專利名稱：電容式兩相流相濃度計及其測量方法
技術領域：
本發明屬于一種兩相流體檢測儀表及其測量方法。
兩相流相濃度測量是兩相流工業測量及實驗室研究中所遇到的重要課題。采用電容法測量相濃度具有成本低，可靠性高，非接觸及可以測量整個載流管道截面等優點，因此受到國內外有關研究人員的重視。然而采用電容法的最大問題在于，管道中兩相分布的狀態或流型影響電容傳感器的輸出，造成很大的測量誤差。為解決這一問題，有人提出了采用旋轉電場進行測量的方法，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電場測量電導的方法，通過將三相交流電壓分別加在繞管道排列的三對電極上，造成測量電場的旋轉，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。上述方法的缺點在于所采用的電極結構在管道截面上所產生的敏感場不是處處均勻的。在靠近電極的區域內敏感度較高，而在管道中心區域的敏感度較低。靠旋轉電場的辦法不能克服這一缺點。由此產生的結果是流型的影響不能進一步減小，尤其是對于環狀和柱狀這兩種軸對稱流型的測量結果彼此相差甚遠。
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法，即在一段絕緣管道外圍安置兩個弧形電極構成電容傳感器，可通過適當選擇絕緣管壁厚度及電極對管心的張角等參數得到在管道截面上幾乎處處均勻的敏感度分布。這種方法在測量軸對稱分布式流型時效果較好，但對于非軸對稱式的分布，如各種分層流動的相界面取向十分敏感，由此帶來的測量誤差很大。可見此法產生的敏感場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。
本發明的目的在于提供一種不受相分布或流型影響而只對相濃度敏感的電容式相濃度計及測量方法。
根據本發明，電容式兩相流濃度計，由在絕緣的載流管道上安置的兩對或兩對以上的電極及信號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]的內表面與載流管道[11]軸心的距離[R2]與載流管道內半徑[R1]之間應滿足公式3R1≥R2≥1.5R1(2)選擇上述一至數個電極組成被測電容的第一個極板，在載流管道的另一側關于管道軸心對稱的位置上選擇同樣數目的電極組成第二個極板，上述第一個及第二個極板對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，成環狀等間距排列的弧狀電極。
上述極板，是采用電子開關[31～35]選擇電極組成的。
上述電容式兩相流相濃度計的電極結構，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，使環狀陣列的電極與載流管道形成同心圓結構，以滿足公式3R1≥R2≥1.5R1上述電容式兩相流相濃度計的電極結構，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根據電容式兩相流相濃度計，我們同時提出一種電容式兩相流相濃度測量方法，其特征在于使用上述電容式兩相流相濃度計，通過切換激勵電源及測量電路與上述各電極的連接關系，使上述被測電容的第一個和第二個極板的位置繞管道軸心旋轉，經信號處理電路將所有不同旋轉位置上取得的電容測量值的平均值求出，作為相濃度輸出信號。
本發明的特點在于通過選擇優化的電極結構尺寸，在載流管道橫截面上造成一個處處均勻的測量敏感場，在此前提下再實現敏感場的旋轉測量，將均勻場與旋轉場測量方法各自的優點結合起來，克服了其各自的不足。初步實驗結果表明，用本發明提供的方法在各種不同流型下測量相濃度時，所得誤差明顯小于現有技術的測量誤差，從而證明了本發明的成效。
下面是本發明的一個具體方案，借助于下列附圖加以說明
圖1是上述具體實施的系統原理框圖。
圖2是傳感器電極的安裝結構。
圖3是測量系統電路原理圖。
圖4是圖3中開關與控制信號的連接表。
圖5是圖3中開關的控制狀態順序表。
本發明的一個具體實施的原理如圖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。半導體開關陣列[13]控制兩個被測電容極板的選擇及其位置旋轉。兩極板間的電容量與相濃度有關。電容/電壓轉換器[14]將被選的兩電極間的電容值轉換為電壓信號。用一個A/D轉換器[15]將這一電壓轉換成二進制數字量送入微處理器系統[16]。微處理器[16]控制開關陣列[13]及A/D轉換器[15]的周期性工作，并將每個周期內所有旋轉位置上的電容測量值取平均，得到相濃度信號。
采用圖2a及圖2b所示的電極安裝結構并通過適當選擇半徑比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。本實施例中選R2/R1≈2.2，θ≈108°。其中θ角值約為108°是由于在上述10電極系統中每次選擇3個電極接在一起構成一個被測電容極板。為了防止環境電磁場的干擾，整個傳感器部分由金屬外罩[17]加以屏蔽。10個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所示測量系統的具體工作過程可由圖3，結合圖4及圖5來說明。
在一個測量周期開始時，微處理器系統[16]將十六進制狀態字01送給并行寄存器[63]，使控制信號[64]為高電平，其余為零，被測電容處于旋轉位置1，此時開關[31][34][36][39][41][44][46][49][50][52]閉合，其余斷開，使電極[1][2][3]同時接交流電壓信號S，成為被測電容的極板，[6][7][8]接電容反饋式電流檢測器[69]的輸入端D，成為被測電容的另一個極板。電極[4][5][9][10]作為閑置電極接地。被測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]及電流檢測器[69]組成的變壓器交流電橋進行測量。即將被測電容接于S與D端之間，作為一個橋臂，與另一個橋臂上的參考電容[55]進行比較，用電流檢測器[69]將變壓器交流電橋輸出的不平衡電流轉換成交流電壓信號。這種測量方法只與兩個被測極板間的電容量有關，而對被測極板及其引線對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，電容/電壓轉換器[14]的輸出亦近似為零。電流檢測器[69]由寬頻帶運算放大器[56]、反饋電容[57]、電阻[58]組成，其中反饋電容[57]決定檢測器的交流增益，電阻[58]通常為100MΩ，用來提供直流反饋防止運算放大器[56]的直流飽和。由電流檢測器[69]輸出的交流電壓信號，經帶通濾波器[59]，交流放大器[60]，相敏解調器[61]及低通濾波器[62]等環節后轉換為直流電壓信號，再經A/D轉換器[15]轉換為數字信號存入微處理器系統[16]。
上述過程完成后，微處理器[16]將控制信號[65]置為高電平，其余控制信號為零電平。被測電容處于旋轉位置2。根據圖3中開關布置及圖4中表格可知，電極[2][3][4]與S端接通，[7][8][9]與D端接通，分別形成兩個被測極板，而電極[5][6][10][1]作為閑置電極接地。等系統完成電容/電壓轉換、A/D轉換及信號存貯后，再開始旋轉到第三個位置上。依此類推，在第五個旋轉位置上，寄存器中的狀態控制字為10，控制信號端中[68]為高電平，其余為低。根據圖4中的表格可知，電極[5][6][7]接S端，[10][1][2]接D端，形成被測電容的兩個極板，而[3][4][8][9]接地。在第5次測量及數據存貯完成后，微處理器[16]將5次測量值取平均值，作為相濃度值輸出。至此完成了一個旋轉測量周期。在下一個周期開始時，微處理器[16]再將控制字01送寄存器，重復上述過程。
根據在如圖3所示系統的實驗樣機上所做的靜態實驗結果，本發明所提供的方法在減小流型變化影響方面，效果十分明顯。與國外采用的均勻場方法相比，本法在測量各種具有不同分布方向的層狀流時，所觀察到的最大誤差為5%，而用均勻場法在同樣條件下最大測量誤差約為25%。因此證明了本法的優越性。由于在上述實驗中并未采用最佳電極參數，因此若進一步優化電極結構，誤差還可以減小。
權利要求
1.電容式兩相流相濃度計，由在絕緣的載流管道上安置的兩對或兩對以上的電極及信號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]的內表面至載流管道[11]軸心的距離[R2]與載流管道內半徑[R1]之間應滿足公式3R1≥R2≥1.5R1(2)選擇上述一至數個電極組成被測電容的第一個極板，在載流管道的另一側關于管道軸心對稱的位置上選擇同樣數目的電極組成第二個極板，上述第一個及第二個極板對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.根據權利要求1所述的電極，是指安置在載流管道外圍，成環狀等間距排列的弧狀電極。
3.根據權利要求1所述的極板，是采用電子開關[31～53]選擇電極組成的。
4.根據權利要求1，2所述的電極結構，其特征在于載流管道外圍安裝一絕緣圓管以供安置電極，使環狀陣列的電極與載流管道形成同心圓結構，以滿足公式3R1≥2R2≥1.5R1
5.根據權利要求1，2所述的電極結構，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量方法，其特征在于使用權利要求1所述的電容式兩相流相濃度計，通過切換激勵電源及測量電路與權利要求1中所述各電極的連接關系，使權利要求1中所述的被測電容的第一和第二個極板的位置繞管道軸心旋轉，經信號處理電路將在所有不同旋轉位置上取得的電容測量值的平均值求出，作為相濃度的輸出信號。
全文摘要
一種電容式兩相流相濃度計及其測量方法，屬于一種工業檢測儀表及測量方法。相濃度測量是兩相流工業檢測及實驗室研究中所遇到的重要課題。現有儀表及方法因受流型影響測量誤差較大。本發明推出了一種對流型變化不敏感的相濃度計及測量方法，其特征在于采用環狀結構的多電極電容傳感器，通過優化電極結構尺寸，在載流管道橫截面上造成處處均勻的測量靈敏度分布，在此前提下再實現繞管道軸心的旋轉測量，將不同旋轉角度上的測量值取平均作為相濃度信號。本發明將均勻場與旋轉場法結合起來，大大減小了流型的影響。
文檔編號G01N27/22GK1063361SQ9110007
公開日1992年8月5日 申請日期1991年1月11日 優先權日1991年1月11日
發明者黃松明 申請人:清華大學