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专利名称：采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种气液两相流空泡份额测量仪，特别是一种实时、在线、非浸入的采用内置式12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，属于多相流动测试技术领域。
背景技术：
多相流科学的理论实验研究表明，多相流动过程中，各种流型的发生和转变、流动压降、多相流量、流动不稳定的产生以及空泡波的滋生等都与空泡份额密切相关。因此，空泡份额的在线准确测量不仅是多相流科学理论的重要研究内容，也在实际工程多相流系统的安全运行监控中具有重要的实际应用价值。
多相流动空泡份额的测量技术与方法有快关阀门法，射线法，电学法，光学法，热学法等。但迄今为止除了快关阀门法外，上述各种方法的实用都还存在各种不同问题，需要改进。而快关阀门法只能在实验室用于标定，无法在实际工程装置中进行检测；射线法的准确度较好，但受到测量仪器庞大、射线安全性等因素的影响，其使用受到制约；电容传感器属于电学法，具有简单、快速、灵敏、稳定可靠的特点，是近20年该领域研究的热点技术。
电容法测量空泡份额的原理是，布置于两相流动管道上的电极对可视为一个电容器，电容值的大小与两相混合物的介电常数ε有关，而ε是气相介电常数εG、液相介电常数εL和空泡份额α的函数。因此，测量电极间的电容值就可以得到混合物的空泡份额。
现已研制出的电容传感器大多为非侵入结构，极板数量多为2极板、4极板、6极板；极板形式有平板式、凹面板式、双螺旋式、多螺旋式以及方形等。电容法测量空泡份额的主要困难之一在于电容值对于流型的敏感。已有的研究表明，电极间电容值的大小不仅与各相介质的介电常数有关，而且受到流型(空泡份额的分布)的严重影响。为了实现电容传感器对不同流型的准确测量，传感器的结构设计成为关键。Abouelwafa M S A，与Kendall M E.在论文《The use ofcapacitance sensors for phase percentage determination in multiphasepipelines》(IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement，1980，IM29(1)24-27)中提出一个有效的办法是增加测量极板的个数，而极板个数的增加又给测量电路和数据采集带来了一定的困难；Jaworski A J，Bolton G T在论文《The design of an electrical capacitance tomography sensor for usewith media of high dielectric permittivity》(Measurement of science andtechnology，2000，11743-757)中研制了外置式电容传感器，但这种形式的传感器其极板所附着的绝缘管道的介电常数对于传感器的输出线性度有很大的影响。

发明内容
为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明设计一种采用内置12极板电容传感器的智能型气液两相流空泡份额测量仪。本发明由内置式12极板电容传感器、C/V转换电路、多路分时控制信号电路、高速A/D数据采集电路、D/A反馈电路、通信电路、计算机构成。
内置式12极板电容传感器包括两组电容检测电极、三组轴向保护电极、支撑管，衬板、屏蔽罩和电极引线组成。每组电极有12块极板。支撑管是一有机玻璃圆管，圆筒形衬板粘贴在支撑管内壁上，两组电容检测电极的24块极板和三组轴向保护电极的36块极板均粘贴在衬板的内表面上，在每块极板上焊接一根电极引线，在支撑管的壁上与极板引线的相应位置上钻有60个小孔，将60根电极引线引出，屏蔽罩包套在支撑管外。
C/V转换电路、多路分时控制信号电路、高速A/D数据采集电路、D/A反馈电路、通信电路和计算机组成了测量电路。
将12极板电容传感器连接在测量管道中，通过多路分时控制信号电路按照预定次序选择极板对和控制极板工作状态，有序获得多极板电容信号；通过C/V转换电路将所测电容信号转换成电压信号；通过高速A/D数据采集电路实现电压信号的A/D转换；同时通过D/A反馈电路消除固有电容的影响；通过通讯电路将测量值送入计算机进行数据处理，最终获得气液两相流空泡份额测量结果并自动显示。
本发明测量仪通过静态标定和动态标定结果表明，所测得的空泡份额值与“真值”的误差小于6％，采样频率达到100Hz以上；测量系统的最小电容分辨率为0.6fF。在油气混输试验环路上测量系统动态标定表明，本发明对层状流的绝对测量误差小于5％，相对于满量程的测量准确度大于95％，可以满足工业现场对空泡份额的测量精度要求。


图1是本发明空泡份额测量仪结构示意框2是本发明电容传感器的轴向中心剖面结构示意3是本发明电容传感器的AA剖面结构示意4是本发明电容传感器的内置极板径向展开布置图
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
如图1所示，本发明包括内置式12极板电容传感器1、多路分时控制信号电路2、C/V转换电路3、高速A/D数据采集电路4、通信电路5、计算机6和D/A反馈电路7。
内置式12极板电容传感器1的输出端与多路分时控制信号电路2的输入端电连接；多路分时控制信号电路2的输出端与C/V转换电路3电连接；C/V转换电路3的输出端与高速A/D数据采集电路4的输入端电连接；高速A/D数据采集电路4的输出端与通信电路5的输入端电连接；通信电路5的输出端通过D/A反馈电路7与高速A/D数据采集电路4的输入端电连接；通信电路5的输出端还分别与多路分时控制信号电路2、计算机6的输入端电连接。
如图2、图3、图4所示，内置式12极板电容传感器包括三组轴向保护电极，即A轴向保护电极8，B轴向保护电极13，C轴向保护电极16；二组检测电极，即D检测电极11，E检测电极15；支撑管9，电极引线10，衬板12，屏蔽罩14。两组检测电极和三组轴向保护电极的每组电极均有12块极板。支撑管9是一有机玻璃圆管，管壁上与极板引线的相应位置上钻有60个小孔。将圆筒形衬板12按照设计要求展开成平面，再将5组极板的60块极板按照极板间距和结构对称的要求粘贴在衬板12上，将粘贴好极板的衬板12按照与支撑管内径尺寸紧密配合的要求，卷曲成圆筒形状粘贴在支撑管9的内壁上，形成内置式极板。A轴向保护电极8和C轴向保护电极16分别位于衬板12的两端，B轴向保护电极13位于衬板12的中间；D检测电极11位于A轴向保护电极8和B轴向保护电极13之间，E检测电极15位于B轴向保护电极13和C轴向保护电极16之间；每组电极12块极板沿径向分布，每块极板的张角为27度，相邻极板间隔为3度。60根电极引线10分别焊接在每块极板上，并通过支撑管9上的小孔引出，屏蔽罩14包套在支撑管9的外壁上。
D检测电极11、E检测电极15和B轴向保护电极13的每块极板均采用长100mm，宽32mm，厚度为0.1mm的铜箔；A轴向保护电极8和C轴向保护电极16的每块极板均采用长50mm，宽32mm，厚度为0.1mm的铜箔；衬板12采用2.5mm厚的聚乙烯塑料板；支撑管9为外径158mm，内径为130mm，管壁厚14mm，长为1000mm有机玻璃管；电极引线10采用单芯屏蔽线，在电极引线10与支撑管9的小孔间用环氧树脂胶将通孔灌满密封；屏蔽罩14采用0.1mm厚的铝板，整体包于支撑管9的外壁上，并与所有电极引线10的屏蔽层连接后接地，防止外部的电磁干扰。内置式12极板电容传感器1与测试管路间采用管箍或法兰进行连接和安装。
多路分时控制信号电路2的时钟信号由8.867238MHz石英晶振分频得到，开关频率f＝2.955746MHz，时钟周期约为338ns，开启时间Ton≈113ns，关闭时间Toff≈225ns，延迟时间约为169ns，死区时间约为56ns。
C/V转换电路3是基于电荷转移原理的充放电检测法，它主要是由CMOS开关的充电注入效应引起，并保证了输入端的地电位在高速的充放电过程中保持稳定。测量过程中，源极始终与一低阻输入相连，而测量极一直与地电位相连，杂散电容对测量结果基本无影响。
高速A/D数据采集电路4中A/D转换器采用美国ADI公司生产的AD9220单电源(+5V)的12位模数转换器，它采用一种带有宽带输入采样—保持放大器的四级流水结构，使其在指定数据率的情况下为12位数据精确提供了数字输出错误修正，保证了在整个操作温度范围内没有误码。最高转换速率达到完成12位转换仅需100ns，非线性误差小于0.5LSB。程控放大器选用美国BURR-BROWN生产的PGA202，单片增益可控的双端输入仪用放大器。
D/A反馈电路7中D/A转换器采用美国ADI公司生产的AD9764，分辨率为14位的高性能、低功耗的模数转换芯片。
通信电路5采用MAX485芯片进行驱动和接收。
计算机6即上位机数据的发送和接收采用台湾MOXA公司生产的IndustioCP-132系列两端口RS-485串口通信卡。
权利要求
1.一种采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，包括内置式多极板电容传感器(1)，多路分时控制信号电路(2)，C/V转换电路(3)，高速A/D数据采集电路(4)，通信电路(5)，计算机(6)和D/A反馈电路(7)，其特征在于内置式12极板电容传感器(1)的输出端与多路分时控制信号电路(2)的输入端电连接，多路分时控制信号电路(2)的输出端与C/V转换电路(3)的输入端电连接，C/V转换电路(3)的输出端与高速A/D数据采集电路(4)的输入端电连接，高速A/D数据采集电路(4)的输出端与通信电路(5)的输入端电连接，通信电路(5)的输出端通过D/A反馈电路(7)与高速A/D数据采集电路(4)的输入端电连接，通信电路(5)的输出端还分别与多路分时控制信号电路(2)、计算机(6)的输入端电连接，内置式12极板电容传感器(1)包括A轴向保护电极(8)，B轴向保护电极(13)，C轴向保护电极(16)，D检测电极(11)，E检测电极(15)，每组电极由12块极板组成，支撑管(9)是一圆管，管壁上与极板引线的相应位置上钻有60个小孔，圆筒形的衬板(12)粘贴在支撑管(9)的内壁面，五组电极的60块极板按序粘贴在衬板(12)的内表面上，A轴向保护电极(8)和C轴向保护电极(16)分别粘贴在衬板(12)内表面的两端，B轴向保护电极(13)粘贴于衬板(12)的中间，D检测电极(11)粘贴于A轴向保护电极(8)和B轴向保护电极(13)之间，E检测电极(15)粘贴于B轴向保护电极(13)和C轴向保护电极(16)之间，60根电极引线(10)分别与每块极板焊接并通过支撑管(9)上的小孔引出，屏蔽罩(14)包套在支撑管(9)外壁上。
2.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的A轴向保护电极(8)，B轴向保护电极(13)，C轴向保护电极(16)，D检测电极(11)，E检测电极(15)，五组电极中D检测电极(11)、E检测电极(15)和B轴向保护电极(13)的36块极板均采用长100mm，宽32mm，厚度为0.1mm的铜箔；A轴向保护电极(8)和C轴向保护电极(16)的24块极板均采用长50mm，宽32mm，厚度为0.1mm的铜箔，每组电极12块极板沿径向分布，每块极板的张角为27度，相邻极板间隔为3度。
3.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的支撑管(9)为外径158mm，内径为130mm，管壁厚14mm，长为1000mm有机玻璃管。
4.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的衬板(12)采用2.5mm厚的聚乙烯塑料板。
5.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的电极引线(10)采用单芯屏蔽线，电极引线(10)与支撑管(9)的小孔间用环氧树脂胶将通孔灌满密封。
6.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的屏蔽罩(14)采用0.1mm厚的铝板，整体包于支撑管(9)的外壁上，并与所有电极引线(10)的屏蔽层连接后接地。
7.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的内置式12极板电容传感器(1)与测试管路间采用管箍或法兰进行连接和安装。
8.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的多路分时控制信号电路(2)的时钟信号由8.867238MHz石英晶振分频得到，开关频率f＝2.955746MHz，时钟周期约为338ns，开启时间Ton≈113ns，关闭时间Toff≈225ns，延迟时间约为169ns，死区时间约为56ns。
9.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的C/V转换电路(3)是基于电荷转移原理的充放电检测法，测量过程中，源极始终与一低阻输入相连，而测量极一直与地电位相连。
10.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的高速A/D数据采集电路(4)的A/D转换器采用美国ADI公司生产的AD9220单电源+5V的12位模数转换器，程控放大器选用美国BURR-BROWN生产的PGA202，单片增益可控的双端输入仪用放大器。
11.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的D/A反馈电路(7)的D/A转换器采用美国ADI公司生产的AD9764，分辨率为14位的模数转换芯片。
12.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的通信电路(5)采用MAX485芯片进行驱动和接收。
13.根据权利要求1所述的采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，其特征是所述的计算机(6)的上位机数据的发送和接收采用台湾MOXA公司生产的Industio CP-132系列两端口RS-485串口通信卡。
全文摘要
采用内置12极板电容传感器的气液两相流空泡份额测量仪，属于多相流动测试技术领域。包括内置式12极板电容传感器、C/V转换电路、多路分时控制信号电路、高速A/D数据采集电路、D/A反馈电路、通信电路、计算机。内置式12极板电容传感器包括两组检测电极、三组轴向保护电极、支撑管，衬板、屏蔽罩和电极引线。每组电极有12块极板，均粘贴在衬板内表面上，衬板粘贴在支撑管的内壁面，60根电极引线通过支撑管壁小孔引出，屏蔽罩包套在支撑管外。将12极板电容传感器连接在测量管道中，通过测量电路和计算机数据处理，最终获得精确测量结果。该发明能对气液两相流空泡份额实现在线准确测量，对多相流系统的安全运行监控具有重要的实际应用价值。
文档编号G01M10/00GK1654940SQ20041009918
公开日2005年8月17日 申请日期2004年12月29日 优先权日2004年12月29日
发明者王经, 牛刚, 贾志海 申请人:上海交通大学