技术摘要：
本发明公开了一种气液两相流监测装置、系统及方法，包括主控模块、激励模块、丝网传感器和接收模块；丝网传感器分别与激励模块和接收模块电连接；激励模块包括极性转化电路、选通电路和放大电路，极性转化电路和选通电路分别与主控模块电连接；选通电路还分别与极性转  全部
背景技术：
对气液两相流流速、流量、流型、压力以及相含率等参数的测量，一般可以总结以 下三大类： ①直接测量技术 直接测量技术主要用于测量特定的两相流参数，包括流型、流速、含气率等。其中， 在含气率的测量上，传统的方法是使用快关阀法，快关阀法会严重干扰流场，对阈门的控制 要求较高。随着科技进步的不断发展，越来越多的新测量方法应用于气液两相流的流动参 数测量，如电学法、射线法、光学法等。 光学法主要利用光线穿过两相流体时的散射、衰减等原理进行测量。利用光传感 器获取光线的变化情况，根据传感器的输出信号对气液两相流相关参数进行测量。该方法 可测量气液两相流中气泡尺寸和速度等参数。光学法是典型的非接触式测量，但存在数据 获取系统成本高和测量环境要求较高的问题，目前光学法很难在工业上应用推广。 射线法主要利用射线在穿过介质后发生衰减或康普顿散射的原理进行测量。由于 不同介质对射线衰减或散射情况不同，通过检测穿过被测介质后射线辐射强度变化，即可 获得被测介质的分布信息，进而确定流型。射线法是非接触式测量，但使用时防护成本高。 电学法是一种应用广、技术成熟的方法。根据气液两相流电导率或者介电常数的 明显差异的原理，采用传感器将非电学被测信息变化转换为电信号变化，通过采集电信号 获得被测信息的一种方法。根据原理不同可分为电导测量法和电容测量法两种。例如，基于 电容式的空泡仪，可测量气泡速度，主要用于微小通道的测量，基于电导法的探针，可测量 局部含气率、气泡尺寸、界面浓度以及气泡表观速度等相关参数。由于结构简单、成本低廉 和良好的响应特性，电学法在两相流探测领域扮演着重要角色。 ②间接测量技术(软测量) 间接测量技术是通过将各种现代信息处理技术应用于气液两相流领域中，建立易 测过程变量与待测过程变量之间的关系，通过各种理论计算和估计的方法间接实现待测过 程变量的测量。该方法是基于简单的测量参数实现难测测量的估计，可以用来解决非线性 复杂的两相流系统参数测量问题。在多相流测量领域，常用的处理方法主要包括神经网络、 模式识别、频谱分析、小波分析、频谱分析、模糊控制的软测量等方法。该类方法经常以交叉 和融合的方式使用，主要用于参数测量和两相流机理研究。 ③可视化测量技术 可视化测量技术是对气液两相流二维或者三维的成像测量，可从测量结果提取出 特征参数。主要包括有粒子图像测速法、高速摄像法、过程层析成像方法(Process  Tomography，PT)等。 5 CN 111610229 A 说　明　书 2/12 页 粒子图像测速法是基于流场显示和图像分析技术的一种测量方法，主要用于流体 速度场的测量。该方法由于示踪粒子分部不均匀、摄像机噪音和光学噪音等图像噪音以及 气泡在流动过程中的生长、聚合、破碎等现象，使得图片清晰度低。 高速摄影法利用高速摄像机快速拍照来获取图像，并利用图像处理算法提取图像 中的气液两相流信息。该方法只能用于透明管道内测量，另外高速摄像采集的图像信息量 太多，图像的分析和处理较为困难。 因此，有必要开发一种新的气液两相流监测装置、系统及方法。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种气液两相流监测装置、系统及方法，能实现对气液两相 流快速、准确的测量。 第一方面，本发明所述的气液两相流监测装置，包括主控模块、激励模块、丝网传 感器、接收模块、通信模块和电源模块；所述主控模块分别与激励模块、接收模块、通信模块 和电源模块电连接；所述丝网传感器分别与激励模块和接收模块电连接； 所述激励模块包括： 用于将主控模块产生的单极性方波信号转化为双极性方波激励信号的极性转化 电路，该极性转化电路与主控模块电连接； 用于实现双极性方波激励信号的连续顺序的多路复用的选通电路，该选通电路分 别与主控模块和极性转化电路电连接； 以及用于对选通电路输出的信号进行放大处理的放大电路，该放大电路分别与选 通电路和丝网传感器的激励端电连接； 所述接收模块包括： 用于将接收到的电流信号转化为电压信号的互阻放大电路，该互阻放大电路与丝 网传感器的输出端电连接； 用于调节互阻放大电路增益的第一数字电位器电路，该第一数字电位器电路分别 与互阻放大电路和主控模块电连接； 用于对互阻放大电路输出的电压信号进行放大处理的电压放大电路，该电压放大 电路与互阻放大电路电连接； 用于调节电压放大电路增益的第二数字电位器电路，该第二数字电位器电路分别 与电压放大电路和主控模块电连接； 以及用于对经电压放大电路放大后的电压信号进行采集的信号采集电路，该信号 采集电路分别与电压放大电路和主控模块电连接。 进一步，所述主控模块采用STM32最小系统，所述STM32最小系统通过具有定时器 功能的IO管脚与激励模块的输入端口连接，配置定时器寄存器实现方波信号输出，对激励 模块进行驱动； 所述STM32最小系统分别通过SPI接口与第一数字电位器电路和第二数字电位器 电路电连接，通过对第一数字电位器电路的电阻值调节实现对互阻放大电路的增益倍数进 行调控，通过对第二数字电位器电路的电阻值调节实现对电压放大电路的增益倍数进行调 控； 6 CN 111610229 A 说　明　书 3/12 页 所述STM32最小系统通过FSMC接口与信号采集电路电连接，实现对多通道数据的 高效获取； 所述STM32最小系统通过RMII接口与通信模块电连接，实现嵌入式端与电脑端的 网络通信功能。 进一步，所述极性转化电路包括电容C32、电容C35和电阻R12，所述电容C32的一端 与主控模块电连接，电容C32的另一端经电阻R12后接地，电容C32与电阻R12的连接点还经 电容C35接地。 进一步，所述选通电路包括模拟开关U7、电阻R4至电阻R11，电容C7、电容C9、电容 C22至电容C29； 所述模拟开关U7采用MAX4581CEE 芯片，模拟开关U7的7脚经电容C9后接地；模拟 开关U7的16脚经电容C7后接地；模拟开关U7的13脚经电阻R4后接地，电容C22与电阻R4并 联；模拟开关U7的14脚经电阻R5后接地，电容C23与电阻R5并联；模拟开关U7的15脚经电阻 R6后接地，电容C24与电阻R6并联；模拟开关U7的12脚经电阻R7后接地，电容C25与电阻R7并 联；模拟开关U7的1脚经电阻R8后接地，电容C26与电阻R8并联；模拟开关U7的5脚经电阻R9 后接地，电容C27与电阻R9并联；模拟开关U7的2脚经电阻R10后接地，电容C28与电阻R10并 联；模拟开关U7的4脚经电阻R11后接地，电容C29与电阻R11并联； 所述模拟开关U7的3脚与极性转化电路电连接； 所述模拟开关U7的12脚至15脚还分别与放大电路电连接。 第二方面，本发明所述的气液两相流监测系统，包括电脑端和如本发明所述的气 液两相流监测装置； 所述气液两相流监测装置的激励模块采取循环扫描的策略，每次顺序向丝网传感 器激励端的一个电极丝发送双极性电压激励信号，接收端所有响应信号经电流向电压转 化、电压放大和AD转化处理，即完成丝网传感器中一个电极丝的数据采集；然后再次激励、 接收、处理，依次类推，直到完成丝网传感器中所有电极丝的激励，由此得到一个能反映出 被测流道截面处电导率的二维分布的电压矩阵，即得到一个完整截面点的相态信息，并将 相态信息通过通信模块实时发送给电脑端； 所述电脑端被配置为：对接收到的每一个完整截面点的相态信息进行数据解析、 数据保存和截面数据成像处理，显示流场截面的两相分布特性，并计算和显示截面含气率。 进一步，在截面数据成像处理中，以丝网传感器交叉点为像素点，测量值为相应的 像素值，采用插值算法增加图像的像素点，并采用中值滤波对图像进行滤波处理。 进一步，采用三次样条插值法增加图像的像素点。 进一步，计算截面含气率的方法如下： 将电压值矩阵转化为气相含气率矩阵： 其中，ε(i,j,k)表示第k帧数据中坐标为(i,j)的局部含气率，ugas(i,j)表示当坐 标为(i,j)的测点全部为气体流过时的标定电压值，uliquid(i,j)表示当坐标为(i,j)的测点 全部为液体流过时的标定电压值，u(i,j,k)表示第k帧数据中坐标为(i,j)的测点的电压 值； 7 CN 111610229 A 说　明　书 4/12 页 计算截面含气率： 其中，为截面含气率；ai,j表示坐标为(i,j)的测点的测量值对应的权重值； 其中，Asensor表示圆形截面的总面积，Ai,j表示εi,j对应的有效面积。 进一步，所述电脑端还被配置为：用于查看历史数据，包括表格显示和视图显示； 其中，视图中正视图与侧视图采用数据投影方法重构出测量管道的视图信息；正视图和侧 视图用于显示气泡相对于管壁的位置。 第三方面，本发明所述的气液两相流监测方法，采用如本发明所述的气液两相流 监测系统，其方法包括以下步骤： 步骤1、将丝网传感器安装到垂直于流动方向的截面上； 步骤2、激励模块采取循环扫描的策略，每次顺序向丝网传感器激励端的一个电极 丝发送双极性电压激励信号，接收端所有响应信号经电流向电压转化、电压放大和AD转化 处理，即完成丝网传感器中一个电极丝的数据采集；然后再次激励、接收、处理，依次类推， 直到完成丝网传感器中所有电极丝的激励，由此得到一个能反映出被测流道截面处电导率 的二维分布的电压矩阵，即得到一个完整截面点的相态信息，并将相态信息通过通信模块 实时发送给电脑端； 步骤3、电脑端对接收到的每一个完整截面点的相态信息进行数据解析、数据保存 和截面数据成像处理，显示流场截面的两相分布特性，并计算和显示截面含气率。 本发明具有以下优点：丝网传感器成像技术具有原理简单、研发成本低、成像速度 快、可测参数多和空间分辨率均匀等优点。基于丝网传感器的气液两相流监测系统，该系统 能够实现对气液两相流快速、准确的测量，并具有宽动态测量范围、低成本、体积较少的特 性。基于丝网传感器的气液两相流监测是属于接触式测量，因此相较于间接测量具有设备 简单、成本低、抗干扰能力强的优点，但对比传统的接触式测量，这种新型测量方式因接触 面小，流场受到的干扰很小，此装置适用于实验室和工业等多种场合，具有应用较广泛的优 点。本发明由于自适应的实现，能够精确到电导率≤0.1μS/cm的测量。 附图说明 图1是本实施例的原理框图； 图2是本实施例中主控模块的电路图； 图3为本实施例中极性转化电路的电路图； 图4为本实施例中选通电路的电路图； 图5为本实施例中放大电路的电路图； 图6为本实施例中互阻放大电路和第一数字电位器电路的电路图； 图7为本实施例中电压放大电路和第二数字电位器电路的电路图； 图8为本实施例中信号采集电路的电路图； 8 CN 111610229 A 说　明　书 5/12 页 图9为本实施例中通信模块的电路图； 图10为本实施例中设备端软件和电脑端软件的架构图； 图11为本实施例中重构图像显示流程图； 图12为本实施例中测量值的区域示意图； 图13为本实施例中截面含气率显示流程图； 图14为本实施例中一帧的数据投影示意图； 图15为本实施例中静态测量成像效果图； 图16为本实施例中在不同气泡尺寸下截面成像效果； 图中：1、主控模块，2、激励模块，2a、极性转化电路，2b、选通电路，2c、放大电路，3、 丝网传感器，4、接收模块，4a、互阻放大电路，4b、第一数字电位器电路，4c、电压放大电路， 4d、第二数字电位器电路，4e、信号采集电路，5、电源模块，6、通信模块，7、电脑端。