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多相流WMS測(cè)試系統(tǒng)

WMS 系統(tǒng)工作原理

WMS 系統(tǒng)全名 Wire-mesh sensors System。 WMS 系統(tǒng)的工作原理是屬于流動(dòng)成像技術(shù)的一種。數(shù)據(jù)采集傳感器是由兩套線電極組成。它們通過互相垂直的排列方式將被測(cè)容器或管道的橫截面分成矩陣狀的測(cè)量點(diǎn)（如下圖）。

2 x 8 電機(jī)WMS系統(tǒng)原理

測(cè)量時(shí)發(fā)射電極被依次激活，而所有的采集電極全部處于接收狀態(tài)，并行采集測(cè)量信息。在這樣一種工作方式下，測(cè)量每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的電學(xué)性質(zhì)（電導(dǎo)率或電容率）?；谶@個(gè)工作方式，我們可以得到瞬時(shí)狀態(tài)下一個(gè)橫截面的流體分布。經(jīng)過后期的軟件處理，我們可以得到流過這個(gè)截面隨時(shí)間變化的三維模型，如下圖。

WMS系統(tǒng)的三維可視化測(cè)量結(jié)果

WMS200 數(shù)據(jù)采集硬件參數(shù)

WMS200 基本配置

最大可連接發(fā)射模塊數(shù): ………………………………………………….8
最大可連接接收模塊數(shù): ………………………………………………….8
最大支持存儲(chǔ)模塊數(shù) ( 每個(gè)接收模塊需配備一只): ………………..8
每只存儲(chǔ)模塊大小: ………………………………………………………. 8 GBytes
電源:………………………………………………………………………….110-240 V 50-60 Hz max. 200VA
PC 傳輸協(xié)議: ……………………………………………………………….USB 2.0
外部觸發(fā)輸入 ( 物理): …………………………………………………….isolated RS 485 3V
外部觸發(fā)輸出 ( 物理): …………………………………………………….RS 485 3V
尺寸: ………………………………………………………………………….515 x 300 x 165 mm
重量: ………………………………………………………………………….11 kg

數(shù)據(jù)處理軟件

WMS 的數(shù)據(jù)是由有時(shí)序的數(shù)字代碼組成的。這些數(shù)字代碼是網(wǎng)格中每個(gè)點(diǎn)的電導(dǎo)率的值。數(shù)據(jù)處理的第一步是將絕對(duì)的或者相對(duì)的電導(dǎo)率的值轉(zhuǎn)化成流體中相應(yīng)的相。我們通過分析數(shù)據(jù)可以得到測(cè)量平面內(nèi)的電導(dǎo)率和相含率的分布情況，這些數(shù)據(jù)會(huì)被保存記錄的時(shí)間，從而形成時(shí)間序列。這樣我們就得到了一個(gè)“三維數(shù)據(jù)”。從氣- 水兩相流的數(shù)據(jù)中，我們可以計(jì)算出軸向和縱向的氣含率分布。并且可以通過橫截面的氣含率分布計(jì)算出整體的氣含率分布。我們有特別的算法，可以分析氣泡的尺寸。并且，特別的是我們有一套“填充算法”，可以計(jì)算出單個(gè)氣泡的體積、尺寸和相應(yīng)的等效氣泡直徑。我們可以在很近的位置放置兩只電導(dǎo)率傳感器，這樣我們可以分析兩只傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行相干分析，并且得到氣相的速度。

軟件運(yùn)行PC配置要求

IBM PC/AT 或者 100% 兼容的 PC
1 GB 以上的 RAM
2 GHz 以上的處理器
支持1280 x 1024 像素處理的顯卡
高速USB 2.0 接口 480 Mbit/s
運(yùn)行系統(tǒng): Windows XP，Win7
推薦配置雙硬盤

WMS系統(tǒng)測(cè)量的水平矩形管油水混合段塞流

測(cè)量傳感器

測(cè)量網(wǎng)格傳感器根據(jù)原理的不同分為兩種：電容網(wǎng)格傳感器和電導(dǎo)網(wǎng)格傳感器。顧名思義，是分別測(cè)量流體中各個(gè)位置電容率和電導(dǎo)率的分布。

電導(dǎo)傳感器

WMS 系統(tǒng)是首次將傳統(tǒng)電導(dǎo)傳感器升級(jí)后用于液體流場(chǎng)測(cè)量。他能夠在線測(cè)量橫截面上電導(dǎo)率的分布情況。這種類型的傳感器非常適合含有混合物的導(dǎo)電相，比如水和蒸汽。

電導(dǎo)率傳感器本質(zhì)上是，網(wǎng)狀的金屬絲或金屬棒一部分作為發(fā)射電極，而與之垂直的另一部分作為接收電極。發(fā)射電極和接收電極之間有幾毫米的空隙，這些空隙便作為測(cè)量點(diǎn)。為達(dá)到這一目的，控制發(fā)射電極的電勢(shì)高于環(huán)境電勢(shì)（流體和金屬管道材料的接地電勢(shì)），就可在每個(gè)平行的接收電極測(cè)量到不同的電流。為了消除直流偏移并且保護(hù)電極不被電化學(xué)勢(shì)影響，WMS 系統(tǒng)使用了雙極脈沖發(fā)射的方式。接收電極同時(shí)測(cè)量雙極性脈沖的信號(hào)差。接收到的微小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓，并通過跨阻抗放大電路放大。最終通過快速信號(hào)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸至PC 端。輸入端、電纜和輸出端都采用了特別的技術(shù)，以便在高測(cè)量頻率的情況下實(shí)現(xiàn)最小的電極串?dāng)_。流體電導(dǎo)率測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍在0.1μS/cm（蒸餾水）到1000μS/cm（自來水）之間。兩相流，像氣- 水或油- 水兩相電導(dǎo)差距很大的兩相流可被直接測(cè)量。單相流需要使用電導(dǎo)示蹤劑，如NaCl，來標(biāo)記流體。其中，管道模塊中的構(gòu)建原理如下圖。

WMS 系統(tǒng)的測(cè)量傳感器有很高的采樣率和空間分辨率（高至2mm）。這種傳感器的應(yīng)用范圍很廣，我們主要測(cè)量領(lǐng)域是基本的氣- 水兩相流測(cè)量和核電站中相關(guān)熱工水力部件的蒸汽- 水兩相流測(cè)量。這些實(shí)驗(yàn)主要用在分析事故原因和多相流熱工水力模擬的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，如CFX，fluent。舉個(gè)例子，WMS 系統(tǒng)在HZDR 實(shí)驗(yàn)室儀器儀表部門的熱工水力實(shí)驗(yàn)設(shè)施TOPFLOW 中使用。WMS 系統(tǒng)被用于其內(nèi)部水平和豎直管道的流場(chǎng)測(cè)量，獲取流場(chǎng)映射。通過評(píng)測(cè)其廣義模型中的速度和氣含量曲線，在給定的幾何和熱力學(xué)邊界等條件下，研究氣- 液兩相流的運(yùn)動(dòng)行為。

WMS 系統(tǒng)搭配電導(dǎo)率傳感器主要是用在化工領(lǐng)域伴隨混合物質(zhì)的研究、核反應(yīng)堆模型的研究、管道氣蝕和壓力沖擊的研究和土壤中水分傳輸?shù)难芯俊?/div>

電容傳感器

電導(dǎo)傳感器的應(yīng)用對(duì)象有一個(gè)小限制，必須至少有一相的電導(dǎo)率K>0.5 μS/cm。電容傳感器就不受這個(gè)限制，從而把WMS 系統(tǒng)應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了不導(dǎo)電流體的測(cè)量領(lǐng)域，如化學(xué)工程和石油天然氣領(lǐng)域內(nèi)，油、天然氣和一些有機(jī)液體的測(cè)量。

電容傳感器已經(jīng)成功用于兩相流的分析。電容傳感器延續(xù)了電導(dǎo)傳感器的主要原理。一部分電極用作發(fā)送，另一部分用作接收。測(cè)量過程中，發(fā)射電極按照順序被激活，而其他電極被保持在地電位。每次發(fā)射電極被激活，相應(yīng)的接收電極采集相關(guān)的信息并保存。但是和電導(dǎo)傳感器不同的是，電容傳感器使用的是交流電激勵(lì)，相應(yīng)的接收電極也配有一個(gè)對(duì)應(yīng)的解調(diào)器。

不同的有機(jī)液體介電常數(shù)的參考比差別比較大，如氣- 水的相對(duì)介電常數(shù)(εr) 在1（氣）到80（水）之間，最大的偏差在10%。WMS 系統(tǒng)最低的采集到的噪聲干擾在0.27 % 或 0.9 fF。這樣保證了良好的線性度、精度和可重復(fù)性。通過WMS 系統(tǒng)的電容傳感器，對(duì)于介電常數(shù)的分辨率可以達(dá)到1（Δεr = 1）。這意味著，打比方，我們可以區(qū)分氣- 油兩相流(εr = 2)，從而得到氣和油的分布情況。下圖展示了一個(gè)測(cè)量范例，水- 硅油- 空氣流體的測(cè)量。WMS 系統(tǒng)電容傳感器的高分辨精度使得WMS 系統(tǒng)成為石油化工領(lǐng)域中有價(jià)值的新工具。

使用WMS 系統(tǒng)測(cè)量三相流，如油- 氣- 水三相流測(cè)量從原理上說是可以實(shí)現(xiàn)的，相關(guān)軟件我們正在研發(fā)中。下圖中就是一個(gè)已經(jīng)成功的測(cè)量范例。電容傳感器可捕捉介電常數(shù)在2（油）至80（水）范圍內(nèi)，每種物質(zhì)的分布情況。