一种用于气液两相流探测的四电导探针测量信号处理系统

摘要

本发明公开一种用于气液两相流探测的四电导探针测量信号处理系统，对探针探测到的电压信号进行滤波、去噪、整形等处理，以便后续采集卡采集到的信号能更真实、方便的表现出气液两相流中的气泡信息。为了保证四个探针的信号相互之间不会影响，同时为了保证处理电路的输出信号幅度符合采集卡的采集范围，在处理系统的电路设计中，分别针对每一路信号使用了一个隔离运算放大器，用于隔离和放大信号。另外，由于探针信号的幅度和宽度直接影响着后期信号处理的精度，为了保证探针测量系统获取参数的精度，信号处理系统在信号调理、传输方面都使用了大量的去噪措施，例如：使用抗干扰性能好的接插件、屏蔽线路、滤波电路等。

说明书

技术领域

本发明属于两相流监测技术领域。

背景技术

气液两相流在化工生产过程中是常见的现象。测定气液两相流中气泡的参数具有重要意义。然而，由于气液两相流是非常复杂的流动状态，有关气泡的测量技术尚不够完善，到目前为止，主要的测量方法有:电导探针法、电阻抗层析成像法、CT成像法、高速摄像法、超声波探测法、干涉法等。摄像法是一种成熟的方法，它不干扰流场，但要拍摄到设备中心某一断面的图像很困难，且不具有实时性，信息处理所需时间较长；电阻抗层析成像方法能得到径向截面的两相流图像，但是成像精度受限制；CT和MRI方法能得到精确的两相流图像，而其速度和成本却是制约因素；激光诱导荧光法类似于高速摄像法，其应用受到限制。

电导探针法虽然是接触式测量，但它不受操作人员熟练程度的影响，可直接给出电信号，响应快，便于与微机联接，从而提高测量速度和精度，宜进行大样本实时测量。然而由于在两相流的探测试验中，由于环境噪声以及各种仪器的干扰，电导探针的信号往往有较大的噪声，后期处理很不方便，且得到的参数精度将降低。

现有技术出现了一种测量气液两相流局部参数的四探头电导探针。其可以用于两相流参数测量装置中。该技术提出了一种探针的制作工艺，其中铜线处理与缠绕处理以及套筒内部注射绝缘漆操作繁琐，并且没有对探针测量做出系统性的研究，尤其在信号处理硬件设计这块更没做详细说明，以至后面提及的探针在两相流测量中的应用难以实现。

另外，现有技术还有一种实时测量多相管流中含气率和相界面的电导探针测量系统，其包括电导探针以及接收电导探针信号的测量装置，测量装置包括接收探针、处理信号的处理装置、输入/输出及控制接口、与输入/输出及控制接口连接的激励信号发生电路及向各电路提供电源的稳压电源。但其没有注重测量系统的抗干扰设计。

发明内容

本发明的目的是解决两相流的实时测量过程中，测量精度不尽 人意和后期电导探针信号处理困难的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种用于气液两相流探测的四电导探针测量信号处理系统，其特征在于:包括探测模块、四个信号调节电路模块、电源、数据采集卡和PC机；

所述信号调节电路模块包括分压电阻、低通滤波器和隔离运算放大器；信号调节电路模块的输入端子分成两路，一路串联分压电阻后连接高电位、另外一路依次连接低通滤波器和隔离运算放大器；所述隔离运算放大器的输出端即为信号调节电路模块的输出端子；

所述探测模块包括四根探针和外壳；四根探针相互平行，它们与外壳之间通过绝缘体隔离(探针连接在绝缘体上，绝缘体固定于外壳上，外壳内容纳电路)；所述外壳接地；每一根探针对应一个所述的信号调节电路模块；每一根探针均通过屏蔽线缆连接与之对应的信号调节电路模块的输入端子；四个信号调节电路模块的输出端子分别输出信号Ⅰ、信号Ⅱ、信号Ⅲ和信号Ⅳ；这些信号被数据采集卡采集后，传递给PC机。

进一步，所述的四根探针长短不一。

进一步，设计所述低通滤波器时，考虑探针测量的信号频率在10KHz附近，需要滤除高频噪声。

进一步，运算放大器还会将信号放大2倍。

进一步，输入输出信号接口，以及电源输入接口均使用具有屏蔽效果的航空插头。

进一步，传输用信号线使用屏蔽双绞线。

进一步，调节电路模块对应的PCB使用双层覆铜设计，整个PCB电路放置在特制的屏蔽盒中

本发明的技术效果是毋庸置疑的。该系统要求能够将电导探针信号调整成采集卡可采集的信号，并提供优良的抗干扰能力，保证两相流参数的测量精度，并简化后期两相流数据的处理。尤其是：

1)通过下拉电阻和隔离运算放大器，消除输入信号相互之间的影响，并保证输入信号对电路的阻抗匹配。

2)通过屏蔽双绞线，保证信号在长距离传输中不会受到电磁干扰的影响。

3)通过屏蔽盒、航空插座和双层覆铜处理，电路在处理过程中 不受干扰。

4)通过整体系统的去噪、隔离和调理，电导探针信号能够保证探测的精度。

附图说明

图1是本发明设计的一种两相流四电导探针测量信号处理系统原理框图。如图1所示，本发明所设计的一种用于气液两相流探测的四电导探针测量信号处理系统，在实际应用当中，该系统包括：用于传输探针信号的屏蔽双绞线、用于PCB电路板屏蔽电磁干扰的屏蔽盒、用于处理信号的电路、用于为处理电路提供电源的开关电源、用于传输处理后信息的屏蔽双绞线、数据采集卡、计算机。其中，屏蔽电缆1用于将探针上直接获得的信号传输给信号调理电路；屏蔽电缆2用于电源给信号处理电路供电；屏蔽电缆3用于将信号调理电路输出的信号传输给数据采集卡；屏蔽电缆4用于将数据采集卡得到的数字信号传输给计算机。屏蔽电缆1、屏蔽电缆3和屏蔽电缆4为屏蔽双绞线，屏蔽电缆2为屏蔽线而非双绞线。信号调理电路需要对信号进行滤波、隔离和幅度调理，以满足后端数据采集卡的输入信号需求。数据采集卡将模拟信号转换成数字信号并通过USB传输到计算机。在具体实施过程中，只需要将所有线路按图1所示的方式连接，信号调理电路就会对输入的探针信号进行处理。计算机通过控制数据采集卡来确定采集数据的时间。

图2是本发明设计的一种处理电导探针信号的处理电路。如图2所示，本发明所设计的一种两相流探测的四电导探针测量信号调理电路。该图只绘制出其中两路信号的电路原理图，其他两路的电路 原理图与这两路一样。其中，电导探针的外壳与地电平相连，R₁和R₅为上拉电阻，当探针处于液体中时，探针与外壳之间相当于短路，此时探针输出低电平；而当有气泡将探针包围时，探针与外壳之间相当于断路，此时由于上拉电阻R₁和R₅的作用，探针输出的信号将变为高电平。同时，由于液体(水)并非导体，当探针处于液体中时，其电阻约为1M欧姆。当探针处于液体中时，由于上拉电阻R₁和R₅的分压作用，信号调理电路的输出将不是0V，而是有一定的基底电平。为了尽量减小该基底电平，需要保证上拉电阻R₁和R₅尽量大，在本系统中选择R₁和R₅为10M欧姆的电阻。

为了减小噪声对信号处理的影响，在每一路信号的输入端增加了RC低通滤波器。图2中的R₂和C₁、R₆和C₂分别组成了低通滤波器，该滤波器的截止频率为：

$f=\frac{1}{2\pi RC}$

其中R和C为此处的R₂、R₆、C₁和C₂。由于气泡在液体中运动的速度最大约2m/s，而探针能探测到的气泡直径大小约为2mm，通过下面的公式可以得到气泡信号的频率：

$f_g=\frac{V}{D}$

此处的D为气泡直径，V为气泡的速度。所以气泡产生的信号频率约1KHz，再考虑信号上升沿的情况下，气泡信号的实际频率应该为气泡频率的10倍，信号最大频率约为10KHz，所以低通滤波器的截止频率至少为10KHz，而根据香农采样定律，数据采集卡的最小采 样频率约20KHz。

为了使输入信号不因阻抗不匹配而导致变形，在RC滤波器后面跟随的是一个隔离运算放大器。电路中U₁、R₃和R₄(U₂、R₇和R₈)形成正向放大器。该放大器一方面将为输入端提供大的输入阻抗，另一方面为后续电路提供小的输出阻抗，保证信号幅度不变。同时该放大器还会将输入信号放大，该电路对信号的放大倍数为：

$A=\frac{R_3}{R_3+R_4}$

此处的R₃和R₄只是其中一个电路的电阻，对于其他探针则为相应运算放大器周围的电阻。为了使原本处于0-5V范围的探针信号变为0-10V的电压范围，满足后续数据采集卡的采集需要，在该发明中R₃、R₄、R₇和R₈均为10K欧姆，保证信号刚好被放大2倍。

图3是本发明的处理电路得到的电导探针信号。如图3所示，本发明所涉及的信号处理电路所输出的气泡信号。从图中可以看出经过本发明的处理，输出信号的噪声很小，可以保证信号处理的精度，并减少后期处理的难度。图中每一个脉冲均代表着一个气泡，信号上升速度缓慢而下降速度快。这是因为探针在在刺破气泡时由于表面张力的作用，刺破的比较缓慢，而探针从气相进入液相则没有表面张力的阻碍，刺破气泡速度很快。

上述结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具有的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

本实施例公开一种用于气液两相流探测的四电导探针测量信号处理系统，包括探测模块、四个信号调节电路模块、电源、数据采集卡和PC机；

参见图1，所述探测模块包括四根探针和外壳；四根探针相互平行，它们与外壳之间通过绝缘体隔离；四根探针分别记为探针1～4。实施例中，四根探针的长度不一。

所述信号调节电路模块包括分压电阻、低通滤波器和隔离运算放大器；信号调节电路模块的输入端子分成两路，一路串联分压电阻后连接高电位、另外一路依次连接低通滤波器和隔离运算放大器；所述隔离运算放大器的输出端即为信号调节电路模块的输出端子。更为具体的，如图2所示，一根探针(记为探针1)连接的信号调节电路模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、隔离运算放大器U1。输入端子分成两路，一路串联电阻R1后连接+5V高电位，另外一路串联电阻R2后，连接隔离运算放大器U1的正输入端；运算放大器U1的正输入端还与电容C1串联后接地；运算放大器U1的负输入端串联电阻R4后，连接运算放大器U1的输出端；运算放大器U1的负输入端还串联电阻R3后接地；运算放大器U1的输出端就是整个信号调节电路模块的输出端子。实施例中，每根探针的信号调节电路模块与上述的探针1连接的信号调节电路模块完全系统。例如图中的探针4，连接的信号调节电路模块包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2、隔离运算放大器U2。R1和R5为10M欧姆的电阻，R2和R6均为7.5欧姆，R3、R4、R7和R8均为10K欧姆，电容C1和C2均为2.2微法，隔离运算放大器U1和U2均为LT072I。

每一根探针对应一个所述的信号调节电路模块；每一根探针均通过屏蔽线缆连接与之对应的信号调节电路模块的输入端子；四个信号调节电路模块(分别对应探针1～4)的输出端子分别输出信号Ⅰ、信号Ⅱ、信号Ⅲ和信号Ⅳ；这些信号被数据采集卡采集后，传 递给PC机，每一根探针的信号如图3所示(可以通过PC机输出)，图中，每一个脉冲就是代表一个气泡。