CN102411062B - 气液两相流的速度与气体含量的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液两相流的速度与气体含量的传感器。包括一个外形呈长圆柱形、测量端部呈圆锥台形状的测量探头、四个压力传感器、一个用于压力传感器的背压平衡器、三个导电电极、一个基于压力信号的电极对选择电路和数据采集管理系统。沿着测量探头中心轴线，在测量端有一个中心孔，沿着圆周方向均匀地分布着另外六个孔，中心孔和其中三个孔是压力孔，另外三个是电极孔。利用四个压力孔的压差值可以确定两相流体的三维流动速度和方向，同时利用导电电极可以测量两相流中气体的含量。

Description

气液两相流的速度与气体含量的传感器

技术领域

本发明涉及测量气液两相流的流动速度、方向和气体含量的测量工具，属于流体测量领域，是一种同时测量气液两相流的速度与气体含量的传感器。

背景技术

气液两相流的流动是工程上最常见的复杂现象，例如水轮机械中的转子周围的流动、输油管道中的流体的流动等等都是。设计、分析这类流体机械，需要两相流流场中的速度、压力，以及气液两相成分的含量等数据。目前已经开发出多种测量两相流流动速度和气、液各相含量的实验方法和工具。例如，粒子成像技术(PIV)、激光多普勒测速技术(LDV)、热膜测量技术、光纤测量技术等。但是这些实验设备不仅价格昂规，而且在应用上都一些局限性。例如，PIV和LDV仅能够适用于气体含量在10％以下的两相流；热膜测量在两相流标定上有困难，精度低；而光纤测量一般只能用于已知速度方向的前提下。一类使用压力传感器和导电电极同时测量两相流的速度与气体含量的方法是一种实用、有效、简便的技术。其基本原理是将多孔压力探头和导电电极制成一个整体的传感器，利用压力探头测量两相流的流速和方向，用导电电极测量气体的含量。但此项技术目前多见于气液两相流二维流速的测量。此外，因为一个整体的传感器的测量端需要包含同时测量两相流速度与气体含量的元器件，由于存在尺寸加工制造方面的困难，此类传感器的测量端的体积过大，无法保证测量的空间精度，对流场也有明显扰动。众所周知，大量流体机械，包括水轮机转子中的流动、燃油喷嘴中的流动等都是高度三维的流动，所以急需一种能够精确测量气液两相流的三维流动速度，同时能够精确测量气体含量的传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种气液两相流的速度与气体含量的传感器，它包括一个外形呈长圆柱形、端部呈圆锥台形状的测量探头、四个压力传感器、三个导电电极、一个基于压力信号的电极对选择电路和数据采集分析系统。上述测量探头的测量端，也就是外形呈圆锥台的一端，是多孔结构的。这些孔包括压力孔和电极孔。测量速度时，该传感器与多孔压力探头的工作原理一样，利用多个压力孔中的压差值可以确定流体的三维流动速度和方向。电极孔中安装金属导电电极，可以测量两相流中气体的含量。

本发明采用的技术方案：

本发明提出的气液两相流的速度与气体含量的传感器，包括外形是一种呈长圆柱形的、在其测量端端部呈圆锥台形状的测量探头，圆锥台外角在30°至45°之间。图1是传感器的测量探头的测量端的外观图。沿着测量探头的中心轴线，在测量端有一个中心孔，沿着圆周方向均匀地分布着另外六个周边孔，中心孔(也称作动压孔)和其中三个间隔120°的周边孔(也称作静压孔)是压力孔。另外三个周边孔是电极孔，间隔也是120°，与压力孔交错分布。图2传感器的测量探头测量端的顶视图；图3是图2的A_A剖视图。中心孔和其余三个压力孔通过柔性或刚性连接管与四个压力传感器相连。三个金属导电电极由绝缘塑料塞子固定在三个电极孔中，并与基于压力信号的电极对选择电路相连。电极伸出圆锥面表面，但不伸出过于测量探头的圆锥台顶部。测量时，将测量探头放入两相流流场中，通过三个静压孔和一个动压孔的三个压差值可以求得当地三维流动速度大小和方向。测量由三个导电电极中的两个组成的电极对的输出电压值的变化量可以得到两相流中的气体的含量。

测量探头的工作原理是，将测量探头测量端的压力孔和电极孔编号，编号策略如图4所示。三个编号为2，3，4的静压孔均匀地分布在编号为1的动压孔周围，可以在一定空间的范围内感受到不同的来流压力，利用四个压力孔的压差值可以获得三维速度分量。三个编号为E1，E2，E3的导电电极，连接到一个基于压力信号的电极对选择电路，其作用是根据测量过程中选择具有最大压力值的静压孔相邻的两个导电电极为一对可用电极对。例如，如果静压孔4中的压力值最大，说明流体主要是附着在孔4附近，与之最近的电极E1和E2被启用为电极对。如果动压孔中的压力在四个压力孔中最大，说明流动是沿着测量探头轴向而来，则随机选择两个电极为可用电极对。

使用该传感器之前，需要对其进行标定。需要获得四个压力孔的压力系数和三维流动方向的关系数据表，以及分别以E1和E2、E2和E3、E1和E3为电极对的输出电压值与气体含量之间的三条关系曲线。

测量时将测量探头的定向与标定时一致，压力孔和电极孔的编号与标定时一致。数据采集管理分析系统首先采样四个压力值，然后，启动基于压力信号的电极对选择电路，根据具有最大压力值的静压孔的编号，选择电极对。输出的压力系数和电极对的电压值通过对包含在数据采集分析系统中的传感器的标定结果进行插值运算，最终获得测量点的两相流的三维速度分量和气体成分的含量。

本发明的优点：

利用本发明提供的传感器可以直接测量气液两相流的流动状态，同时获得两相流的压力、三维速度分量和气液两相的含量之比等信息。本发明的传感器将多孔压力探头和金属电极紧凑地安置称为一个整体，保证了测量的空间精度，而且对流场扰动小、测量范围广、结构简单、易于制造、使用方便。可以用来测量一些流体机械，如水轮机转子周围的空气-水的两相流流动、输油管道中的两相流流动。

附图说明

图1测量探头的测量端的外观图；

图中，1 测量探头、2 塑料绝缘塞子、3 导电电极、4 动压孔，5 静压孔。

图2测量探头的测量端的顶视图；

图中，1 测量探头、2 塑料绝缘塞子、3 静压孔、4 动压孔、5 导电电极。

图3 图2的A_A剖视图；

图中，1 测量探头、2 塑料绝缘塞子、3 导电电极、4 动压孔、5 圆锥台外角、6 静压孔。

图4测量探头测量端的压力孔和电极孔的编号策略；

图中，1是E1、2是孔3、3是E2、4是孔1、5是孔4、6是E37、是孔2。

图5气-水两相流的成分与速度的传感器的结构方案图；

图中，1 测量探头、2 动压孔、3 静压孔、4 基于压力信号的电极对选择电路、5 导线、6 铂金导电电极、7 不锈钢连接管、8 四个压力传感器、9 压力传感器背压平衡器。

图6压力传感器背压平衡器的原理图。

图中，1 四个压力孔连接管、2 四个背压平衡管、3 提供水压的水头、5 四个流量计、4 电控节流阀。

具体实施方式

以一个具体实施方案进一步说明本发明的结构和原理。

具体是测量空气-水两相流的速度和空气含量的传感器。图5是气-水两相流的速度和空气含量的传感器的结构方案图。该传感器包括一个由不锈钢材料制成的、外形呈长圆柱形、其端部呈圆锥台形状的测量探头。其外观与图1所示一致。沿着测量探头的中心轴线，在测量端，也就是端部呈圆锥台形状的一端，有一个动压孔，沿着圆周方向均匀地分布着另外六个间隔60°的孔，其中三个是静压孔，三个是电极孔。静压孔和电极孔彼此交错分布。所有孔的直径为0.8mm至1mm，测量探头直径为5mm。意味着测量的空间精度为5mm，同时意味着在测量时需要假设在这个空间精度范围内，两相流是均质的。这样的结构使任意两个电极孔的中心距离不超过3mm。图2、图3也分别表示了这个具体实施方案中的测量探头测量端的顶视图以及A-A剖视图。此时，图3中圆锥台外角为30°。此角度过小会使动压孔和静压孔的压差值不明显，丧失测量精度，而过大会增大测量探头端部的体积，失去空间精度。本实施方案中，四个压力孔通过细不锈钢连接管接到远处的四个压力传感器。本实施方案不采用压力传感器和压力孔近距离相连的方法。因为那样必须将压力传感器包含在测量探头里，会使测量端体积过大，即使是体积微小的压力传感器，会使小尺度空间的测量无法进行。此外，本实施方案也不采用柔性连接管，以防止柔性连接管对压力传播的阻尼，是压力信号衰减。

三个铂金导电电极直径为0.4为mm，由绝缘塑料塞子固定在三个电极孔中，电极伸出圆锥表面，与探头的圆锥台顶部齐平。伸出的铂金电极可以接触到附着在测量探头测量端上的、来自任何方向的流体，因而，两相流中的空气会接触到电极，使电极的输出电压发生变化。电极的另一端与一个基于压力信号的电极对选择电路相连。

测量探头测量端的压力孔和电极孔的编号策略与图4一致。三个编号为2，3，4的静压孔均匀地分布在编号为1的动压孔周围，可以在感受到因来流方向不同而产生的不同压力。利用四个孔的压差值可以获得两相流三维速度分量。利用四孔、五孔、七孔的压差值获得单相流体的三维速度的方法是公知的，这里不再叙述。但针对这个两相流的压力测量的具体实施例子，需要对压力传感器和压力孔的连接作改进。因为压力孔和不锈钢金属连接管的直径都很细，两相流进入金属连接管后，如果两相流中空气的成分较多，空气气泡可能会在细管内聚集，或者粘连在壁面，甚至堵塞细管。这一切都会使两相流的压力测量失败。为解决上述问题，本发明提出一个压力传感器的背压平衡器，其原理图见图6。金属连接管在连接压力传感器时，同时接上另外四个背压平衡管，再连接四个流量计和电控节流阀，再连接到一个提供水压的水头。背压平衡管中的压力由节流阀和流量计控制。这样，金属连接管内始终充满已知压力的水，形成背压，使得来自测量探头测量端的两相流中的气泡不能进入连接管，保证了两相流压力的测量的可靠性。四个压力传感器感受到的是压力孔和静压孔内的动压和静压与背压平衡管中的背压的差，因而可以用和利用四孔的压差值获得单相流体的三维速度的同样的方法求得两相流的三维速度分量。背压平衡器在气体含量较大时使用。

三个编号为E1，E2，E3的导电电极，连接到一个基于压力信号的电极对选择电路，其作用是根据测量过程中选择具有最大压力值的静压孔相邻的两个导电电极为一对可用电极对。例如，如果静压孔4中的压力值最大，说明流体主要是附着在孔4附近，意味着两相流来流方向在孔4的方向倾斜，所以选择孔4最近的两个电极E1和E2，被启用为电极对。如果动压孔中的压力在四个压力孔中最大，说明流动是沿着测量探头的轴向而来，则随机选择两个电极为电极对。随后，电极对接入交流电。

数据采集分析系统在基于Windows XP系统下的LabView开发环境中运行的。硬件部分还包括信号放大器、模数转换器、数据采集板等。每个测量点的采样时间足够长以保证数据采集分析系统指挥运行基于压力信号的电极对选择电路。

使用该传感器之前，需要对其进行标定，获得四个压力孔的压力系数和流动方向(以绕测量探头轴向的转动角度α°和绕与测量探头轴线垂直的轴线的转动角度β°表示)的关系数据表，以及分别以E1和E2、E2和E3、E1和E3为电极对的输出电压值与气体含量(范围从5％至80％)之间的三条关系曲线。

将测量探头放入流场中，通过三个静压孔和动压孔的三个压差值可以求得当地三维两相流流动速度大小和方向；电极对的电压值变化量可以测量两相流中的空气成分的含量。

Claims (4)

1.一种气液两相流的速度与气体含量的传感器，包括一个外形呈长圆柱形、端部呈圆锥台形状的测量探头、四个压力传感器、一个压力传感器的背压平衡器、三个导电电极、一个基于压力信号的电极对选择电路，其特征在于：沿着所述的测量探头中心轴线，在测量探头呈圆锥台形状的一端，有一个中心孔作为动压孔，沿着圆周方向均匀地分布着三个间隔120°的静压孔和三个间隔也是120°的电极孔，动压孔和静压孔作为四个压力孔；其中测量探头上的四个压力孔通过柔性或刚性连接管分别与四个压力传感器相连；四个压力传感器再连接到所述的一个压力传感器的背压平衡器；所述的三个导电电极由绝缘塑料塞子分别固定在所述的电极孔中，并与所述的基于压力信号的电极对选择电路相连。

2.根据权利要求1所述的气液两相流的速度与气体含量的传感器，其特征在于：四个压力孔用于测量气液两相流的速度大小和方向，导电电极用于测量气液两相流中的气体含量。

3.根据权利要求1所述的气液两相流的速度与气体含量的传感器，其特征在于：所说的基于压力信号的电极对选择电路的作用是根据测量过程中四个压力孔中的压力值在三个导电电极中选择两个作为可用的电极对。

4.根据权利要求3所述的气液两相流的速度与气体含量的传感器，其特征在于：所述的基于压力信号的电极对选择电路具有接受来自所述的四个压力传感器的压力值的接口。

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