CN101603974A - 小管径管道两相流参数光学测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小管径管道两相流参数光学测量装置及方法。包括小管径管道、两片光电池、柱透镜、激光器、电流测量电路以及数据采集系统。激光器发射的光线经过柱透镜，透过小管径管道内两相流体，照射在光电池表面，光电池输出电流经过电流测量电路转换为电压信号并输入数据采集系统。利用两相弯曲界面使光路发生偏转的特性，根据光电池输出信号判断相界面两侧的相分布情况和两相流的流动方向等信息。本发明为解决小管径管道两相流参数测量问题提供了一条有效的途径，相应的装置具有结构简单、非侵入、对管道内流体无影响、成本低等优点，还可以与现有的两相流参数检测技术相结合，为小管径管道两相流其他参数测量提供有益的借鉴。

Description

小管径管道两相流参数光学测量装置及方法

技术领域

本发明属于两相流检测技术领域，尤其涉及一种小管径管道两相流参数光学测量装置及方法。

背景技术

多相流/两相流广泛存在于石油、化工、能源等领域之中，尤其是两相流更为普遍。随着工业生产设备的小型化和微型化，小管径管道两相流体系也逐渐出现在工业现场，对其进行参数检测和流动特性分析具有重要的研究意义，因此，小管径管道两相流参数检测成为多相流参数检测领域的一个新方向。由于小管径管道的通道水力直径较小，通道面积/容积比增大，以及表面张力的作用，小管径管道流体的流动特性有别于常规管道，很多常规管道广泛采用的参数检测方法不能应用于小管径管道参数的检测。目前，针对小管径管道参数检测的方法较少，主要有电容法、摄像法等。

光学法结构简单，具有成本低廉、非侵入等特点，广泛应用于常规管径两相流参数检测，对于毫米级小管径管道环境，光学法与互相关测速原理相结合，可以实现对两相流体速度的非侵入式测量，但对两相流的其他参数测量未见使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种小管径管道两相流参数光学测量装置及方法。

小管径管道两相流参数光学测量装置包括小管径透明测试管道、第一光电池、第二光电池、柱透镜、激光器、第一电流测量电路、第二电流测量电路、数据采集系统，在小管径透明测试管道一侧垂直依次放置柱透镜、激光器，在小管径透明测试管道另一侧在柱透镜、激光器光轴两侧，并排放置第一光电池、第二光电池，第一光电池经第一电流测量电路与数据采集系统连接，第二光电池经第二电流测量电路与数据采集系统连接。

小管径管道两相流参数光学测量方法包括如下步骤：

1)在小管径透明测试管道一侧垂直依次放置柱透镜、激光器，在小管径透明测试管道另一侧沿柱透镜、激光器光轴两侧，并排放置第一光电池、第二光电池，两个结构相同的光电池产生两路反映流体相分布信息的电流信号，分别由第一电流测量电路和第二电流测量电路将其转换为电压信号，并接入数据采集系统；

2)根据由步骤1)获得的电压差值S，公式如下：

S＝U₁-U₂

其中：

U₁——第一电流测量电路输出电压值

U₂——第二电流测量电路输出电压值；

3)如电压差值S为零，则小管径透明测试管道内为单一流动流体；如电压差值S不为零，则小管径透明测试管道内为流体1与流体2的相界面；

4)如电压差值S为零时，通过比较第一电流测量电路输出电压值U₁和第二电流测量电路输出电压值U₂大小，将小管径透明测试管道内为单一流动流体分为两种状态：状态1为流体1位于检测点处，状态2为流体2位于检测点处；

5)如电压差值S不为零时，根据电压差值S的正、负将小管径透明测试管道内相界面两侧的介质分布状态分为两种：状态1为流体1、流体2分别位于相界面左、右侧，状态2为流体2、流体1分别位于相界面左、右侧；

6)如电压差值S不为零时，根据电压差值S在相同情况下出现大小极点的不同顺序，将小管径透明测试管道内流体的流动方向分为两种情况：情况1为沿管道轴线自左向右，情况2为沿管道轴线自右向左。

本发明以光电池为检测元件，利用段塞流的两相弯曲界面使光路发生偏转的特性，实现了小管径管道两相流参数检测，具有非侵入性、可靠性好、成本低等优点，与现有的小管径管道两相流光学检测法相比，提供了更丰富的两相流参数信息，并且可以与其他的两相流参数检测技术相结合，为小管径管道两相流参数检测提供有益的借鉴。

附图说明

图1是小管径管道两相流参数光学测量装置结构示意图；

图2(a)是流体1位于激光检测点处光路示意图；

图2(b)是流体2位于激光检测点处光路示意图；

图3(a)是状态1相界面位于激光检测点处光路示意图；

图3(b)是状态1相界面位于激光检测点处小管径管道内光路变化示意图；

图4(a)是状态2相界面位于激光检测点处光路示意图；

图4(b)是状态2相界面位于激光检测点处小管径管道内光路变化示意图；

图5(a)～(d)是相界面经过检测点时光路变化对比图；

图6是小管径管道两相流参数光学测量方法工作步骤方框图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于光学原理的测量方案，设计出一套装置，包含小管径透明测试管道，两片光电池、柱透镜、激光器、电流测量电路以及数据采集系统。以小管径管道内常见的段塞流为研究对象，利用两相弯曲界面使光路发生偏转的特性，以光电池输出电流的变化为依据，实现对毫米级小管径管道两相流参数的检测。

如图1所示，小管径管道两相流参数光学测量装置包括小管径透明测试管道3、第一光电池4、第二光电池5、柱透镜2、激光器1、第一电流测量电路6、第二电流测量电路7、数据采集系统8，在小管径透明测试管道一侧垂直依次放置柱透镜、激光器，其至小管径透明测试管道的距离分别为180mm和250mm，在小管径透明测试管道另一侧在柱透镜、激光器光轴两侧，并排放置第一光电池、第二光电池，两者之间的距离为0.05mm，第一光电池经第一电流测量电路与数据采集系统连接，第二光电池经第二电流测量电路与数据采集系统连接。激光器产生的是点光源，输出光经过柱透镜以后形成一束垂直于小管径管道轴线的线光源，线激光经过透明小管径管道照射在光电池表面。

如图2所示，由于光在同一种介质内沿直线传播，入射激光照射在两片光电池的中间缝隙处，输出电压信号近似相等，故输出电压差值S＝0，因此可以判断当前位于激光检测点处的流体为单一流体。由于充满管道的不同介质对经过其中的光线折射程度不同，所以，当流体1和流体2分别位于激光检测点处时，光电池的输出电压大小不同。

图3(a)是状态1相界面位于激光检测点处光路示意图，即在检测点左侧是流体1，检测点右侧是流体2，假设流体2的折射率大于流体1的折射率，如流体1为空气，流体2为水，根据光的折射定律可知，激光经过小管径透明测试管道的光路情况如图3(b)所示，则激光将偏向2号光电池，2号光电池输出电压大于1号光电池输出电压，即U₂＞u₁，由S＝U₁-U₂可知，S＜0。

图4(a)是状态2相界面位于激光检测点处光路示意图，即在检测点左侧是流体2，检测点右侧是流体1，假设流体2的折射率大于流体1的折射率，如流体1为空气，流体2为水，根据光的折射定律可知，激光经过小管径透明测试管道的光路情况如图4(b)所示，则激光将偏向1号光电池，1号光电池输出电压大于2号光电池输出电压，即U₁＞U₂，由S＝U₁-U₂可知，S＞0。

两相流体在小管径管道内流动的过程中，入射光线从两片光电池的中间位置偏向其中一块光电池，然后重新偏回两片光电池的中间位置，S的绝对值会出现两个大小不同的极值，因此可根据两个极值出现的不同顺序判断两相流的流动方向。

光线开始偏向一片光电池时，由于该光电池输出电压增大，另外一片光电池输出电压减小，所以S绝对值增大，由于光电池的尺寸限制，随着光线偏转角度的增大，少量光线照在光电池外部，导致S绝对值减小，因此，S曲线出现第一个极值，当管径内检测点位置的较大折射率的流体增多时，光电池输出电压受到流体对光线的折射程度的影响，随着较大折射率流体比重的增加，尽管存在光线照在光电池外部的情况，S的绝对值也会增大，当相界面全部通过检测点以后S＝0，因此，曲线出现第二个极值。如图5所示，(a)(d)状态下S的绝对值极值大小相同，(b)(c)状态下S的绝对值极值大小相同，由于流动方向不同，两种状态出现的先后顺序不同，因此，两个极值出现的顺序不同，据此可以判断两相流的流动方向。

如图6所示，小管径管道两相流参数光学测量方法包括如下步骤：

1)在小管径透明测试管道3一侧垂直依次放置柱透镜2、激光器1，在小管径透明测试管道另一侧沿柱透镜、激光器光轴两侧，并排放置第一光电池4、第二光电池5，两个结构相同的光电池产生两路反映流体相分布信息的电流信号，分别由第一电流测量电路6和第二电流测量电路7将其转换为电压信号，并接入数据采集系统8；

2)根据由步骤1)获得的电压差值S，公式如下：

S＝U₁-U₂

其中：

U₁——第一电流测量电路输出电压值

U₂——第二电流测量电路输出电压值；

3)如电压差值S为零，则小管径透明测试管道内为单一流动流体；如电压差值S不为零，则小管径透明测试管道内为流体1与流体2的相界面；

4)如电压差值S为零时，通过比较第一电流测量电路输出电压值U₁和第二电流测量电路输出电压值U₂大小，将小管径透明测试管道内为单一流动流体分为两种状态：状态1为流体1位于检测点处，状态2为流体2位于检测点处；

5)如电压差值S不为零时，根据电压差值S的正、负将小管径透明测试管道内相界面两侧的介质分布状态分为两种：状态1为流体1、流体2分别位于相界面左、右侧，状态2为流体2、流体1分别位于相界面左、右侧；

6)如电压差值S不为零时，根据电压差值S在相同情况下出现大小极点的不同顺序，将小管径透明测试管道内流体的流动方向分为两种情况：情况1为沿管道轴线自左向右，情况2为沿管道轴线自右向左。

现己针对空气-水两相流在内径为2mm、3mm和4mm的水平管上进行了试验，利用本发明中所提及的装置及方法，对不同流速的段塞流进行参数检测，取得了良好的效果。

Claims (2)

1.一种小管径管道两相流参数光学测量装置，其特征在于：包括小管径透明测试管道(3)、第一光电池(4)、第二光电池(5)、柱透镜(2)、激光器(1)、第一电流测量电路(6)、第二电流测量电路(7)、数据采集系统(8)，在小管径透明测试管道一侧垂直依次放置柱透镜、激光器，在小管径透明测试管道另一侧沿柱透镜、激光器光轴两侧，并排放置第一光电池、第二光电池，第一光电池经第一电流测量电路与数据采集系统连接，第二光电池经第二电流测量电路与数据采集系统连接。

2.一种使用如权利要求1所述装置的小管径管道两相流参数光学测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在小管径透明测试管道(3)一侧垂直依次放置柱透镜(2)、激光器(1)，在小管径透明测试管道另一侧沿柱透镜、激光器光轴两侧，并排放置第一光电池(4)、第二光电池(5)，两个结构相同的光电池产生两路反映流体相分布信息的电流信号，分别由第一电流测量电路(6)和第二电流测量电路(7)将其转换为电压信号，并接入数据采集系统(8)；

2)根据由步骤1)获得的电压差值S，公式如下：

S＝U₁-U₂

其中：

U₁——第一电流测量电路输出电压值

U₂——第二电流测量电路输出电压值；

3)如电压差值S为零，则小管径透明测试管道内为单一流动流体；如电压差值S不为零，则小管径透明测试管道内为流体1与流体2的相界面；

4)如电压差值S为零时，通过比较第一电流测量电路输出电压值U₁和第二电流测量电路输出电压值U₂大小，将小管径透明测试管道内的单一流动流体分为两种状态：状态1为流体1位于检测点处，状态2为流体2位于检测点处；

5)如电压差值S不为零时，根据电压差值S的正、负将小管径透明测试管道内相界面两侧的介质分布状态分为两种：状态1为流体1、流体2分别位于相界面左、右侧，状态2为流体2、流体1分别位于相界面左、右侧；

6)如电压差值S不为零时，根据电压差值S在相同情况下出现大小极点的不同顺序，将小管径透明测试管道内流体的流动方向分为两种情况：情况1为沿管道轴线自左向右，情况2为沿管道轴线自右向左。

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