一种非接触式气液固三相鼓泡床相含率测量装置及方法与流程

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种非接触式气液固三相鼓泡床相含率测量的方法。

背景技术：

多相流广泛存在工业生产和日常生活各个领域中，如石油传输与催化、污水处理、食品生产等，研究与检测多相流参数对人类生活至关重要。相含率是指多相流体中各个分相所占的比重，是多相流体系中的一个重要参数，相含率的准确检测对于多相流动机理研究和状态监测有着重要的意义。鼓泡床是一种常见的多相反应器，在工业领域中的应用十分广泛,如利用三相鼓泡床制备甲醇。在鼓泡床中，液体为连续相，气体从底部通入，床内往往存在固体催化颗粒，是典型的气液固三相流体系，对其三相相含率的测量对工业生产有着重要的意义。

然而目前大多数相含率测量方法仅仅是针对两相流体系(如：一种气液两相流相含率及分相流量检测装置和检测方法，专利公开号：CN105890693A)或者是三相流体系中的某单一相相含率(如：用于油-气-水三相环流参数的测量方法及其传感器，专利公开号：CN106092225A)，无法获取三相流中每一相的相含率。少数方法(如：一种光纤电导一体化探针传感器，专利公开号：CN204476404U)通过结合两种方法获取的信息得到三相流的每一相相含率，但是其传感器与被测流体接触，存在着干扰流场和传感器腐蚀等问题，使用场合受限。

本发明针对现有的三相流相含率测量的现状，提出了一种非接触式气液固三相鼓泡床相含率测量装置与方法。本发明使用的相含率方法在已有专利(非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法，专利公开号：CN103235013A)的基础上，不采用传统的通过图像重建获取相含率的方法，直接利用测量流体电阻值建立相含率测量模型，可以有效提高相含率测量精度。该方法首先通过非接触电极检测包含被测流体电阻信息和电极管壁耦合电容信息的信号，然后利用相敏解调的方法对信号进行处理，得到其实部信息，即流体的电阻信息。利用电阻信息计算得出三相流中的导电相(液相)和不导电相(气相和固相)的相含率。同时气液固三相流体中，气相的声信息与固相的声信息分布在不同的频段，通过提取声信号中的低频气相信息，计算得到三相流中的气相相含率。综合以上两种信息，得到三相流中的每一相相含率。本发明中电阻和声信号的测量都无需与流体接触，有效避免了传感器腐蚀与干扰流场等问题，安装简便，具有广泛的适用性。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单且可行的非接触气液固三相鼓泡床相含率测量装置和方法。

本发明首先公开了一种非接触式气液固三相鼓泡床相含率测量装置，包括电阻测量传感器、声波检测探头、电阻信号采集处理模块、声信号采集处理模块、微型计算机；电阻测量传感器与电阻信号采集处理模块的一端相连，声波检测探头与声信号采集处理模块的一端相连，电阻信号采集处理模块和声信号采集处理模块分别与微型计算机相连。

优选的，所述的电阻测量传感器包括有12个矩形金属电极和绝缘管道，12个矩形金属电极等间距地环绕在绝缘管道外壁，电阻信号采集处理模块与每个金属电极相连，依次对每个电极施加交流激励信号，在剩余电极处接收检测信号。

本发明还公开了一种所述非接触式气液固三相鼓泡床相含率测量装置的电阻测量方法，其具体步骤如下：

1)电阻信号采集处理模块提供的交流激励信号V_i依次通过激励电极、被测流体与检测电极，其中激励电极与绝缘管壁形成耦合电容C₁,被测流体等效为电阻R，检测电极与绝缘管壁形成耦合电容C₂，电阻信号采集处理模块在检测电极处接收到包含流体电阻R与耦合电容C₁、C₂信息的检测电流信号i；

2)对检测电流信号i进行电流电压转换、放大、A/D转换后，利用交流激励信号的同相参考信号和正交参考信号进行相敏解调，得到检测信号的相位与幅值信息，通过与交流激励信号的幅值和相位进行对比，即可得出被测流体的电阻R。

本发明进一步公开了一种非接触式气液固三相鼓泡床相含率测量装置，在前述装置基础上，所述的声波检测探头表面涂抹绝缘胶，将其贴在所述的电阻测量传感器的任意两个金属电极之间的缝隙中部，用于检测流体声音信号。

利用上述装置的新型气液固三相流相含率测量方法的步骤如下：

1)在绝缘管道内注入导电液体，放入已知体积大小的不导电固体，模拟静态的两相流，此时的不导电相相含率记为α_m，利用电阻信号采集处理模块依次对每个金属电极施加交流激励信号，并在剩余电极处接收检测信号，经过信号处理后传输到微型计算机中计算得到每对电极之间的电阻值信息，记为一组电阻值信息R*，多次改变不导电固体体积来改变相含率α_m，并采集对应的电阻值信息R*，利用偏最小二乘法建立不导电相相含率的回归模型α_m＝f(R*)；

2)在绝缘管道内注入导电液体，底部通入已知流量的空气，利用电阻信号采集处理模块采集多相流的电阻值信息，利用声信号采集处理模块同步采集声信号，利用上一步中建立好的不导电相相含率回归模型计算得到此时的气相含率值记为α_g，与此同时，将采集到的声信号进行Daubechies二阶小波分解，分解为不同频段下的细节信号，将各个细节信号的能量值记为E*，多次改变气体流量来改变气相含率α_g，并采集对应声信号的细节信号能量值E*，利用偏最小二乘法建立气相含率的回归模型α_g＝f(E*)；

3)在气液固三相流体系中，液相为连续导电相，固相和气相为不导电相，其相含率存在以下关系：

α_l+α_g+α_s＝1

α_m＝α_s+α_g

利用电阻信号采集处理模块采集多相流的电阻值信息，用已建立好的相含率测量模型计算得到不导电相的相含率α_m，利用声信号采集处理模块同步采集声信号，用已建立好的相含率测量模型计算得到气相的相含率α_g，从而计算得到三相流中的每一相相含率。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

1)传感器电极结构简单，易于安装，不与流体直接接触，避免了传感器腐蚀和干扰流场等问题，一定程度上扩展了适用性；

2)测量得到气液固三相流中的每一相的相含率，可以更清楚地了解多相流体的各相占比；

3)通过事先建立好的模型来计算相含率，可以在短时间内得到三相流的各相相含率，具有较好的实时性，有助于流体的状态监测。

附图说明

图1是非接触式气液固三相鼓泡床相含率测量装置的结构示意图；

图2是电阻测量传感器和电阻信息采集处理模块结构示意图；

图3是单组激励检测电极与被测流体的等效电路图；

图4是声波检测探头安装位置示意图；

图中：电阻测量传感器1，声波检测探头2，电阻信号采集处理模块3，声信号采集处理模块4，微型计算机5，绝缘管道6，矩形金属电极7。

具体实施方式

如图1所示，气液固三相鼓泡床相含率测量装置包括电阻测量传感器1，声波检测探头2，电阻信号采集处理模块3，声信号采集处理模块4，微型计算机5；电阻测量传感器1与电阻信号采集处理模块3的一端相连，声波检测探头2与声信号采集处理模块4的一端相连，电阻信号采集处理模块3和声信号采集处理模块4分别与微型计算机5相连。

如图2所示，电阻测量传感器1包括有12个矩形金属电极7和绝缘管道6，12个矩形金属电极7等间距地环绕在绝缘管道6外壁。电阻信号采集处理模块4与每个金属电极7相连，依次对每个电极施加交流激励信号，在剩余电极处接收检测信号。接收到的检测信号中既包含着多相流的电阻信息，也包含着电极7和绝缘管壁6之间的耦合电容信息。

如图3所示，电阻信号采集处理模块3提供的交流激励信号V_i依次通过激励电极、被测流体与检测电极，其中激励电极与绝缘管壁形成耦合电容C₁,被测流体等效为电阻R，检测电极与绝缘管壁形成耦合电容C₂。电阻信号采集处理模块3在检测电极处接收到包含流体电阻R与耦合电容C₁、C₂信息的检测电流信号i。之后电阻信号采集处理模块3对检测电流信号i进行电流电压转换、A/D转换后得到数字输出信号

给定正弦激励电压信号V_i(t)为：

V_i(t)＝A sinωt

式中，A为正弦激励电压信号的幅值，ω为角频率。

经过流体电阻R、耦合电容C₁、C₂与电流电压转换后得到的输出电压信号V_o(t)为：

其中，A'为输出电压信号的幅值，θ为输出电压信号的相位，R_f为运算放大器的反馈电阻，C_x为C₁和C₂的串联，其值为C₁C₂/(C₁+C₂)。

输出电压信号经过A/D转换后的数字输出信号V_o(nT)为：

V_o(nT)＝A'sin(2πnT/N+θ)

其中，T为采样周期，N为每周期采样数，n＝0,1,2,...,N-1。

接下来利用交流激励信号的同相参考信号和正交参考信号进行相敏解调。两路参考信号分别为：

V_sin(nT)＝A₁sin(2πnT/N)

V_cos(nT)＝A₂cos(2πnT/N)

其中，A₁和A₂分别为两路参考信号的幅值。

将数字输出信号V_o(nT)分别与两路参考信号进行互相关运算之后，得到两个直流信号V_r与V_q：

由这两个信号即可求得输出电压信号V_o(t)的幅值和相位：

通过与正弦激励电压信号的幅值与相位进行对比，就可以得出被测流体的电阻信息：

如图4所示，声波检测探头2表面涂抹绝缘胶，将其贴在电阻测量传感器1的任意两个金属电极之间的缝隙中部，用于检测该部分管段的流体声音信号。

气液固三相流相含率测量方法的步骤如下：

1)在绝缘管道内注入导电液体，放入已知大小的不导电固体，模拟静态的两相流，此时的不导电相相含率记为α_m。利用电阻信号采集处理模块依次对每个金属电极施加交流激励信号，并在剩余电极处接收检测信号，经过信号处理后传输到微型计算机中计算得到每对电极之间的电阻值信息，记为一组电阻值信息R*。多次改变不导电固体体积来改变相含率α_m，并采集对应的电阻值信息R*，利用偏最小二乘法建立不导电相相含率的回归模型α_m＝f(R*)。

2)在绝缘管道内注入导电液体，底部通入已知流量的空气，利用电阻信号采集处理模块采集多相流的电阻值信息，利用声信号采集处理模块同步采集声信号。利用上一步中建立好的不导电相相含率回归模型计算得到此时的气相含率值记为α_g，与此同时，将采集到的声信号进行Daubechies二阶小波分解，分解为不同频段下的细节信号，将各个细节信号的能量值记为E*。多次改变气体流量来改变气相含率α_g，并采集对应声信号的细节信号能量值E*，利用偏最小二乘法建立气相含率的回归模型α_g＝f(E*)。

3)在气液固三相流体系中，液相为连续导电相，固相和气相为不导电相，其相含率存在以下关系：

α_l+α_g+α_s＝1

α_m＝α_s+α_g

利用电阻信号采集处理模块采集多相流的电阻值信息，用已建立好的相含率测量模型计算得到不导电相(气相和固相)的相含率α_m。利用声信号采集处理模块同步采集声信号，用已建立好的相含率测量模型计算得到气相的相含率α_g，从而计算得到三相流中的每一相相含率。

已经在内径为110mm的聚氯乙烯鼓泡床上对本发明中所提及的装置和方法进行了实验，验证了本发明的可行性。实验介质为空气、水和不导电的陶瓷颗粒，实验结果表明：利用本发明中所提及的装置与方法，最终的测量结果与参考值之间的绝对偏差小于5％，可以实现对三相流体系中各相相含率的非接触测量，并取得较好的测量结果。