施艷艷，董 峰

（天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院天津市過(guò)程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引言

管道中氣/水兩相流流動(dòng)工況廣泛存在于能源動(dòng)力、石油化工以及冶金等工業(yè)過(guò)程中。由于兩相流的各分相間存在界面效應(yīng)和相對(duì)速度，而且，相界面在時(shí)間和空間上隨機(jī)可變，因此，兩相流具有復(fù)雜的流動(dòng)特性和隨機(jī)性，其流動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)難度相比單相流大［1］。相含率作為兩相流工業(yè)應(yīng)用中重要的流動(dòng)參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程工藝優(yōu)化、流量測(cè)量以及控制具有重要的實(shí)際意義。電導(dǎo)法是基于電學(xué)特性的用于測(cè)量?jī)上嗔飨嗪实囊环N方法，測(cè)量對(duì)象是導(dǎo)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(cè)量方法主要有平板電極法［2］、探針?lè)ǎ?］、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(dǎo)傳感器的物理基礎(chǔ)是不同介質(zhì)有不同的電導(dǎo)率，當(dāng)對(duì)被測(cè)物場(chǎng)進(jìn)行電流或者電壓激勵(lì)時(shí)管道內(nèi)部建立敏感場(chǎng)，場(chǎng)域中介質(zhì)的變化將導(dǎo)致測(cè)量電壓的變化，可用于測(cè)量?jī)上嗔髦械囊合酁檫B續(xù)相的生產(chǎn)過(guò)程。為獲得管道中氣/水兩相流的相含率等參數(shù)，設(shè)計(jì)了弧狀電極電導(dǎo)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)模擬水平管氣/水兩相流的測(cè)量電壓與相含率的關(guān)系進(jìn)行研究。

1 弧狀電極傳感器測(cè)量原理

氣/水兩相流參數(shù)測(cè)量中，弧狀電極電導(dǎo)式傳感器結(jié)構(gòu)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(shí)管道中的流體相當(dāng)于電阻Rm與電容Cm的并聯(lián)，這2個(gè)參數(shù)受流體性質(zhì)與流體分布的影響。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)與流體等效電路Fig 1 Composition of the sensor and liquid equivalent circuit

在電激勵(lì)模式中，激勵(lì)電流通過(guò)弧狀電極對(duì)施加到被測(cè)區(qū)域以建立敏感場(chǎng)，管道內(nèi)流體組分發(fā)生變化時(shí)電極之間的電阻抗改變，從而電極間測(cè)量電壓發(fā)生變化。電學(xué)測(cè)量模式滿足似穩(wěn)場(chǎng)假設(shè)，由Maxwell方程可知，敏感場(chǎng)內(nèi)任意一點(diǎn)滿足

在均勻、線性和各向同性的導(dǎo)電媒質(zhì)中，式（1）可簡(jiǎn)化為L(zhǎng)aplace方程

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于弧狀電極電導(dǎo)式傳感器的氣/水兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要包括PXI模塊、電流激勵(lì)源模塊以及信號(hào)調(diào)理電路模塊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of the system

2.1 PXI模塊

PXI是一種基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)，結(jié)合PCI的電氣總線特性、CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化以及Eurocard機(jī)械封裝的特性，并增加了專門(mén)的同步總線和主要軟件特性，使它成為測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本平臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于制造、測(cè)試、軍事、航空以及工業(yè)測(cè)試領(lǐng)域［7］。PXI系統(tǒng)一般包括機(jī)箱、系統(tǒng)控制器以及外設(shè)模塊等部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用NI公司的PXI—1042Q作為主控機(jī)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(shè)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(cè)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(yǔ)言LabVIEW編寫(xiě)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中壓控電流激勵(lì)源的電壓波形、信號(hào)調(diào)理電路的數(shù)字I/O控制信號(hào)以及數(shù)據(jù)采集均由外設(shè)模塊PXI—6251完成。通過(guò)對(duì)模擬信號(hào)輸出通道的設(shè)置可以輸出一定幅值的電壓波形;對(duì)數(shù)字輸出端口設(shè)置可以在相應(yīng)的I/O口輸出高低電平進(jìn)而控制信號(hào)放大倍數(shù);通過(guò)通道選擇，設(shè)置輸入信號(hào)的范圍、采集速度以及采樣時(shí)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(lì)源模塊

氣液兩相流參數(shù)測(cè)量中，弧狀電極與被測(cè)媒質(zhì)接觸時(shí)存在連接阻抗，該阻抗對(duì)于輸出電阻很小的電壓源的影響是嚴(yán)重的，而電流源具有非常高的輸出阻抗，輸出的激勵(lì)電流幅值很少受到負(fù)載阻抗的影響，也就不會(huì)受到連接阻抗的影響，因而，設(shè)計(jì)中激勵(lì)源采用電流源。同時(shí)為避免直流信號(hào)在電極上產(chǎn)生極化，并考慮到測(cè)量對(duì)象變化的要求，激勵(lì)信號(hào)一般采用正弦波電流激勵(lì)，然而此時(shí)信號(hào)測(cè)量時(shí)需經(jīng)過(guò)解調(diào)和低通濾波才得到交流信號(hào)的有效值，影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

為了改善系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)中采用方波電流激勵(lì)信號(hào)，頻率為20 kHz，在整體上方波信號(hào)是交流信號(hào)，而在每個(gè)半周期內(nèi)方波信號(hào)又是直流信號(hào)，可以用直流信號(hào)的特性來(lái)處理所得的信號(hào)。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(yùn)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(lì)源設(shè)計(jì)要求。氣/水兩相流測(cè)量中電極之間的阻值通常小于1 kΩ，因而，在恒流測(cè)試時(shí)選用的負(fù)載電阻阻值在1 kΩ以下，測(cè)量結(jié)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(cè)試Tab 1 Test of VCCS

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

2.3 信號(hào)處理模塊

傳感器輸出的電信號(hào)十分微弱，一般為mV級(jí)，一般需經(jīng)過(guò)調(diào)整、放大和濾波等處理才能達(dá)到數(shù)據(jù)采集電路對(duì)輸入信號(hào)的要求。由于設(shè)計(jì)中采用方波激勵(lì)信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是在每半個(gè)周期內(nèi)可以當(dāng)做直流信號(hào)處理，因而不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和濾波處理，可以直接將檢測(cè)電極信號(hào)經(jīng)過(guò)放大等簡(jiǎn)單處理后直接送入數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行采樣和處理。放大電路采用可編程儀表放大器PGA202和PGA203級(jí)聯(lián)的方式，通過(guò)控制A0，A1引腳可以實(shí)現(xiàn)1～8000放大倍數(shù)的16級(jí)調(diào)節(jié)，TTL控制電平由PXI—6251給出，如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理電路Fig 4 Signal processing circuit

2.4 電源模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的供電電源采用BOSHIDA AC/DC電源模塊BSCV10—220D15，可以實(shí)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(jià)比高以及體積小的特點(diǎn)。

圖5 電源模塊Fig 5 Power module

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

電學(xué)激勵(lì)模式下，當(dāng)激勵(lì)源信號(hào)頻率在10～100 kHz之間時(shí)，流體主要呈現(xiàn)電阻特性，因而，弧狀電極電導(dǎo)式傳感器的測(cè)量電壓只與流體等效電阻有關(guān)（不受流體間等效電容影響），且呈正比關(guān)系。而流體等效電阻又與流體電導(dǎo)率呈反比，即測(cè)量電壓受流體電導(dǎo)率影響，當(dāng)流體電導(dǎo)率未知時(shí)可以通過(guò)無(wú)量綱電壓值研究液相含率，定義無(wú)量綱電壓［8］表示為

其中，Vfull為管道充滿水時(shí)電極的測(cè)量電壓，V為水未充滿管道時(shí)測(cè)量電壓。

水平管氣/水兩相流中常見(jiàn)流型有分層流，環(huán)狀流，泡狀流等，因而，電導(dǎo)式傳感器的靜態(tài)標(biāo)定主要針對(duì)這3種典型流型進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中為測(cè)試傳感器對(duì)液相體積含率變化的敏感程度，每設(shè)定一次液相水含率后測(cè)量一次電極之間的電壓。

向水平放置的有機(jī)玻璃管道注入固定體積的水量模擬層狀流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示:管道含水率Hl與弧狀電極無(wú)量綱測(cè)量電壓V*之間的關(guān)系近似為線性，模擬層狀流的含水率可通過(guò)圖中公式得到。環(huán)狀流通過(guò)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(lái)模擬，標(biāo)定結(jié)果如圖7所示，管道含水率Hl與弧狀電極無(wú)量綱測(cè)量電壓V*之間線性度很好。

泡狀流模擬通過(guò)將體積不同的尼龍小球放入有水管道實(shí)現(xiàn)，不同的組合方式可以得到多組液相含率，標(biāo)定結(jié)果如圖8所示:標(biāo)定結(jié)果與Maxwell公式［1］預(yù)測(cè)值存在較好的吻合度。

靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:弧狀電極電導(dǎo)傳感器靜態(tài)下的液相含率Hl與測(cè)量的無(wú)量綱電壓V*之間存在線性關(guān)系。層狀流和環(huán)狀流的Hl可以用V*預(yù)測(cè);泡狀流則可用Maxwell公式預(yù)測(cè);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(shí)驗(yàn)標(biāo)定Fig 6 Experimental calibration for stratified flow

圖7 環(huán)狀流實(shí)驗(yàn)標(biāo)定Fig 7 Experimental calibration for annular flow

圖8 泡狀流實(shí)驗(yàn)標(biāo)定Fig 8 Experimental calibration for bubble flow

4 結(jié)論

為研究水平氣/水兩相流中的相含率參數(shù)，同時(shí)考慮測(cè)量過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高精度和實(shí)時(shí)性的需求，設(shè)計(jì)了基于PXI的弧狀電極電導(dǎo)傳感器測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括方波激勵(lì)恒流源、信號(hào)處理電路以及數(shù)據(jù)采集模塊，并采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW 8.5進(jìn)行波形輸出、采集以及信號(hào)處理電路的控制等程序的編寫(xiě)。對(duì)氣/水兩相流層狀流、環(huán)狀流和泡狀流3種典型流型進(jìn)行靜態(tài)模擬，標(biāo)定結(jié)果表明:層狀流和環(huán)狀流的液相含率可以用測(cè)量電極所得的無(wú)量綱電壓表征，而泡狀流的液相含率與無(wú)量綱電壓的關(guān)系則通過(guò)Maxwell方程描述，具有較高的線性度。通過(guò)對(duì)測(cè)量的兩相流相含率信號(hào)進(jìn)行分析處理并結(jié)合兩相流流速估計(jì)、流型識(shí)別和測(cè)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(cè)量奠定基礎(chǔ)。該測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)及運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足兩相流測(cè)量中對(duì)采集系統(tǒng)的需求。

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