。附图说明 [0013] 图1是本发明实施例传感器示意图； [0014] 图2是本发明实施例测量装置功能框图； [0015] 图3是本发明实施例流型图； [0016] 图4是本发明实施例数据采集曲线； 具体实施方式[0018] 为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。 [0019] 针对现有技术中存在的问题，本实施例尝试将电磁测量法引入到两相流流速的测量应用中来，这种方法最大的优点的是非接触式测量，测量设备无需直接接触被测对象，克服了传统接触式测量的一些主要的缺点，受环境影响小，使用寿命长，依托高频电磁数据采集系统，测量速度快，测量精度高等等，同时结构简单、成本较低。电磁检测技术以涡流检测为基础，它的基本原理可以表述为：当载有交变电流的实验线圈靠近被测物体时，由于线圈产生的交变磁场的作用会在物体中感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到目标大小、形状及其电学特性的影响，而涡流的反作用又使线圈之间的互感发生变化。被测物体的电学特性决定了电学测量方法的敏感量，利用电磁法测量高导电率物体时(如金属导体)，由于产生的涡流较强，被测物体就像一面镜子，将一部分的电磁信号反射回去，造成接收传感器感应信号的减小，具体表现为幅值的减小；而当被测物体电导率较低(如盐水)，其中产生的涡流很弱，大部分的电磁信号穿过被测物体，因此接收传感器上的感应信号在幅值上变化并不大，其变化主要表现在相位上。利用电磁法测量气液两相流流速，原理就是两相流中的气体分相经过传感器时会使得互感信号的相位发生变化，在距离一定的两个测量截面上进行同步数据采集，提取两组数据中相同的特征点可以得到气泡经过两个截面所使用的时间，从而计算出该段时间的平均流速，当两个测量截面的间距足够小时，就可以得到流体的近似瞬时流速。 [0020] 如图1所示，本实施例的重要组成部分传感器由两对共轴线圈和前端电路组成，每对线圈对应一个测量截面，两个测量截面之间的距离固定为d。传感器四周包裹屏蔽材料，测量过程中线圈安装在流体管道外表面，既可以满足测量需求，又可以避免测量传感器和被测电解质之间的直接接触，防止长时间接触造成的传感器腐蚀问题，延长使用寿命，保证测量精度。 [0021] 如图2所示，本实施例测量装置包括PC主机，连接PC主机的FPGA主板，以及连接FPGA主板的传感器，FPGA主板包括通过USB接口连接PC主机的微处理器，以及连接微处理器的直接数字频率合成器、模/数转换模块、数/模转换模块和累加器，直接数字频率合成器连接模/数转换模块，数/模转换模块连接累加器；传感器包括共轴的激励线圈和接收线圈，以及前端电路，前端电路包括连接模/数转换模块的功率放大模块、连接数/模转换模块的信号预处理模块，以及连接激励线圈、接收线圈、功率放大模块和信号预处理模块的模拟开关，所述微处理器还与模拟开关连接，向模拟开关传送逻辑控制信号，以控制模拟开关的通断。 [0022] 测量时，激励线圈上注入频率和幅值一定的正弦交流信号，根据电磁感应原理，对应的接收线圈上会产生与激励信号频率相同的感应电压。感应信号传输到电磁检测装置后，经过AD采样转化成数字信号，FPGA将数据进行采集存储，通过一定的解调算法得到感应信号的相位信息，在距离一定的两个测量截面上进行同步数据采集，提取两组数据中相同的特征点可以得到气泡经过两个截面所使用的时间，从而计算出该段时间的平均流速，当两个测量截面的间距足够小时，就可以得到流体的近似瞬时流速。 [0023] 目前比较常用的解调算法是正交解调法，该算法可以看作是FFT解调在数学上的简化，它克服了模拟电路固有的误差和系统的不稳定性，满足信号分析所要求的高性能和快速测量等。激励频率设计为可调频率，频率范围为1KHz-20MHz，另外，为了确保测量精度，系统还可以进行扫频测量，即测量时依次使用一定频率段的激励信号，得到每个频率点的测量结果后取平均值，其中激励频率及扫频点均可由操作人员通过上位机软件进行设置。 [0024] 气液两相流在工业中的存在环境一般分为水平管和垂直管，各自包含的流型结构如图3所示。本实施例根据实际条件，选择垂直管中的弹状流(段塞流)作为测量对象。传感器纵向距离设置为200mm，每隔1ms保存一组相位解调数据。通过对比测量数据特征点即能得到气泡在两个截面之间经历的时间，进而计算出流速。为增加结果的对比性，在测量过程中气液两相流被设置为三种流速，数据保存时间为5秒(即保存5000组数据)，测量结果如图4所示，为便于观察，我们对数据进行了纵向平移处理。可以看出，无论从气泡通过单个截面传感器所经历的时间tpass，还是从气泡在两个截面间经历的时间，都可以明确分别出三种流速。对测量数据进行分析处理，流速计算结果见表一，其中极大值点(上)和极大值点(小)分别代表上下两层截面传感器感应信号相角信息分段极大值所在的采样点数。 [0025] 表一 试验测量结果 [0026] 快速 中速 慢速 极大值点(上) 4613 3074 2662 [0027]极大值点(下) 4300 2588 2144 间隔点 313 486 518 间隔时间 313ms 486ms 518ms 流速 0.639m/s 0.412m/s 0.386m/s [0028] 图5为上位机软件界面示意图。该软件通过USB和设备进行数据交互，操作人员还可以通过UI界面设置相关参数，如选择单激励模式还是扫频模式，两个截面的相位曲线和测量结果均能直接显示。 [0029] 综上所述，本发明可以实现对被测流体流速的快速、准确测量，传感器设计既满足了测量要求，又可以避免接触式传感器易受腐蚀等问题，更加适合满足工业过程中对气液两相流流速进行长期监测的需求；通过采取扫频测量、噪声屏蔽等方法，使得整个测量过程方便灵活、准确可靠，与传统的测量方法相比有明显的效果和优点。 [0030] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。 |
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