基于权函数的流速剖面电磁感应测量原理与关键技术

多相流流速剖面的精确测量涉及电磁场、流体力学、过程层析成像PT技术、信号分析与处理和反求算法等交叉学科。多相流导电连续相流速场测量的基础是权函数（流动区域内某一点的流速对电极对间感应电压的影响程度）。当电极对处于管道圆周上的任意位置时，国内外对权函数求解方法的研究还没有取得明显进展，本项目将采用理论解析、数值仿真和实验验证的方法对权函数进行研究。基于此，应用电磁感应的基本原理，采用多对电极，把流动横截面划分成一系列的像素，测量求解管道横截面上的流速剖面（包括严重非对称流速分布），其中，病态条件下的流速反求算法是高分辨率流速剖面测量的难点。同时，将对励磁方式、磁场分布和电极的空间布局及其流速剖面成像器的结构进行研究。最后将在直管和斜管（80mm内径）中建立多相流实验环境，验证导电连续相流速剖面的的测量精度。研究成果可应用在石油开采、化工过程监测、核能监测和医疗领域人体血管流速的测量。

在测量流速分布高度不均衡的单相流的导电液体或测量气-水、油-水和固体-水等工业多相流中连续相水流动情况时，需要测量流动横截面上的局部轴向流速，根据法拉第电磁感应定律和权函数理论，本项目研究并实施了流速剖面的反求理论和技术。主要研究内容有：用COMSOL建立了电磁流量计的仿真模型；对权函数进行了理论求解和通过COMSOL仿真模型的仿真求解，并进行了比较；设计并制作完成了电磁流量计的原型样机；通过计算电极对间的感应电压对电磁流量计的仿真权函数值进行了验证；使用直流电源，并通过Labjack控制固态继电器实现了对线圈的三值方波励磁；设计了信号检测电路并获得了成功应用；用Matlab开发了进行软件滤波的信号处理软件；使用电磁流量计原型样机，在垂直管道、倾斜管道（仅含水无流速生成器、仅含水有流速生成器、水中含固体颗粒）进行了实验；设计了Tikhonov流速反求算法，获得了所设计的电磁流量计原型样机在各种流动情况下的流速剖面；用所设计的电磁流量计所获得的流速剖面与通过皮托管测量的流速剖面进行了比较。项目研究证明了权函数理论可以成功应用在多相流导电连续相流速剖面的测量。本研究成果不但可以应用于传统工业多相流流速剖面的测量，在石油开采、化工过程监测、核能监测和医疗领域也具有广阔的市场前景。