基于弧状电极传感器的气/水两相流参数测量系统设计*

施艳艳，董 峰

（天津大学电气与自动化工程学院天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072）

0 引言

管道中气/水两相流流动工况广泛存在于能源动力、石油化工以及冶金等工业过程中。由于两相流的各分相间存在界面效应和相对速度，而且，相界面在时间和空间上随机可变，因此，两相流具有复杂的流动特性和随机性，其流动参数的检测难度相比单相流大［1］。相含率作为两相流工业应用中重要的流动参数，对生产过程工艺优化、流量测量以及控制具有重要的实际意义。电导法是基于电学特性的用于测量两相流相含率的一种方法，测量对象是导电介质为连续相的两相混合流体。气水两相流参数测量方法主要有平板电极法［2］、探针法［3］、电阻层析成像法［4］、环形电极法［5］以及弧状电极法［6］。

弧状电极电导传感器的物理基础是不同介质有不同的电导率，当对被测物场进行电流或者电压激励时管道内部建立敏感场，场域中介质的变化将导致测量电压的变化，可用于测量两相流中的液相为连续相的生产过程。为获得管道中气/水两相流的相含率等参数，设计了弧状电极电导传感器测量系统，并对模拟水平管气/水两相流的测量电压与相含率的关系进行研究。

1 弧状电极传感器测量原理

气/水两相流参数测量中，弧状电极电导式传感器结构与流体等效电路如图1所示，电极内嵌于管道内壁并与流体接触，此时管道中的流体相当于电阻Rm与电容Cm的并联，这2个参数受流体性质与流体分布的影响。

图1 传感器结构与流体等效电路Fig 1 Composition of the sensor and liquid equivalent circuit

在电激励模式中，激励电流通过弧状电极对施加到被测区域以建立敏感场，管道内流体组分发生变化时电极之间的电阻抗改变，从而电极间测量电压发生变化。电学测量模式满足似稳场假设，由Maxwell方程可知，敏感场内任意一点满足

在均匀、线性和各向同性的导电媒质中，式（1）可简化为Laplace方程

2 系统设计

基于弧状电极电导式传感器的气/水两相流参数测量系统主要包括PXI模块、电流激励源模块以及信号调理电路模块，其系统结构如图2所示。

图2 系统结构图Fig 2 Structure diagram of the system

2.1 PXI模块

PXI是一种基于PC的测量和自动化平台，结合PCI的电气总线特性、CompactPCI的坚固性、模块化以及Eurocard机械封装的特性，并增加了专门的同步总线和主要软件特性，使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本平台，被广泛应用于制造、测试、军事、航空以及工业测试领域［7］。PXI系统一般包括机箱、系统控制器以及外设模块等部分。系统设计中采用NI公司的PXI—1042Q作为主控机箱，PXI—8106双核嵌入式控制器作为系统的控制器，选用的外设模块为多功能数据采集卡PXI—6251。

NI PXI—6251具有16路16位的模拟采集通道，单通道采集频率为1.25MS/s，多通道为1 MS/s;2路16位模拟输出通道，频率范围为2.8 MS/s;24路数字TTL I/O控制;最大模拟输入与输出电压范围均为－10～+10 V。采用PXI—6251可以提高测量精度、分辨率以及敏感度控制。程序采用数据流编程语言LabVIEW编写。系统设计中压控电流激励源的电压波形、信号调理电路的数字I/O控制信号以及数据采集均由外设模块PXI—6251完成。通过对模拟信号输出通道的设置可以输出一定幅值的电压波形;对数字输出端口设置可以在相应的I/O口输出高低电平进而控制信号放大倍数;通过通道选择，设置输入信号的范围、采集速度以及采样时间完成数据采集，并能在波形显示窗口观察到采集到的波形，数据可以根据要求保存为文本文档或者电子表格文档。

2.2 电流激励源模块

气液两相流参数测量中，弧状电极与被测媒质接触时存在连接阻抗，该阻抗对于输出电阻很小的电压源的影响是严重的，而电流源具有非常高的输出阻抗，输出的激励电流幅值很少受到负载阻抗的影响，也就不会受到连接阻抗的影响，因而，设计中激励源采用电流源。同时为避免直流信号在电极上产生极化，并考虑到测量对象变化的要求，激励信号一般采用正弦波电流激励，然而此时信号测量时需经过解调和低通滤波才得到交流信号的有效值，影响了系统的实时性。

为了改善系统的性能，设计中采用方波电流激励信号，频率为20 kHz，在整体上方波信号是交流信号，而在每个半周期内方波信号又是直流信号，可以用直流信号的特性来处理所得的信号。图3所示为采用INA111和AD711组成的压控电流源电路。其中，INA111是具有优越性能的高速FET输入仪表放大器，具有极宽的带宽（20 MHz）和较高的压摆率（17 V/μS），而AD711是一种高速，高精度单片运算放大器，其单位增益带宽和压摆率分别为3 MHz和16 V/μS，满足恒流电流激励源设计要求。气/水两相流测量中电极之间的阻值通常小于1 kΩ，因而，在恒流测试时选用的负载电阻阻值在1 kΩ以下，测量结果如表1所示。

图3 压控电流源电路Fig 3 Circuit of voltage controlled current source（VCCS）

表1 恒流特性测试Tab 1 Test of VCCS

恒流源的稳定度与精度直接影响到测量的稳定性和精度，由表1可求得恒流源幅值波动为

2.3 信号处理模块

传感器输出的电信号十分微弱，一般为mV级，一般需经过调整、放大和滤波等处理才能达到数据采集电路对输入信号的要求。由于设计中采用方波激励信号，其优点是在每半个周期内可以当做直流信号处理，因而不需要对信号进行解调和滤波处理，可以直接将检测电极信号经过放大等简单处理后直接送入数据采集电路进行采样和处理。放大电路采用可编程仪表放大器PGA202和PGA203级联的方式，通过控制A0，A1引脚可以实现1～8000放大倍数的16级调节，TTL控制电平由PXI—6251给出，如图4所示。

图4 信号处理电路Fig 4 Signal processing circuit

2.4 电源模块

系统设计中的供电电源采用BOSHIDA AC/DC电源模块BSCV10—220D15，可以实现 +15 V和 －15 V电压输出，330 mA的电流输出，如图5所示，该模块具有高隔离电压、性价比高以及体积小的特点。

图5 电源模块Fig 5 Power module

3 实验结果与分析

电学激励模式下，当激励源信号频率在10～100 kHz之间时，流体主要呈现电阻特性，因而，弧状电极电导式传感器的测量电压只与流体等效电阻有关（不受流体间等效电容影响），且呈正比关系。而流体等效电阻又与流体电导率呈反比，即测量电压受流体电导率影响，当流体电导率未知时可以通过无量纲电压值研究液相含率，定义无量纲电压［8］表示为

其中，Vfull为管道充满水时电极的测量电压，V为水未充满管道时测量电压。

水平管气/水两相流中常见流型有分层流，环状流，泡状流等，因而，电导式传感器的静态标定主要针对这3种典型流型进行物理模拟实验。实验中为测试传感器对液相体积含率变化的敏感程度，每设定一次液相水含率后测量一次电极之间的电压。

向水平放置的有机玻璃管道注入固定体积的水量模拟层状流。实验结果如图6所示:管道含水率Hl与弧状电极无量纲测量电压V*之间的关系近似为线性，模拟层状流的含水率可通过图中公式得到。环状流通过将直径不同的尼龙棒插入有水管道在圆棒与管壁间形成液膜来模拟，标定结果如图7所示，管道含水率Hl与弧状电极无量纲测量电压V*之间线性度很好。

泡状流模拟通过将体积不同的尼龙小球放入有水管道实现，不同的组合方式可以得到多组液相含率，标定结果如图8所示:标定结果与Maxwell公式［1］预测值存在较好的吻合度。

静态实验结果表明:弧状电极电导传感器静态下的液相含率Hl与测量的无量纲电压V*之间存在线性关系。层状流和环状流的Hl可以用V*预测;泡状流则可用Maxwell公式预测;间歇流（弹状、塞状）可以看作是分层流和液弹交替出现的流型，采用层状流处理。

图6 层状流实验标定Fig 6 Experimental calibration for stratified flow

图7 环状流实验标定Fig 7 Experimental calibration for annular flow

图8 泡状流实验标定Fig 8 Experimental calibration for bubble flow

4 结论

为研究水平气/水两相流中的相含率参数，同时考虑测量过程中对数据采集系统高精度和实时性的需求，设计了基于PXI的弧状电极电导传感器测量系统。系统主要包括方波激励恒流源、信号处理电路以及数据采集模块，并采用图形化编程语言LabVIEW 8.5进行波形输出、采集以及信号处理电路的控制等程序的编写。对气/水两相流层状流、环状流和泡状流3种典型流型进行静态模拟，标定结果表明:层状流和环状流的液相含率可以用测量电极所得的无量纲电压表征，而泡状流的液相含率与无量纲电压的关系则通过Maxwell方程描述，具有较高的线性度。通过对测量的两相流相含率信号进行分析处理并结合两相流流速估计、流型识别和测量模型的建立，可以为两相流各分相流量和混合流量的最终测量奠定基础。该测量系统具有测量精度高、实时性强及运行稳定等优点，能够满足两相流测量中对采集系统的需求。

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