施艷艷，董 峰

（天津大學電氣與自動化工程學院天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072）

0 引言

管道中氣/水兩相流流動工況廣泛存在于能源動力、石油化工以及冶金等工業(yè)過程中。由于兩相流的各分相間存在界面效應和相對速度，而且，相界面在時間和空間上隨機可變，因此，兩相流具有復雜的流動特性和隨機性，其流動參數(shù)的檢測難度相比單相流大［1］。相含率作為兩相流工業(yè)應用中重要的流動參數(shù)，對生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化、流量測量以及控制具有重要的實際意義。電導法是基于電學特性的用于測量兩相流相含率的一種方法，測量對象是導電介質(zhì)為連續(xù)相的兩相混合流體。氣水兩相流參數(shù)測量方法主要有平板電極法［2］、探針法［3］、電阻層析成像法［4］、環(huán)形電極法［5］以及弧狀電極法［6］。

弧狀電極電導傳感器的物理基礎是不同介質(zhì)有不同的電導率，當對被測物場進行電流或者電壓激勵時管道內(nèi)部建立敏感場，場域中介質(zhì)的變化將導致測量電壓的變化，可用于測量兩相流中的液相為連續(xù)相的生產(chǎn)過程。為獲得管道中氣/水兩相流的相含率等參數(shù)，設計了弧狀電極電導傳感器測量系統(tǒng)，并對模擬水平管氣/水兩相流的測量電壓與相含率的關系進行研究。

1 弧狀電極傳感器測量原理

氣/水兩相流參數(shù)測量中，弧狀電極電導式傳感器結構與流體等效電路如圖1所示，電極內(nèi)嵌于管道內(nèi)壁并與流體接觸，此時管道中的流體相當于電阻Rm與電容Cm的并聯(lián)，這2個參數(shù)受流體性質(zhì)與流體分布的影響。

圖1 傳感器結構與流體等效電路Fig 1 Composition of the sensor and liquid equivalent circuit

在電激勵模式中，激勵電流通過弧狀電極對施加到被測區(qū)域以建立敏感場，管道內(nèi)流體組分發(fā)生變化時電極之間的電阻抗改變，從而電極間測量電壓發(fā)生變化。電學測量模式滿足似穩(wěn)場假設，由Maxwell方程可知，敏感場內(nèi)任意一點滿足

在均勻、線性和各向同性的導電媒質(zhì)中，式（1）可簡化為Laplace方程

2 系統(tǒng)設計

基于弧狀電極電導式傳感器的氣/水兩相流參數(shù)測量系統(tǒng)主要包括PXI模塊、電流激勵源模塊以及信號調(diào)理電路模塊，其系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構圖Fig 2 Structure diagram of the system

2.1 PXI模塊

PXI是一種基于PC的測量和自動化平臺，結合PCI的電氣總線特性、CompactPCI的堅固性、模塊化以及Eurocard機械封裝的特性，并增加了專門的同步總線和主要軟件特性，使它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本平臺，被廣泛應用于制造、測試、軍事、航空以及工業(yè)測試領域［7］。PXI系統(tǒng)一般包括機箱、系統(tǒng)控制器以及外設模塊等部分。系統(tǒng)設計中采用NI公司的PXI—1042Q作為主控機箱，PXI—8106雙核嵌入式控制器作為系統(tǒng)的控制器，選用的外設模塊為多功能數(shù)據(jù)采集卡PXI—6251。

NI PXI—6251具有16路16位的模擬采集通道，單通道采集頻率為1.25MS/s，多通道為1 MS/s;2路16位模擬輸出通道，頻率范圍為2.8 MS/s;24路數(shù)字TTL I/O控制;最大模擬輸入與輸出電壓范圍均為－10～+10 V。采用PXI—6251可以提高測量精度、分辨率以及敏感度控制。程序采用數(shù)據(jù)流編程語言LabVIEW編寫。系統(tǒng)設計中壓控電流激勵源的電壓波形、信號調(diào)理電路的數(shù)字I/O控制信號以及數(shù)據(jù)采集均由外設模塊PXI—6251完成。通過對模擬信號輸出通道的設置可以輸出一定幅值的電壓波形;對數(shù)字輸出端口設置可以在相應的I/O口輸出高低電平進而控制信號放大倍數(shù);通過通道選擇，設置輸入信號的范圍、采集速度以及采樣時間完成數(shù)據(jù)采集，并能在波形顯示窗口觀察到采集到的波形，數(shù)據(jù)可以根據(jù)要求保存為文本文檔或者電子表格文檔。

2.2 電流激勵源模塊

氣液兩相流參數(shù)測量中，弧狀電極與被測媒質(zhì)接觸時存在連接阻抗，該阻抗對于輸出電阻很小的電壓源的影響是嚴重的，而電流源具有非常高的輸出阻抗，輸出的激勵電流幅值很少受到負載阻抗的影響，也就不會受到連接阻抗的影響，因而，設計中激勵源采用電流源。同時為避免直流信號在電極上產(chǎn)生極化，并考慮到測量對象變化的要求，激勵信號一般采用正弦波電流激勵，然而此時信號測量時需經(jīng)過解調(diào)和低通濾波才得到交流信號的有效值，影響了系統(tǒng)的實時性。

為了改善系統(tǒng)的性能，設計中采用方波電流激勵信號，頻率為20 kHz，在整體上方波信號是交流信號，而在每個半周期內(nèi)方波信號又是直流信號，可以用直流信號的特性來處理所得的信號。圖3所示為采用INA111和AD711組成的壓控電流源電路。其中，INA111是具有優(yōu)越性能的高速FET輸入儀表放大器，具有極寬的帶寬（20 MHz）和較高的壓擺率（17 V/μS），而AD711是一種高速，高精度單片運算放大器，其單位增益帶寬和壓擺率分別為3 MHz和16 V/μS，滿足恒流電流激勵源設計要求。氣/水兩相流測量中電極之間的阻值通常小于1 kΩ，因而，在恒流測試時選用的負載電阻阻值在1 kΩ以下，測量結果如表1所示。

圖3 壓控電流源電路Fig 3 Circuit of voltage controlled current source（VCCS）

表1 恒流特性測試Tab 1 Test of VCCS

恒流源的穩(wěn)定度與精度直接影響到測量的穩(wěn)定性和精度，由表1可求得恒流源幅值波動為

2.3 信號處理模塊

傳感器輸出的電信號十分微弱，一般為mV級，一般需經(jīng)過調(diào)整、放大和濾波等處理才能達到數(shù)據(jù)采集電路對輸入信號的要求。由于設計中采用方波激勵信號，其優(yōu)點是在每半個周期內(nèi)可以當做直流信號處理，因而不需要對信號進行解調(diào)和濾波處理，可以直接將檢測電極信號經(jīng)過放大等簡單處理后直接送入數(shù)據(jù)采集電路進行采樣和處理。放大電路采用可編程儀表放大器PGA202和PGA203級聯(lián)的方式，通過控制A0，A1引腳可以實現(xiàn)1～8000放大倍數(shù)的16級調(diào)節(jié)，TTL控制電平由PXI—6251給出，如圖4所示。

圖4 信號處理電路Fig 4 Signal processing circuit

2.4 電源模塊

系統(tǒng)設計中的供電電源采用BOSHIDA AC/DC電源模塊BSCV10—220D15，可以實現(xiàn) +15 V和 －15 V電壓輸出，330 mA的電流輸出，如圖5所示，該模塊具有高隔離電壓、性價比高以及體積小的特點。

圖5 電源模塊Fig 5 Power module

3 實驗結果與分析

電學激勵模式下，當激勵源信號頻率在10～100 kHz之間時，流體主要呈現(xiàn)電阻特性，因而，弧狀電極電導式傳感器的測量電壓只與流體等效電阻有關（不受流體間等效電容影響），且呈正比關系。而流體等效電阻又與流體電導率呈反比，即測量電壓受流體電導率影響，當流體電導率未知時可以通過無量綱電壓值研究液相含率，定義無量綱電壓［8］表示為

其中，Vfull為管道充滿水時電極的測量電壓，V為水未充滿管道時測量電壓。

水平管氣/水兩相流中常見流型有分層流，環(huán)狀流，泡狀流等，因而，電導式傳感器的靜態(tài)標定主要針對這3種典型流型進行物理模擬實驗。實驗中為測試傳感器對液相體積含率變化的敏感程度，每設定一次液相水含率后測量一次電極之間的電壓。

向水平放置的有機玻璃管道注入固定體積的水量模擬層狀流。實驗結果如圖6所示:管道含水率Hl與弧狀電極無量綱測量電壓V*之間的關系近似為線性，模擬層狀流的含水率可通過圖中公式得到。環(huán)狀流通過將直徑不同的尼龍棒插入有水管道在圓棒與管壁間形成液膜來模擬，標定結果如圖7所示，管道含水率Hl與弧狀電極無量綱測量電壓V*之間線性度很好。

泡狀流模擬通過將體積不同的尼龍小球放入有水管道實現(xiàn)，不同的組合方式可以得到多組液相含率，標定結果如圖8所示:標定結果與Maxwell公式［1］預測值存在較好的吻合度。

靜態(tài)實驗結果表明:弧狀電極電導傳感器靜態(tài)下的液相含率Hl與測量的無量綱電壓V*之間存在線性關系。層狀流和環(huán)狀流的Hl可以用V*預測;泡狀流則可用Maxwell公式預測;間歇流（彈狀、塞狀）可以看作是分層流和液彈交替出現(xiàn)的流型，采用層狀流處理。

圖6 層狀流實驗標定Fig 6 Experimental calibration for stratified flow

圖7 環(huán)狀流實驗標定Fig 7 Experimental calibration for annular flow

圖8 泡狀流實驗標定Fig 8 Experimental calibration for bubble flow

4 結論

為研究水平氣/水兩相流中的相含率參數(shù)，同時考慮測量過程中對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高精度和實時性的需求，設計了基于PXI的弧狀電極電導傳感器測量系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括方波激勵恒流源、信號處理電路以及數(shù)據(jù)采集模塊，并采用圖形化編程語言LabVIEW 8.5進行波形輸出、采集以及信號處理電路的控制等程序的編寫。對氣/水兩相流層狀流、環(huán)狀流和泡狀流3種典型流型進行靜態(tài)模擬，標定結果表明:層狀流和環(huán)狀流的液相含率可以用測量電極所得的無量綱電壓表征，而泡狀流的液相含率與無量綱電壓的關系則通過Maxwell方程描述，具有較高的線性度。通過對測量的兩相流相含率信號進行分析處理并結合兩相流流速估計、流型識別和測量模型的建立，可以為兩相流各分相流量和混合流量的最終測量奠定基礎。該測量系統(tǒng)具有測量精度高、實時性強及運行穩(wěn)定等優(yōu)點，能夠滿足兩相流測量中對采集系統(tǒng)的需求。

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