[發明專利]一種適用于開域流場的氣液兩相流測量裝置及方法

在審

• 申請號: 202111545763.0
• 申請日: 2021-12-16
• 公開（公告）號: CN114216933A
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 孫江濤;申夢嫻;白旭;徐立軍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N27/02
• 分類號: G01N27/02
• 代理公司: 北京鑫瑞森知識產權代理有限公司 11961
• 代理人: 代芳

1.一種適用于開域流場的氣液兩相流測量裝置，其特征在于，包括：電極傳感模塊、激勵測量模塊以及計算機，所述電極傳感模塊包括水下模型以及設置在水下模型表面的傳感電極陣列，所述激勵測量模塊包括微處理器以及與微處理器電性連接的多路轉換開關、恒流源和多路A-D轉換器，所述傳感電極陣列經導線與多路轉換開關連接，多路轉換開關通過放大濾波模塊與多路A-D轉換器對應連接，所述恒流源與多路轉換開關連接，用于提供激勵電源；所述微處理器通過無線通信模塊與所述計算機無線通信連接。

2.根據權利要求1所述的適用于開域流場的氣液兩相流測量裝置，其特征在于，所述水下模型設計為水下航行體形狀，呈內部為空腔的圓柱體，所述水下模型的圓周面均勻設置有多個凹槽，用于放置所述傳感電極陣列，所述激勵測量模塊設置在所述空腔內。

3.根據權利要求2所述的適用于開域流場的氣液兩相流測量裝置，其特征在于，所述傳感電極陣列包括多個電極，所述電極采用“T”型結構，其頂端采用具有弧狀結構的正方形，所述“T”型結構嵌入所述凹槽。

4.根據權利要求3所述的適用于開域流場的氣液兩相流測量裝置，其特征在于，所述電極沿所述水下模型的軸向設置有多層，相鄰兩層的間距為水下模型直徑的1/5。

5.根據權利要求4所述的適用于開域流場的氣液兩相流測量裝置，其特征在于，每層電極數目為8、12或16個，并在所述水下模型的周向上均勻分布。

6.一種適用于開域流場的氣液兩相流測量方法，其特征在于，應用于權利要求1-5任一所述的適用于開域流場的氣液兩相流測量裝置，包括以下步驟：

S1，基于場域電導率分布與對邊界電勢存在映射關系，水下模型表面的傳感電極陣列將氣液分布信息轉換為可反映流場分布的電壓信號；

S2，激勵測量模塊用于控制激勵方式及電極電壓采集：傳感電極陣列經導線與多路轉換開關連接，由微處理器控制恒流源產生正弦電流信號，并通過控制多路轉換開關選通激勵電極對；與此同時，微處理器利用轉換開關選通測量電極對，利用差分方法測量選通電極間的電壓信號，經放大、濾波處理，利用多路A-D轉換器對測量信號進行采樣，并將其傳輸至微處理器，微處理器進行存儲，并通過無線傳輸的方式將采集的電壓信號上傳至計算機進行處理及重建；

S3，計算機采用數字解調的方式對接收到的電壓信號進行解調處理，得到傳感電極陣列的阻抗信息；

S4，在得到傳感電極陣列的阻抗信息后，為重建待測近表面電導率分布，首先建立正向模型，獲得場域電勢分布與邊界電壓值之間的映射關系；之后利用測量的電極電壓數據結合該映射關系，通過反演方法重建待測近表面電導率分布。

7.根據權利要求6所述的適用于開域流場的氣液兩相流測量方法，其特征在于，所述步驟S3中，計算機采用數字解調的方式對接收到的電壓信號進行解調處理，得到傳感電極陣列的阻抗信息，具體包括：

利用一個余弦序列和一個正弦序列作為參考信號和正交參考信號，通過與被測電極電壓信號的離散采樣值進行運算，解調出測量電極上電壓信號的幅值、相位信息如下：

其中，u_k為第k個采樣值，N為一個信號周期的采樣數，n為倍頻分量，則被解調信號幅值信息為：

相角信息為：

8.根據權利要求7所述的適用于開域流場的氣液兩相流測量方法，其特征在于，所述步驟S4中，正向模型表示為

其中，為場域電勢分布；

并根據不同激勵條件下電流線分布及場域測量范圍確定虛擬邊界，該虛擬邊界將開放性電磁場邊值問題轉化為封閉型電磁場邊值問題，從而直接求解。