CN102288356B - 一种气液两相流相间作用力定量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明所公开了一种气液两相流相间作用力定量检测装置，它包括有管形电容传感器、阻抗测试仪、数据采集单元、数据处理器；其中管形电容传感器的主体为绝缘管，该主体的中部外包有外电极，外电极通过阻抗测试仪与数据采集单元、数据处理器连接；在主体的一个侧面上对称设置有四个与主体轴线相垂的测压孔，其外端口连接有差压变送器，差压变送器通过信号输出端与数据采集单元、数据处理器相连接。本发明装置为在线测量气液两相流相间作用力提供了技术支持，也为揭示气液两相流动特性及流型演变提供了有价值的参考数据。

Description

一种气液两相流相间作用力定量检测装置

所属领域

本发明涉及物理测量装置，具体地说是一种检测气液两相流相间作用力的定量测量装置。

背景技术

气液两相流动因其流型复杂导致两相流流动数据检测方法的稳定性差、准确性低。目前气液两相流检测的各种方法均处于不断探索与完善的过程中。气液两相流的相间作用力是气液两相截面特性变化及流型演化的动因，因而在气液两相流检测的研究中越来越受到关注。目前还未见专门针对气液两相流相间作用力的检测装置。由于对相间作用力大小的测量缺少直接、有效的手段，故在现有技术中气液两相流相间作用力的大小只能借助压力或差压信号来间接体现。然而，传统压力测试方法所测量的沿流向的压降信息通常是将相间作用力、摩阻压降、加速压降耦合混在一起，因此很难准确体现气液两相流相间作用力的相关信息。所以现有气液两相流检测技术研究中通常忽略气液两相流相间作用力或者仅对其进行简单定性分析。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种气液两相流相间作用力定量检测装置，以为研究、测量气液两相流相间作用力提供技术支持。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

本发明所提供的气液两相流相间作用力定量检测装置，它包括有管形电容传感器、阻抗测试仪、数据采集单元、数据处理器；其中管形电容传感器的主体为绝缘管，该主体的中部外包有外电极，外电极通过阻抗测试仪与数据采集单元、数据处理器连接；在主体的一个侧面上对称设置有四个与主体轴线相垂的测压孔，其外端口连接有差压变送器，差压变送器通过信号输出端与数据采集单元、数据处理器相连接。

本发明所提供的气液两相流相间作用力定量检测装置在使用时，将管形电容传感器放置水平放置，其入口和出口均通过法兰8外接到需要测量两相流量的管道上，此时管段中的导电液体介质即可作为内电极，从而有效消除了管段内电极板对流型所造成的影响；垂直于水流方向的测压孔设计，消除了传统差压测量方法所导致的测量误差。

本发明装置由于能够获得更为准确的重位压差信号及电容值，进而求得气液两相流相间作用力的实际数据，由此完善了气液两相流的相关检测技术，为在线测量气液两相流相间作用力提供了技术支持，也为揭示气液两相流动特性及流型演变提供了有价值的参考数据。

本发明装置根据电容值及重位压降信号可直接得到气液两相流相间作用力，可以测量从分层流开始，气相对液相的相间作用力及其变化，直至环雾状流。其为两相流参数检测提供了一种新的技术手段。本发明装置是通过对垂直于水平流向的重位差压信号及两相流截面含气率进行两相的测量的，其在进行检测时无须对两相流进行分离，亦无须采用混合器，因而实施起来简单、方便。

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明具体实施例的结构示意图。

图3是本发明又一具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明装置如图1所示，包括有管形电容传感器（管径为D）、阻抗测试仪5、数据采集单元6、数据处理器7；其中管形电容传感器的主体1可以为方形绝缘管，其边长为D₁（如图2），也可以是圆形绝缘管,内径为D₂（如图3）。该主体1的中部外包有外电极4，外电极4通过阻抗测试仪5与数据采集单元6、数据处理器7连接。其中阻抗测试仪5可采用市售产品（如6位半阻抗测试仪）；数据采集单元6可采用16位数据采集卡；数据处理器7可采用普通计算机。在主体1的一个侧面上对称设置有四个与主体轴线相垂的测压孔（3a、3b、3c、3d），其外端口连接有差压变送器2，差压变送器2通过信号输出端与数据采集单元6、数据处理器7相连接。其中的差压变送器2可选用市售产品（如0-100kPa、0.1%的差压变送器）。

为了进一步解决流型复杂所导致的两相流流动数据检测方法稳定低差、准确性差的问题，对于主体1为方形绝缘管的电容传感器，所述的测压孔设置在紧靠方形管段的上、下管壁的内侧（即测压孔在管段内壁的切线方向），测压孔的内端口位于管段的中轴线x上；对于主体1为圆形绝缘管的电容传感器，所述的测压孔紧靠圆形管段的顶部、底部管壁的内侧，测压孔的内端口位于圆形管段的中心轴线y上，每个测压孔采用圆形、管段内壁内外对称结构。如此可使测压孔由管段外壁延伸至管段内壁并处于过介质流动断面的上下两侧中心位置。

所述的四个测压孔（3a、3b、3c、3d），其相邻两个测压孔完全是一种对称结构，其轴心均在平行线上，由此可进一步保证测压的一致性。具体设计如图1所示，测压孔3a、测压孔3c距电容传感器的入口端1.8D，测压孔3b、测压孔3d距电容传感器的出口端1.8D，由此形成对称结构。

本发明装置的具体工作过程及测量原理如下：

将装置中的管形电容传感器水平放置，其入口和出口均通过法兰外接到需要测量两相流量的管道上，此时通入绝缘管（主体1）中的液体介质即可作为内电极，绝缘管外壁包覆的电极为外电极4。阻抗测试仪5通过电容传感器测得电容值，通过计算获得截面含气率模型，

其计算公式为：

主体1为方形绝缘管的电容传感器，按照

${\mathrm{\α}}_g=\frac{A_g}{A}=\frac{H-h_g}{H}=1-\frac{d}{2\mathrm{\ϵl}}\·C$ 计算。

主体1为圆形绝缘管的电容传感器，按照

$A_g=\left\{\begin{array}{c}\frac{(2\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\π}{R_1}^2+\frac{1}{2}{R_1}^2\sin \mathrm{\θ}......\mathrm{\θ}\≤\mathrm{\π}\\ \frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\π}{R_1}^2-\frac{1}{2}{R_1}^2\sin \mathrm{\θ}...............\mathrm{\θ}>\mathrm{\π}\end{array}\right.,$ ${\mathrm{\α}}_g=\frac{A_g}{A}$ 计算。

在上述公式中，A_g为气相所占管段截面积，A为绝缘管截面积，d为管壁厚度，H为方形管的内边长，h_g为测得的方形管中气体所占高度，θ为液面所对的圆心角，通过θ可以得出截面含气率与电容值之间的对应关系，也即求得管段中的气液两相流截面含气率。

在测量过程中，流体在测压孔3a与3c、3b与3d之间会分别产生一个垂直于流向的压差ΔP_V，设气液两相分层流动，且气相流速大于液相流速，那么

ΔP₃₄=ΔP_Gr-f_up，ΔP₅₆=ΔP_Gr-f_up，

而

ΔP_Gr=[ρ_gα_g+ρ_l(1-α_g)]gH

其中ΔP_Gr气液两相的重位压差，方向向下，ΔP_b为气液两相间的作用力产生的压力差，在气相流速较高时其方向向上。

根据截面含气率的值就能够求得气液两相的重位压差ΔP_Gr，根据垂直于水平流向竖直方向的总压差与重位压降就能够求得气液两相间的垂直于流向的相间作用力f_up。流体在测压孔3a与3c  、3b与3d之间也会分别产生一个沿流向方向的压差。最后通过高精度压差变送器2，测得压力信号，求得竖直压降与沿流向方向压降的脉动值与时均值，这两个竖直压降反映重位压降与垂直于水平流向的气液两相流作用力，所有信号都进入数据采集单元6进行处理。通过数据处理器7求解，即可获得气液两相流的截面含气率与相间作用力。

Claims (6)

1.一种气液两相流相间作用力定量检测装置，其特征在于它包括有管形电容传感器、阻抗测试仪（5）、数据采集单元（6）、数据处理器（7）；其中管形电容传感器的主体（1）为绝缘管，该主体（1）的中部外包有外电极（4），该外电极（4）通过阻抗测试仪（5）与数据采集单元（6）、数据处理器（7）连接；在主体（1）的一个侧面上对称设置有四个轴线与主体轴线相垂直的测压孔（3a、3b、3c、3d），测压孔（3a、3b、3c、3d）外端口连接有差压变送器（2），差压变送器（2）通过信号输出端与数据采集单元（6）、数据处理器（7）相连接。

2.根据权利要求1所述的气液两相流相间作用力定量检测装置，其特征在于所述的电容传感器的主体（1）为方形管段。

3.根据权利要求1所述的气液两相流相间作用力定量检测装置，其特征在于所述的电容传感器的主体（1）为圆形管段。

4.根据权利要求2所述的气液两相流相间作用力定量检测装置，其特征在于所述的测压孔（3）紧靠方形管段的上管壁或下管壁的内侧，测压孔的内端口位于管段的中轴线上。

5.根据权利要求3所述的气液两相流相间作用力定量检测装置，其特征在于所述的测压孔（3）紧靠圆形管段的顶部或底部管壁的内侧，测压孔的内端口位于圆形管段的中心轴线位置。

6.根据权利要求1所述的气液两相流相间作用力定量检测装置，其特征在于所述的四个测压孔（3）中，相邻的两个测压孔（3a、3c）与另外相邻的两个测压孔（3b、3d）形成对称结构，测压孔的轴心均在平行线上。

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