CN102095749A - 基于热式测量方法的微管道气液两相流参数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热式测量方法的微管道气液两相流参数测量装置与方法，涉及两相流参数检测。包括测量微管道、温度传感器、信号调理电路、数据采集系统以及计算机。温度传感器分别安装在测量管壁外绝缘层的四个位置，第一热电阻用于测量未加热前流体温度，第二热电阻用于加热并测量流体温度，第三和第四热电阻测量经过加热后的流体温度。第三和第四热电阻用于相关运算，得到流速信息；第一和第二热电阻与外电路组成恒温差测量电路，通过对信号进行分析得到空隙率信息；最后经过推导得出两相的体积流量。本发明为解决微型管道内气液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、成本低等优点，为两相流的测量提供了丰富的参数信息。

Description

基于热式测量方法的微管道气液两相流参数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及两相流检测技术领域，尤其涉及一种基于热式测量方法的微管道气液两相流参数测量装置及方法。

背景技术

两相流广泛存在于石油、化工、能源等领域之中，气液两相流作为一种典型的两相流动现象，在自然界和工业生产中普遍存在。随着生产设备制造的进步，微系统更多地出现，物理尺寸的减小而形成的微系统具有空间小、质量能量消耗少以及响应时间短等优点，因而微管道两相流也更多地出现在生产过程中。由于微管道下，水力直径减小，通道面积/容积比增大，表面张力作用明显，使得微管道有别于常规管道情形，很多常规管道广泛采用的参数检测方法不能应用于微管道下。目前应用于微管道的参数测量方法较少，主要有光学法和摄像法。

热式测量方法是一种基于热传递原理的直接式测量方法，以压损低、精度高等优点而在流体流量的测量中得到广泛的应用。很早已有应用于常规管道的单相流热式仪表问世，当前产品主要测量气体，应用于液体测量的多为微小流量测量。但对于微管环境下的两相流参数测量却鲜有相关研究。

本发明针对当前微管内气液两相流参数检测的发展现状，提出基于热式测量方法的两相流参数检测方案，设计出一套装置，包括测量管道、温度传感器、信号调理电路、数据采集系统和计算机。为了不破坏两相流的流动特性，本发明采用非接触式测量，可以实现对微小型管道内一定流量范围下气液两相流参数的测量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种微管道气液两相流参数测量装置与方法。

基于热式测量方法的微管道气液两相流参数测量装置包括测量微管道、第一热电阻温度传感器、第二热电阻温度传感器、第三热电阻温度传感器、第四热电阻温度传感器、恒温差测量电路、第三热电阻温度电压转换电路、第四热电阻温度电压转换电路、数据采集系统和计算机；测量微管道上依次安装有第一热电阻温度传感器、第二热电阻温度传感器、第三热电阻温度传感器、第四热电阻温度传感器，第一热电阻温度传感器、第二热电阻温度传感器与恒温差测量电路连接，第三热电阻温度传感器与第三热电阻温度电压转换电路连接，第四热电阻温度传感器与第四热电阻温度电压转换电路连接，恒温差测量电路、第三热电阻温度电压转换电路、第四热电阻温度电压转换电路连接到数据采集系统，数据采集系统最后连接至计算机。

基于热式测量方法的微管道气液两相流测量方法包括如下步骤：

1)通过第三热电阻温度电压转换电路得到温度信号U_f，通过第四热电阻温度电压转换电路得到温度信号U_b，通过恒温差测量电路得到加热电流I，将信号经由数据采集系统送至计算机；

2)对两组温度电压转换电路得到的温度信号U_f、U_b进行归一化和去均值处理，对处理后的规范化信号E_x1、E_x2进行互相关处理，互相关处理的公式如下：

$R_{E_{x1}{E}_{x2}}\left(j\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{x1}\left(n\right)E_{x2}(n+j),j=\mathrm{1,2,3}......,J$

其中：

N为用于互相关计算的采样点的个数

E_x1、E_x2为规范化信号

根据互相关处理结果的函数峰值位置确立信号的渡越时间τ，公式如下：

τ＝KΔt，

其中：

K为互相关函数峰值对应的信号滞后点数

Δt为采样间隔

根据信号的渡越时间τ和两个温度传感器的中心间距L，确定微型管道内气液两相流体的速度v，公式如下：

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}};$

3)设定体积空隙率β，建立体积空隙率β与流速v、加热电流I的软测量模型。从而，在应用中通过该模型计算体积空隙率的估计值β。

4)根据由步骤2)得到的两相流速度v和步骤3)得到的空隙率β，确定两相的分相体积流量，公式如下：

V_g＝Avβ

V_w＝Av(1-β)

其中：

V_g为气体体积流量

V_w为液体体积流量

A为管道截面积。

本发明将单相仪表中成熟的热式检测方法，应用于微管气液两相流参数检测，可用于微管道内气液两相流下空隙率、流速及分相体积流量的测量，相应的装置具有结构简单、非侵入、成本低等优点，为两相流的测量提供了丰富的参数信息。

附图说明

图1是基于热式测量原理的微管道气液两相流参数测量装置的结构示意图；

图2是热电阻温度传感器结构图；

图3是温度电压转换电路示意图；

图4是恒温差测量电路示意图；

具体实施方式

如图1、2所示，基于热式测量方法的微管道气液两相流参数测量装置包括测量微管道1、第一热电阻温度传感器2、第二热电阻温度传感器3、第三热电阻温度传感器4、第四热电阻温度传感器5、恒温差测量电路6、第三热电阻温度电压转换电路7、第四热电阻温度电压转换电路8、数据采集系统9和计算机10；测量微管道1上依次安装有第一热电阻温度传感器2、第二热电阻温度传感器3、第三热电阻温度传感器4、第四热电阻温度传感器5，第一热电阻温度传感器2、第二热电阻温度传感器3与恒温差测量电路6连接，第三热电阻温度传感器4与第三热电阻温度电压转换电路7连接，第四热电阻温度传感器5与第四热电阻温度电压转换电路8连接，恒温差测量电路6、第三热电阻温度电压转换电路7、第四热电阻温度电压转换电路8连接到数据采集系统9，数据采集系统9最后连接至计算机10。

基于热式测量方法的微管道气液两相流测量方法包括如下步骤：

1)通过第三热电阻温度电压转换电路得到温度信号U_f，通过第四热电阻温度电压转换电路得到温度信号U_b，通过恒温差测量电路得到加热电流I，将信号经由数据采集系统送至计算机；

2)对两组温度电压转换电路得到的温度信号U_f、U_b进行归一化和去均值处理，对处理后的规范化信号E_x1、E_x2进行互相关处理，互相关处理的公式如下：

$R_{E_{x1}{E}_{x2}}\left(j\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{x1}\left(n\right)E_{x2}(n+j),j=\mathrm{1,2,3}......,J$

其中：

N为用于互相关计算的采样点的个数

E_x1、E_x2为规范化信号

根据互相关处理结果的函数峰值位置确立信号的渡越时间τ，公式如下：

τ＝KΔt，

其中：

K为互相关函数峰值对应的信号滞后点数

Δt为采样间隔

根据信号的渡越时间τ和两个温度传感器的中心间距L，确定微型管道内气液两相流体的速度v，公式如下：

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}};$

3)设定体积空隙率β，建立体积空隙率β与流速v、加热电流I的软测量模型。从而，在应用中通过该模型计算体积空隙率的估计值β。

4)根据由步骤2)得到的两相流速度v和步骤3)得到的空隙率β，确定两相的分相体积流量，公式如下：

V_g＝Avβ

V_w＝Av(1-β)

其中：

V_g为气体体积流量

V_w为液体体积流量

A为管道截面积。

本发明提出了一种基于热式测量方法的两相流参数检测方案，设计出一套装置，包括测量微管道、温度传感器、信号调理电路、数据采集系统和计算机。以微管道内的气液两相流为研究对象，利用恒温差热式测量原理和相关测量技术实现对气液两相流参数的检测。

如图1所示，基于热式测量原理的微管道气液两相流参数测量装置包括测量微管道1、第一热电阻温度传感器2、第二热电阻温度传感器3、第三热电阻温度传感器4、第四热电阻温度传感器5、恒温差测量电路6、第三热电阻温度电压转换电路7、第四热电阻温度电压转换电路8、数据采集系统9和计算机10。热电阻均由缠绕在管道外壁绝缘层上的铂金属丝制成，经导线连接至外电路，第一热电阻用于测量未加热前流体温度，第二热电阻用于加热并测量流体温度，第三和第四热电阻测量经过加热后的流体温度。为防止受外界环境的影响，将传感器都封闭在一个密闭的腔室中。

如图2所示，在不锈钢测量微管道外壁的绝缘层上依次安装四个热电阻温度传感器，其中第一热电阻温度传感器安装在管道的上游，第二热电阻温度传感器安装在下游离第一热电阻较远处，使第一热电阻温度传感器不受第二热电阻温度传感器加热的影响，第三热电阻温度传感器安装在距第二热电阻温度传感器下游不远处，第四热电阻温度传感器安装在第三热电阻下游，两者间隔距离为L。

如图3所示，第三热电阻温度电压转换电路和第四热电阻温度电压转换电路结构相同，均由惠斯通电桥和仪表放大器组成，热电阻为惠斯通电桥的一个桥臂，其它三个桥臂由精密电阻组成。电桥的输出与仪表放大器相连接，仪表放大器的输出连接至数据采集系统。

两个热电阻温度传感器获得反映气液两相流波动信息的温度信号，经温度电压转换后通过数据采集系统送至计算机内，用于相关运算，计算流体流动速度。

如图4所示，恒温差测量电路由惠斯通电桥、仪表放大器、比例积分控制电路、差分比例运算电路组成。其中第一热电阻R_w和第二热电阻R_h分别组成惠斯通电桥的两个桥臂，另两个桥臂由精密电阻R组成。电桥的输出与仪表放大器相连，仪表放大器的输出与比例积分控制电路相连接，控制电路的输出反馈到输入端作为惠斯通电桥的输入电压，差分比例电路输入端连接至电桥中与第二热电阻相连的精密电阻两端，其输出电压反映通过第二热电阻的加热电流，差分比例电路的输出电压连接至数据采集系统。

根据热扩散原理，加热物体被流体带走的热量同加热物体与流体的温差、流体的流速以及流体的性质有关。加热物体被带走的热量与加热电流有关；本发明应用的是恒温差式测量方法，温差为恒定值；流体的流速可以通过相关运算得出；单相流条件下流体性质一致，气液两相流情况下流体性质与体积空隙率有关。因此，加热电流与流体流速及体积空隙率相关。设定体积空隙率，通过大量实验测量加热电流，并计算流速，建立体积空隙率与加热电流和流速的软测量模型，从而在应用中通过该模型得到体积空隙率的估计值。最后，根据流速、体积空隙率、截面积可以得到两相流的分相体积流量。

Claims (2)

1.一种基于热式测量方法的微管道气液两相流参数测量装置，其特征在于：包括测量微管道(1)、第一热电阻温度传感器(2)、第二热电阻温度传感器(3)、第三热电阻温度传感器(4)、第四热电阻温度传感器(5)、恒温差测量电路(6)、第三热电阻温度电压转换电路(7)、第四热电阻温度电压转换电路(8)、数据采集系统(9)和计算机(10)；测量微管道(1)上依次安装有第一热电阻温度传感器(2)、第二热电阻温度传感器(3)、第三热电阻温度传感器(4)、第四热电阻温度传感器(5)，第一热电阻温度传感器(2)、第二热电阻温度传感器(3)与恒温差测量电路(6)连接，第三热电阻温度传感器(4)与第三热电阻温度电压转换电路(7)连接，第四热电阻温度传感器(5)与第四热电阻温度电压转换电路(8)连接，恒温差测量电路(6)、第三热电阻温度电压转换电路(7)、第四热电阻温度电压转换电路(8)连接到数据采集系统(9)，数据采集系统(9)最后连接至计算机(10)。

2.一种使用如权利要求1所述装置的基于热式测量方法的微管道气液两相流测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)通过第三热电阻温度电压转换电路得到温度信号U_f，通过第四热电阻温度电压转换电路得到温度信号U_b，通过恒温差测量电路得到加热电流I，将信号经由数据采集系统送至计算机；

2)对两组温度电压转换电路得到的温度信号U_f、U_b进行归一化和去均值处理，对处理后的规范化信号E_x1、E_x2进行互相关处理，互相关处理的公式如下：

$R_{E_{x1}{E}_{x2}}\left(j\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{x1}\left(n\right)E_{x2}(n+j),j=\mathrm{1,2,3}......,J$

其中：

N为用于互相关计算的采样点的个数

E_x1、E_x2为规范化信号

根据互相关处理结果的函数峰值位置确立信号的渡越时间τ，公式如下：

τ＝KΔt，

其中：

K为互相关函数峰值对应的信号滞后点数

Δt为采样间隔

根据信号的渡越时间τ和两个温度传感器的中心间距L，确定微型管道内气液两相流体的速度v，公式如下：

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}};$

3)设定体积空隙率β，建立体积空隙率β与流速v、加热电流I的软测量模型。从而，在应用中通过该模型计算体积空隙率的估计值β。

4)根据由步骤2)得到的两相流速度v和步骤3)得到的空隙率β，确定两相的分相体积流量，公式如下：

V_g＝Avβ

V_w＝Av(1-β)

其中：

V_g为气体体积流量

V_w为液体体积流量

A为管道截面积。

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