陳陽(yáng)正,王小鑫,王 博,李利品

(1.西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西西安 710072)

0 引言

多相流廣泛存在于石油、化工、制藥、電力、環(huán)保、冶金等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，多相流參數(shù)檢測(cè)技術(shù)在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1-3]，它的在線測(cè)量對(duì)整個(gè)工業(yè)過(guò)程的安全有很重要的意義。

多相流參數(shù)主要有相含率、流型和流速，其中相含率是多相流檢測(cè)測(cè)量過(guò)程中尤為重要的參數(shù)，它對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)量、控制和可靠運(yùn)行均具有重大意義[4-5]。目前多相流相含率檢測(cè)方法主要有差壓法、衰減法和電學(xué)法等[6-9]，其中電容法具有非接觸、低成本和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，在多相流相含率檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于電容法多相流相含率檢測(cè)，微小電容的精確測(cè)量是測(cè)量系統(tǒng)成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。

系統(tǒng)采用交流激勵(lì)的CV轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)微小電容的測(cè)量，選用以ARM Cortex-M4為架構(gòu)的STM32F407ZGT6主控制芯片對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采集和處理，結(jié)合電容傳感器共同構(gòu)成了氣液兩相流的測(cè)量系統(tǒng)。并搭建氣液兩相流相含率測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1 電容法相含率測(cè)量原理

電容法測(cè)量相含率的原理為：當(dāng)管道內(nèi)液體的相含率發(fā)生變化，電容傳感器極板間的等效介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容傳感器極板間的電容變化，通過(guò)標(biāo)定電容值與相含率的關(guān)系，即可通過(guò)測(cè)量電容值來(lái)估算液體相含率的大小。為了更加直觀地描述，文中用簡(jiǎn)化的電容傳感器模型——平行板電容器，來(lái)分析電容法測(cè)量氣液流濃度的原理。平行板電容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中ε為平行板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=ε0εr(ε0為真空介電常數(shù)，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù))，S為兩平行板的正對(duì)面積，d為兩極板間的距離。

圖1 平行板電容器結(jié)構(gòu)

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，圖1中兩平行極板間的電容為

(1)

式中：ε為真空介電常數(shù)ε0與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr的乘積；S為兩平行板的正對(duì)面積；d為兩極板間的距離。

式(1)表明，在平行板電容器結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情

況下，兩極板間的電容與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。當(dāng)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，引起極板間電容的變化量為

(2)

對(duì)于管道中的氣液兩相流的等效介電常數(shù)ε,可以用液體的介電常數(shù)εω、空氣的介電常數(shù)εair和液體的相含率α來(lái)表示：

ε=εωα+εair(1-α)

(3)

管道中液體的相含率變化分別引起的等效介電常數(shù)變化量為

Δε=(εω-εair)Δα

(4)

因此由液體濃度的變化而引起的平行板電容器的電容變化量為

(5)

由式(5)可知，在平行板電容器結(jié)構(gòu)下，電容的變化與相含率變化成線性關(guān)系，因此可以通過(guò)對(duì)電容變化量的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)相含率的測(cè)量。

2 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)量系統(tǒng)由傳感器、測(cè)量電路和數(shù)據(jù)采集處理3部分組成，如圖2所示。傳感器電極分別采用對(duì)臂式、雙環(huán)式和螺旋式結(jié)構(gòu)的電極，均為非接觸式電極；測(cè)量電路為交流激勵(lì)的C/V電容電壓轉(zhuǎn)換電路，其中激勵(lì)頻率為5 MHz；數(shù)據(jù)采集及處理部分以ARM Cortex-M4架構(gòu)的STM32系列處理器為核心實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集控制與數(shù)據(jù)處理，并將采集到電壓值或者相含率(經(jīng)過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)擬合)在LCD上顯示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)

3 微小電容測(cè)量電路

3.1 電路測(cè)量原理

常見(jiàn)的微小電容測(cè)量方法有直流充/放電電容測(cè)量法、交流激勵(lì)電容測(cè)量法[10-12]。該系統(tǒng)針對(duì)電容法相含率測(cè)量原理，考慮實(shí)際的工況測(cè)量環(huán)境，其中被測(cè)的電容信號(hào)十分微弱并且信噪比較低，而且信號(hào)易泄漏且電路存在漂移等問(wèn)題均會(huì)影響電容測(cè)量的準(zhǔn)確性[13-14]。系統(tǒng)選用的是基于交流激勵(lì)電容測(cè)量法的C/V轉(zhuǎn)換測(cè)量電路[15]，電路原理圖如圖3所示。

圖3 測(cè)量電路

設(shè)輸入信號(hào)為：

Vi=Asin(ωt+α)

(6)

式中：A為輸入信號(hào)幅度，V；ω為角頻率；rad/s；t為輸入信號(hào)的時(shí)間，s；α為輸入信號(hào)的相位。

當(dāng)電流經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)器時(shí)，通過(guò)運(yùn)放虛短和虛斷可以推出VO2的表達(dá)式為

(7)

再經(jīng)過(guò)交流放大電路進(jìn)一步放大和乘法器的信號(hào)解調(diào)，其中K為交流放大電路的放大倍數(shù)，得到VO3為

(8)

VO3經(jīng)過(guò)低通濾波器后得到VO：

(9)

由式(9)可知輸出的電壓值與待測(cè)電容成線性關(guān)系，這就是測(cè)量電路測(cè)電容的原理。

3.2 數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)

測(cè)量系統(tǒng)以STM32F407ZGT6為主控制芯片，采用芯片內(nèi)部集成的ADC對(duì)測(cè)量電路輸出的直流電壓信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)處理后顯示在LCD屏上，并配置以按鍵的方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的采集，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到SD卡中，數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)流程圖如圖4所示。此外，當(dāng)相含率測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定后，可以直接輸出相含率并在LCD屏幕上顯示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

4 相含率測(cè)量試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

搭建如圖5所示的氣液兩相流相含率測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)。其中空氣為氣相，水為液相。采用PT3500型號(hào)的水泵，構(gòu)成氣液兩相流循環(huán)系統(tǒng)。該循環(huán)系統(tǒng)有20個(gè)擋位可以調(diào)節(jié)水流量，進(jìn)而改變相含率，每一個(gè)檔位都可產(chǎn)生具有穩(wěn)定液面的層流，因此該系統(tǒng)主要用于研究層流狀態(tài)下的氣液兩相流相含率測(cè)量。針對(duì)每一個(gè)變化的擋位，當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，對(duì)出水口的排水進(jìn)行收集，根據(jù)收集時(shí)間、排水量及管道尺寸得出實(shí)際相含率。

(a)結(jié)構(gòu)圖

(b)實(shí)物圖圖5 試驗(yàn)平臺(tái)

4.2 測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)

多相流參數(shù)檢測(cè)中常用的電容式傳感器主要有：雙環(huán)式、對(duì)臂式及螺旋式[16]。以下重點(diǎn)對(duì)這3種傳感器構(gòu)成的相含率檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。3種傳感器結(jié)構(gòu)如圖6所示，其具體尺寸參數(shù)如下：各電極緊貼安裝于管道外壁，管道外徑50 mm；對(duì)壁式傳感器電極夾角為120°，電極軸向長(zhǎng)度為80 mm；360°螺旋式傳感器電極的螺距是80 mm，截面電極夾角為100°；雙環(huán)式傳感器電極軸向長(zhǎng)度80 mm，2個(gè)電極之間的距離為15 mm。為了更好地對(duì)比和評(píng)估3種傳感器的性能，它們的軸向長(zhǎng)度取值一樣，電極面積也基本相同。

對(duì)3種傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1、表2和表3。

(a)對(duì)壁式

(b)螺旋式

(c)雙環(huán)式圖6 傳感器結(jié)構(gòu)圖

表1 對(duì)臂式傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

相含率/%電壓/V相含率/%電壓/V00.48857.820.6686.480.49564.340.70511.700.51170.350.73118.750.51475.710.75425.850.53980.720.91531.500.55485.950.96037.450.56291.041.04342.400.58291.101.11547.500.62192.001.25052.310.64294.371.315

表2 雙環(huán)式傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 螺旋式傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

在Matlab中對(duì)以上測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，根據(jù)數(shù)據(jù)的分布不同，對(duì)對(duì)臂式電容傳感器使用四階擬合，雙環(huán)式電極采用一階擬合，螺旋式采用三階擬合，擬合曲線如圖7所示，其測(cè)量誤差分析列入表4。

(a)對(duì)臂式電極

(b)雙環(huán)式電極

(c)螺旋式電極圖7 擬合曲線圖

表4 誤差分析%

傳感器類(lèi)型平均相對(duì)誤差最大相對(duì)誤差對(duì)臂式3.058.69雙環(huán)式0.472.41螺旋式3.038.49

從擬合曲線和誤差分析來(lái)看，雙環(huán)式電容傳感器的線性度最好，平均相對(duì)誤差(0.47%)和最大相對(duì)誤差(2.41%)均低于對(duì)臂式和螺旋式，因此，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，雙環(huán)式電容傳感器在氣液兩相流的相含率的測(cè)量效果上優(yōu)于另外2種傳感器。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于微小電容交流測(cè)量電路的電容法氣液兩相流相含率測(cè)量系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)量范圍廣，并通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)分別對(duì)對(duì)臂式、雙環(huán)式和螺旋式傳感器進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，能較好的應(yīng)用于氣液兩相流相含率的電容法測(cè)量。通過(guò)分析和比較3種電容傳感器的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雙環(huán)式電容傳感器的線性度最好，平均相對(duì)誤差和最大相對(duì)誤差均低于對(duì)臂式和螺旋式，因此雙環(huán)式電容傳感器最適合測(cè)量層流氣液兩相流相含率。