CN106383069A - 一种同质气液混合介质粘度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同质气液混合介质粘度测量装置及方法，其装置的进口管连接分离器，分离器的气体出口与倒U形管连接，倒U形管与气路文丘里管的上端连接，气路文丘里管的下端与出口管连接；倒U形管上连接第一温度传感器以及第一压力传感器；分离器的液体出口与U形管连接，U形管与液路文丘里管的下端连接，液路文丘里管的上端与出口管连接；U形管上连接有第二温度传感器以及第二压力传感器；气路文丘里管和液路文丘里管上均连接有差压变送器；所述进口管上还连接有旋转式粘度计，U形管上还连接有细管式粘度计。本发明所提供的同质气液混合介质质量流量测试装置及方法对于发展实验测试技术和提高工程领域测量精度具重要的意义。

Description

一种同质气液混合介质粘度测量装置及方法

技术领域

本发明属于流体粘度测量领域，特别是气液混合流体粘度测量，具体地说是一种用于检测同一类介质由于汽化混合而出现的气液两相流的粘度测量装置及方法，主要用于低温工程、航空航天、石油化工等行业的介质由于温度变化引起的属性变化的测量，也是对以后两相流的轴承密封性能研究里必不可少的一环。

背景技术

气液两相流动现象广泛存在于低温工程、航空航天、石油化工、核能、制冷及冶金等工业领域中。现已有资料表明等温液体属性模型或者等温正压流体属性模型都不能够模拟实际的流体属性变化，必须考虑同质介质受汽化等因素而形成的气液混合的实际情况。特别是在上述领域中出现的苛刻工况环境下，传统的单向流的理论不再适用，比如在火箭发动机用动静压轴承在运转过程中产生的温升会导致润滑介质(液氧、液氢等)两相流的出现，这时轴承的性能就会发生很大的变化，这时就需要运用两相流的模型来分析轴承的性能，同时需要测量以得到混合的两相流介质的流量情况。再如在不同领域涉及摩擦学(润滑、磨损、摩擦等范畴)的实际状况，尤其对于现阶段经常出现的“三高”(高速、高温、高功率)工况，非常有必要把摩擦副相关的润滑液当作两相流来看待，这就使我们需要知道两相流的一些参数，从而建立新的两相流模型或者参数获取方法，并将它更好地应用到这些领域中。之前只是对同质两相流的流量等参数进行测量，而现在是再进一步实现对粘度的测量，从而达到更广泛的运用。

而粘度是一个两相流参数中一个无比重要的参数，粘度的变化会影响很多参数的变化。而针对粘度的测量和分析运用，很多文献和专利都有涉及到。其中文献《一种新型气油两相流的流变模型》中采用旋转式粘度测量方法，改进了现有的NXS-11型粘度计，加入了定量供油装置、恒稳装置、供气装置、气油混合装置等。利用内外筒之间混合形成的均匀两相流，从溢流口采样机油样进行含气量的标定，而内筒由同步电机驱动，通过读出摩擦力矩值而算出两相流粘度，进而研究了容积含气率、油膜厚度及剪切应变率等因素对两相流流变特性的影响；其中文献《液体粘度测量技术的发展现状与展望》中就总结了粘度测量的传统方法毛细管法、旋转法和振动法，将它们的优缺点进行了分析和说明，给出了现在各方法发展的状况，另外介绍了新型热点的理论及应用粘度测量方法，包括超声波法和电磁法。

针对传统方法的改进，很多专利对此做出了研究。

而对于现有的粘度测量传统方法，有了很多的改进措施，并取得了不错的结果。其中CN 10132867 A发明了一种气液两相泡状液体粘度测量方法，先选取糖浆，进行干冰搅拌均匀处理后形成均匀泡状流糖浆，再将制成的泡状流糖浆装入采用液相粘度测量装置对糖浆的粘度进行测量，而它的液相测量装置包括工作台、流变仪、激光发射器、高速相机以及计算机等，能够实现气液两相泡状流瞬态和平均粘度的准确测量，能够测量和分析气泡不同物理参数度对液相粘度的影响规律；其中CN 102023124 A发明了一种基于速度衰减的旋转粘度计，它涉及到液体粘性(流变特性)测量仪器，由级联电动机、空气轴承、测速传感器、支架、测头转子、外筒、计算与显示单元、气源组成。测头转子在待测流体中的速度衰减与待测流体的粘度值存在对应关系，检测任意两对应时刻的转速即可通过该对应关系计算得出流体粘度值；其中CN 103822853 A发明了一种旋转式测量装置，包括转轴、切血板、液池、带齿光盘、光耦合器以及驱动装置，利用吹风装置将转轴和切血版达到预设转速后，让带齿光盘、转轴和切血版在惯性下转动，光耦合器记录带齿光盘经过其的齿数，通过预设转速和带齿光盘停止转动的时间而推算出血液的粘度，它仅仅利用吹风装置的气流驱动带动其他的转动，相应的降低了旋转式粘度测量装置的功耗和使用成本；其中CN 1076027 A发明一种通过测定流体的压力和流量而测知其粘度的测试装置及其测定方法，特别是一种差动式毛细管粘度计，包括：毛细管，与该毛细管一端连通的试样取样管，与毛细管另一端的吸样器，差动式驱动压发生装置，差压传感器和微机，以及使整个粘度计与大气隔离和进行测定操作的阀门和管路系统。克服了大气压起伏对压力测量的影响，完全对称的结构抵消了表面张力的影响，提高了检测精度，有良好的自补偿效果，从而提高了检测系统的稳定性。

有了这些基础，我们就很好的进行气液两相流粘度的测量，从而对同质两相流进行深入的研究，研究两相流的流体特性。然而上述提到的或者现有的装置，多是用于对液体的粘度的测量，而其中对两相流的粘度测量的又是用于非同质气液的粘度的测量，如油中含有气泡等的粘度测量，而对同质流体却很少关注。另外这些方法用于液体的粘度测量或者不同属性介质混合的粘度测量都具有一定的适用性，可以起到不错的效果。但应用这些方法测量同质混合介质的粘度，则不可避免地出现温度或者压力变化引起的属性变化的情况，加之无任何保护措施，这些方法极为不适用。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种同质混合介质粘度测量装置及方法。

本发明的技术方案是：一种同质混合介质粘度测量装置，包括进口管、分离器、U形管、倒U形管、第一温度传感器、第二温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、气路文丘里管、液路文丘里管、第一差压变送器、第二差压变送器、旋转式粘度计、细管式粘度计以及出口管，所述进口管的入口连接被测试同质气液两相流混合流体的出口端，进口管的出口连接分离器，将气液两相流进行分离，进口管上还有用于测量同质气液两相流混合流体粘度的旋转式粘度计；所述分离器上端的气体出口与倒U形管的左端口连接，所述倒U形管的右端口与气路文丘里管的上端连接，气路文丘里管的下端与出口管连接；所述倒U形管上连接有测量其内部气体温度的第一温度传感器以及测量其内部气体压力的第一压力传感器；所述气路文丘里管上连接有测量其内部气体差压的第一差压变送器；所述分离器下端的液体出口与U形管的左端口连接，所述U形管的右端口与液路文丘里管的下端连接，液路文丘里管的上端与出口管连接；所述U形管上分别连接有测量其内部液体温度的第二温度传感器、测量其内部液体压力的第二压力传感器以及测量分离后的单相液相粘度的细管式粘度计；所述液路文丘里管上连接有测量其内部液体差压的第二差压变送器。

上述分离器采用双层真空隔热结构，包括内、外两层，两层间设有间隙；分离器上端设有连通内、外两层之间间隙的出气嘴，出气嘴连接有防止外部空气进入分离器的单向阀。

上述旋转式粘度计包括电机、转子、内筒、外筒、力矩传感器以及支架；所述电机与转子轴连接，转子与内筒固定连接，所述力矩传感器设于内筒的外侧壁上，内筒设于外筒内，外筒与U形管的内部连通；所述电机、外筒均固定于支架上。

一种同质混合介质粘度测量方法，包括如下步骤：

1)对分离器进行抽真空处理：利用抽真空压力机将分离器内外层之间的空气从出气嘴处排除；

2)将要测量的混合均匀的同质气液两相流混合流体接入进口管，通过旋转式粘度计来测量同质气液两相流混合流体的粘度，其中同质气液两相流混合流体流入旋转式粘度计的内、外筒之间，填满内、外筒之间的空间，然后使电机带动着内筒旋转，通过固定在内筒上的力矩传感器测量同质气液两相流混合流体与内筒之间产生的粘性力矩，再通过计算得到旋转法的等效粘度；随后通过分离器将气液两相流进行分离；

3)分离后的气体通过分离器上方的倒U形管以及气路文丘里管，通过第一温度传感器和第一压力传感器测量气体在经过分离器后的温度和压力，再利用第一差压变送器测得压差，利用该压差和文丘里管结构参数计算得到气相流量；另一方面，分离后的液体通过分离器下方的U型管以及液路文丘里管，通过第二温度传感器和第二压力传感器测量液体在经过分离器后的温度和压力，再利用第二差压变送器测量压差，从而利用该压差和文丘里管结构参数计算得到液相流量；分离后的液体还通过细管式粘度计测量单相液相的细管法的等效粘度μ_l；气体和液体分别经过气路文丘里管和液路文丘里管后再通过出口管再次混合后流出；由气相流量和液相流量求得两相流的质量含气率；再由质量含气率和体积含气率的关系求得体积含气率；

4)通过求得的体积含气率β以及细管式粘度计测得的细管法的等效粘度μ_l，再根据经验公式：μ_e＝(1+κ·β)μ_l，求得综合等效粘度μ_e，其中κ为粘度修正参数，取值范围为0.005到0.025；再将此综合等效粘度μ_e与通过旋转法求取的等效粘度μ₁进行对比处理得到最终的同质气液混合两相流的等效粘度，对比处理具体采用修改粘度修正参数κ的值，使得综合等效粘度μ_e和通过旋转法求取的等效粘度μ₁的相对误差满足小于等于5％的工程要求。

上述气相流量计算公式为：

其中：C₁——气体流出系数，ε₁——气体可膨胀系数，β₁——气路文丘里管直径比，A₁——气路文丘里管孔板开孔面积，ρ₁——气体密度，Δp₁——气路文丘里管压差；其中气路文丘里管直径比d₁为气路文丘里管内径，D₁为气路文丘里管外径；气路文丘里管孔板开孔面积

上述液相流量的计算公式为：其中：C₂——液体流出系数，β₂——液路文丘里管直径比，A₂——液路文丘里管孔板开孔面积，ρ₂——液体密度，Δp₂——液路文丘里管压差；液路文丘里管直径比d₂为液路文丘里管内径，D₂为液路文丘里管外径，液路文丘里管孔板开孔面积

上述的旋转法求取等效粘度的公式为：式中，T为内筒受到的转矩；R_i为内筒半径；R_a为外筒半径；ω_i为内筒旋转角速度；h为内筒高度；μ₁为旋转法求取的等效粘度；π为圆周率；所述细管式粘度计根据泊肃叶定理测得细管法的等效粘度，具体计算公式为：其中r表示细管式粘度计的细管半径；t表示液体流经细管的时间；L表示细管长度；V_t表示t时间内液体所流过的体积；ΔP为细管式粘度计里的细管两端的压力差。

上述的由气相流量和液相流量求得两相流的质量含气率，其具体计算公式为：其中α为质量含气率；q_m1为气相流量；q_m2为液相流量。

上述质量含气率和体积含气率的关系其具体关系式为：

在求得质量含气率后，通过该关系式可求得体积含气率；其中β为体积含气率；ρ_g为所述气体的密度；ρ_l为所述液体的密度。

上述粘度修正参数κ的取值范围为0.01到0.02。

本发明的有益效果：本发明提供的同质混合介质粘度测量装置及方法，在测量了两相流的流量基础上进一步对粘度进行测量，分别采用了旋转式粘度计和细管式粘度计测量了混合流体的粘度，并利用它们测得的数据进行对比处理分析，从而得到更准确的同质气液两相流的粘度，能够提高测试精度，同时缩小测量装置的体积，并简化测量装置，可改善测量的实时性和提高测量的效率，便于工程上的应用，特别是对于同质介质气液混合流体的粘度流量的测试具有重要意义；同时，本发明装置对混合介质的保护，可以确保其在流量测量和粘度测量的过程中不会出现二次气液混合介质的属性变化，保证同质介质在测量时的维持原有的属性状态不变。本发明集中于获取同质介质受工况影响而出现两相流情况下的粘度参数，该两相流参数的测量方法对于发展实验测试技术和提高工程领域测量精度都具重要的意义。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

附图1是本发明的气液两相流粘度测量装置的结构图；

附图2是本发明的旋转式粘度计的具体的内部结构图；

附图3是本发明的气液两相流粘度测量的流程图。

附图标记说明：1、进口管；2、分离器；3、倒U形管；4、U形管；5、第一温度传感器；6、第一压力传感器；7、气路文丘里管；8、第一差压变送器；9、第二温度传感器；10、第二压力传感器；11、液路文丘里管；12第二差压变送器；13、出口管；14、旋转式粘度计；15、细管式粘度计；14-1、电机；14-2、转子；14-3、内筒；14-4、力矩传感器；14-5、外筒；14-6、支架。

具体实施方式

参见附图1及附图3，本发明提供了一种同质混合介质粘度测量装置及方法，其装置包括进口管1、分离器2、U形管4、倒U形管3、第一温度传感器5、第二温度传感器9、第一压力传感器6、第二压力传感器10、气路文丘里管7、液路文丘里管11、第一差压变送器8、第二差压变送器12、旋转式粘度计14、细管式粘度计15以及出口管13，所述进口管1的入口连接被测试同质气液两相流混合流体的出口端，进口管1的出口连接分离器2，将气液两相流进行分离，进口管1上还有用于测量同质气液两相流混合流体粘度的旋转式粘度计14；所述分离器2上端的气体出口与倒U形管3的左端口连接，所述倒U形管3的右端口与气路文丘里管7的上端连接，气路文丘里管7的下端与出口管13连接；所述倒U形管3上连接有测量其内部气体温度的第一温度传感器5以及测量其内部气体压力的第一压力传感器6；所述气路文丘里管7上连接有测量其内部气体差压的第一差压变送器8；所述分离器2下端的液体出口与U形管4的左端口连接，所述U形管4的右端口与液路文丘里管11的下端连接，液路文丘里管11的上端与出口管13连接；所述U形管4上分别连接有测量其内部液体温度的第二温度传感器9、测量其内部液体压力的第二压力传感器10以及测量分离后的单相液相粘度的细管式粘度计15；所述液路文丘里管11上连接有测量其内部液体差压的第二差压变送器12。

所述分离器2采用双层真空隔热结构，包括内、外两层，两层间设有间隙；分离器2上端设有连通内、外两层之间间隙的出气嘴，出气嘴连接有防止外部空气进入分离器2的单向阀。

如图2所示，所述旋转式粘度计14包括电机14-1、转子14-2、内筒14-3、外筒14-5、力矩传感器14-4以及支架14-6；所述电机14-1与转子14-2轴连接，转子14-2与内筒14-3固定连接，所述力矩传感器14-4设于内筒14-3的外侧壁上，内筒14-3设于外筒14-5内，外筒14-5与U形管4的内部连通；所述电机14-1、外筒14-5均固定于支架14-6上。

本发明的方法包括如下步骤：

1)对分离器2进行抽真空处理：利用抽真空压力机将分离器2内外层之间的空气从出气嘴处排除；

2)将要测量的混合均匀的同质气液两相流混合流体接入进口管1，通过旋转式粘度计14来测量同质气液两相流混合流体的粘度，其中同质气液两相流混合流体流入旋转式粘度计14的内、外筒14-3、14-5之间，填满内、外筒14-3、14-5之间的空间，然后使电机14-1带动着内筒14-3旋转，通过固定在内筒14-3上的力矩传感器14-4测量同质气液两相流混合流体与内筒14-3之间产生的粘性力矩，再通过计算得到旋转法的等效粘度；随后通过分离器2将气液两相流进行分离；

3)分离后的气体通过分离器2上方的倒U形管3以及气路文丘里管7，通过第一温度传感器5和第一压力传感器6测量气体在经过分离器2后的温度和压力，再利用第一差压变送器8测得压差，利用该压差和文丘里管结构参数计算得到气相流量；另一方面，分离后的液体通过分离器2下方的U型管4以及液路文丘里管11，通过第二温度传感器9和第二压力传感器10测量液体在经过分离器2后的温度和压力，再利用第二差压变送器12测量压差，从而利用该压差和文丘里管结构参数计算得到液相流量；分离后的液体还通过细管式粘度计15测量单相液相的细管法的等效粘度μ_l；气体和液体分别经过气路文丘里管7和液路文丘里管11后再通过出口管13再次混合后流出；由气相流量和液相流量求得两相流的质量含气率；再由质量含气率和体积含气率的关系求得体积含气率；

4)通过求得的体积含气率β以及细管式粘度计测得的细管法的等效粘度μ_l，再根据经验公式：μ_e＝(1+κ·β)μ_l，求得综合等效粘度μ_e，(其中κ为粘度修正参数，反映两相流之间存在着两相相互影响的关系，取值范围为0.005到0.025；实际中气液混合介质推荐取值为0.01到0.02)；再将此综合等效粘度μ_e与通过旋转法求取的等效粘度μ₁进行对比处理得到最终的同质气液混合两相流的等效粘度，对比处理具体采用修改粘度修正参数κ的值，使得综合等效粘度μ_e和通过旋转法求取的等效粘度μ₁的相对误差满足小于等于5％的工程要求。

所述气相流量计算公式为：其中：C₁——气体流出系数，ε₁——气体可膨胀系数，β₁——气路文丘里管直径比，A₁——气路文丘里管孔板开孔面积，ρ₁——气体密度(根据测得的温度和压力查介质属性手册得到)，Δp₁——气路文丘里管压差(第一由压差变送器测试得到)；其中气路文丘里管直径比d₁为气路文丘里管内径，D₁为气路文丘里管外径；气路文丘里管孔板开孔面积C₁和ε₁都是由可根据节流装置推荐公式获得，本式中采用里德—哈里斯/加拉赫公式(Reader-Harris/Gallagher)计算得到流出系数；采用经典文丘里喷嘴公式计算得到可膨胀系数；在计算上述的参数及流量过程中，将直接利用压力传感器、温度传感器及压差变送器测得的数值。

所述液相流量的计算公式为：其中：C₂——液体流出系数，β₂——液路文丘里管直径比，A₂——液路文丘里管孔板开孔面积，ρ₂——液体密度(根据测得的温度和压力查介质属性手得到)，Δp₂——液路文丘里管压差(由第二压差变送器测试得到)；液路文丘里管直径比d₂为液路文丘里管内径，D₂为液路文丘里管外径，液路文丘里管孔板开孔面积C₂可根据节流装置推荐公式获得，本式中采用里德—哈里斯/加拉赫公式(Reader-harris/Gallagher)得到。

所述的旋转法求取等效粘度的公式为：式中，T为内筒受到的转矩；R_i为内筒半径；R_a为外筒半径；ω_i为内筒旋转角速度；h为内筒高度；μ₁为旋转法求取的等效粘度；π为圆周率；其中R_i、R_a和h由旋转式粘度计本身的结构决定，ω_i由电机的转速决定，T由粘附在内筒上的力矩传感器测量得到，则可求得粘度μ₁。所述细管式粘度计根据泊肃叶定理测得细管法的等效粘度，具体计算公式为：其中r表示细管式粘度计的细管半径；t表示液体流经细管的时间；L表示细管长度；V_t表示t时间内液体所流过的体积；ΔP为细管式粘度计里的细管两端的压力差。可见通过测量液体的流速及压力差即可求得液体的粘度值。

所述的由气相流量和液相流量求得两相流的质量含气率，其具体计算公式为：其中α为质量含气率；q_m1为气相流量；q_m2为液相流量。气体和液体经过各自的文丘里管后再通过出口管再次混合后流出。经过混合后流出的两相流体与该流体进入装置前的属性是一致的，确保了实验的准确性。

所述质量含气率和体积含气率的关系其具体关系式为：

在求得质量含气率后，通过该关系式可求得体积含气率；其中β为体积含气率；ρ_g为所述气体的密度；ρ_l为所述液体的密度。

综上，本发明首先气液两相流同质混合气体经过进口管后形成了一个混合均匀的同质混合流体，然后它连接有一个旋转式粘度计，用来测量和计算同质气液两相流混合流体的等效粘度。混合流体将内外筒之间的空间充满，然后电机带动内筒以一定的速度转动，通过测量流体作用于物体的粘性力矩即可求得流体的粘度。然后进口管与分离器连接，将同质气液两相流进行分离。分离器采用双层真空隔热的结构，在测试前先对分离器进行抽空处理，保证在进行分离时是真空绝热的，从而保证在分离过程中不改变气液两相流体的各项参数，进而保证测量的准确性。分离后的气体通过分离器上方的倒U型管与气路文丘里管连接；该气路流量的测量实现途径为：通过第一温度传感器和第一压力传感器测量气体在经过分离器后的温度T₁和压力p₁，再利用第二差压变送器测得压差Δp₁，从而可通过计算得到气相的流量。分离后的液体通过分离器下方的U型管与细管式粘度计和液路文丘里管连接。液路的流量测量实现方案为：通过第二温度传感器和第二压力传感器测量液体在经过分离器后的温度T₂和压力p₂；而第二差压变送器是直接与液路文丘里管连接，用来测量压差Δp₂，从而可通过计算得到液相的流量。由气相流量和液相流量可求得两相流的质量含气率α。再由质量含气率α和体积含气率β的关系求得体积含气率β。

其中，U形管与细管式粘度计相连接，用来测量液相的粘度，因为分离后的液体为单相液体，可直接利用现有的粘度计对其进行粘度测量。而所选的粘度计为细管式粘度计，在原理上利用的是泊肃叶定律。由求得的体积含气率β和液相粘度，再结合经验公式可求得两相流的等效粘度。最后，再将这两个等效粘度进行对比处理分析从而得到最理想、最准确的同质气液混合两相流的等效粘度。

结合附图3的粘度流程图说明，本发明方案的测量方法如下：

首先气液两相流同质混合气体经过进口管后形成了一个混合均匀的同质混合流体，然后它流入旋转式粘度计中的内筒和外筒之间，并将这空间充满，然后停止混合流体的流入。当内外筒之间的流体静止是，在启动电机，通过转子带动内筒转动，使内筒达到稳定的速度后，测量内筒因受到流体的粘性力作用形成的粘性力矩，最终可用现有的公式可求得混合流体等效粘度。

另一方面，经过进口管后的同质混合流体流入分离器里，采用重力式分离器的原理，将混合流体进行气液两相的分离。分离器含有内外两层，两层间含有一定的间隙；上面有出气孔(也称为出气嘴)，为一个单向阀的结构，正常工作时可防止外部空气进入；使用前利用抽真空压力机通过该出气嘴把两层之间的空气进行排除，形成真空环境，使得分离器内部处于一个不受外界影响的状态；而内部采用的分离原理是重力沉降(按比重)的分离原理。分离器采用双层真空隔热的结构，在测试之前先对分离器进行抽真空处理；先将分离器与各部件连接固定好，然后再利用抽真空压力机将分离器内外层之间的空气从出气孔处排除，让这空间形成真空，出气孔的单向阀工作，保证无外部压力空气进入，从而保护内层里进行气液分离的混合流体不受外界的压力和温度的影响，进而保证测量的准确性。本发明方法中分离后的气体通过分离器上方的倒U型管与气路文丘里管连接；该气路流量的测量实现途径为：通过第一温度传感器和第一压力传感器测量气体在经过分离器后的温度T₁和压力p₁，再利用差压变送器测得压差，从而可通过计算得到气相的流量。

分离后的液体通过分离器下方的U型管与液路文丘里管和细管式粘度计连接。液路的流量测量实现方案为：通过第二温度传感器和第二压力传感器测量液体在经过分离器后的温度T₂和压力p₂；而第二差压变送器是直接与液路文丘里管连接，用来测量压差Δp，从而可通过计算得到液相的流量。

本发明提供的同质混合介质粘度测量装置及方法，在测量了两相流的流量基础上进一步对粘度进行测量，分别采用了旋转式粘度计和细管式粘度计测量了混合流体的粘度，并利用它们测得的数据进行对比处理分析，从而得到更准确的同质气液两相流的粘度，能够提高测试精度，同时缩小测量装置的体积，并简化测量装置，可改善测量的实时性和提高测量的效率，便于工程上的应用，特别是对于同质介质气液混合流体的粘度流量的测试具有重要意义；同时，本发明装置对混合介质的保护，可以确保其在流量测量和粘度测量的过程中不会出现二次气液混合介质的属性变化，保证同质介质在测量时的维持原有的属性状态不变。本发明集中于获取同质介质受工况影响而出现两相流情况下的粘度参数，该两相流参数的测量方法对于发展实验测试技术和提高工程领域测量精度都具重要的意义。本装置主要针对的是进一步的进行同质气液两相流体的参数的测量，尤其是同质气液两相流粘度的测量，将完善两相流测试的现有不足之处；同时由于装置结构简单、测量精度高、稳定性高，可较为广泛地应用于低温工程、航空航天、石油化工等领域的同质混合流体的气液两相流粘度或流体粘度的测试。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同质气液混合介质粘度测量装置，其特征在于，包括进口管(1)、分离器(2)、U形管(4)、倒U形管(3)、第一温度传感器(5)、第二温度传感器(9)、第一压力传感器(6)、第二压力传感器(10)、气路文丘里管(7)、液路文丘里管(11)、第一差压变送器(8)、第二差压变送器(12)、旋转式粘度计(14)、细管式粘度计(15)以及出口管(13)，所述进口管(1)的入口连接被测试同质气液两相流混合流体的出口端，进口管(1)的出口连接分离器(2)，将气液两相流进行分离，进口管(1)上还有用于测量同质气液两相流混合流体粘度的旋转式粘度计(14)；所述分离器(2)上端的气体出口与倒U形管(3)的左端口连接，所述倒U形管(3)的右端口与气路文丘里管(7)的上端连接，气路文丘里管(7)的下端与出口管(13)连接；所述倒U形管(3)上连接有测量其内部气体温度的第一温度传感器(5)以及测量其内部气体压力的第一压力传感器(6)；所述气路文丘里管(7)上连接有测量其内部气体差压的第一差压变送器(8)；所述分离器(2)下端的液体出口与U形管(4)的左端口连接，所述U形管(4)的右端口与液路文丘里管(11)的下端连接，液路文丘里管(11)的上端与出口管(13)连接；所述U形管(4)上分别连接有测量其内部液体温度的第二温度传感器(9)、测量其内部液体压力的第二压力传感器(10)以及测量分离后的单相液相粘度的细管式粘度计(15)；所述液路文丘里管(11)上连接有测量其内部液体差压的第二差压变送器(12)。

2.如权利要求1所述的一种同质混合介质粘度测量装置，其特征在于，所述分离器(2)采用双层真空隔热结构，包括内、外两层，两层间设有间隙；分离器(2)上端设有连通内、外两层之间间隙的出气嘴，出气嘴连接有防止外部空气进入分离器(2)的单向阀。

3.如权利要求1所述的一种同质混合介质粘度测量装置，其特征在于，所述旋转式粘度计(14)包括电机(14-1)、转子(14-2)、内筒(14-3)、外筒(14-5)、力矩传感器(14-4)以及支架(14-6)；所述电机(14-1)与转子(14-2)轴连接，转子(14-2)与内筒(14-3)固定连接，所述力矩传感器(14-4)设于内筒(14-3)的外侧壁上，内筒(14-3)设于外筒(14-5)内，外筒(14-5)与U形管(4)的内部连通；所述电机(14-1)、外筒(14-5)均固定于支架(14-6)上。

4.一种同质混合介质粘度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对分离器(2)进行抽真空处理：利用抽真空压力机将分离器(2)内外层之间的空气从出气嘴处排除；

2)将要测量的混合均匀的同质气液两相流混合流体接入进口管(1)，通过旋转式粘度计(14)来测量同质气液两相流混合流体的粘度，其中同质气液两相流混合流体流入旋转式粘度计(14)的内、外筒(14-3、14-5)之间，填满内、外筒(14-3、14-5)之间的空间，然后使电机(14-1)带动着内筒(14-3)旋转，通过固定在内筒(14-3)上的力矩传感器(14-4)测量同质气液两相流混合流体与内筒(14-3)之间产生的粘性力矩，再通过计算得到旋转法的等效粘度；随后通过分离器(2)将气液两相流进行分离；

3)分离后的气体通过分离器(2)上方的倒U形管(3)以及气路文丘里管(7)，通过第一温度传感器(5)和第一压力传感器(6)测量气体在经过分离器(2)后的温度和压力，再利用第一差压变送器(8)测得压差，利用该压差和文丘里管结构参数计算得到气相流量；另一方面，分离后的液体通过分离器(2)下方的U型管(4)以及液路文丘里管(11)，通过第二温度传感器(9)和第二压力传感器(10)测量液体在经过分离器(2)后的温度和压力，再利用第二差压变送器(12)测量压差，从而利用该压差和文丘里管结构参数计算得到液相流量；分离后的液体还通过细管式粘度计(15)测量单相液相的细管法的等效粘度μ_l；气体和液体分别经过气路文丘里管(7)和液路文丘里管(11)后再通过出口管(13)再次混合后流出；由气相流量和液相流量求得两相流的质量含气率；再由质量含气率和体积含气率的关系求得体积含气率β；

4)通过求得的体积含气率β以及细管式粘度计测得的细管法的等效粘度μ_l，再根据经验公式：μ_e＝(1+κ·β)μ_l，求得综合等效粘度μ_e，其中κ为粘度修正参数，取值范围为0.005到0.025；再将此综合等效粘度μ_e与通过旋转法求取的等效粘度μ₁进行对比处理得到最终的同质气液混合两相流的等效粘度，对比处理具体采用修改粘度修正参数κ的值，使得综合等效粘度μ_e和通过旋转法求取的等效粘度μ₁的相对误差满足小于等于5％的工程要求。

5.如权利要求4所述的一种同质混合介质粘度测量方法，其特征在于，所述气相流量计算公式为：

其中：C₁——气体流出系数，ε₁——气体可膨胀系数，β₁——气路文丘里管直径比，A₁——气路文丘里管孔板开孔面积，ρ₁——气体密度，Δp₁——气路文丘里管压差；其中气路文丘里管直径比d₁为气路文丘里管内径，D₁为气路文丘里管外径；气路文丘里管孔板开孔面积

6.如权利要求4所述的一种同质混合介质粘度测量方法，其特征在于，所述液相流量的计算公式为：

其中：C₂——液体流出系数，β₂——液路文丘里管直径比，A₂——液路文丘里管孔板开孔面积，ρ₂——液体密度，Δp₂——液路文丘里管压差；液路文丘里管直径比d₂为液路文丘里管内径，D₂为液路文丘里管外径，液路文丘里管孔板开孔面积

7.如权利要求4所述的一种同质混合介质粘度测量方法，其特征在于，所述的旋转法求取等效粘度的公式为：式中，T为内筒受到的转矩；R_i为内筒半径；R_a为外筒半径；ω_i为内筒旋转角速度；h为内筒高度；μ₁为旋转法求取的等效粘度；π为圆周率；

所述细管式粘度计根据泊肃叶定理测得细管法的等效粘度，具体计算公式为：其中r表示细管式粘度计的细管半径；t表示液体流经细管的时间；L表示细管长度；V_t表示t时间内液体所流过的体积；ΔP为细管式粘度计里的细管两端的压差。

8.如权利要求4所述的一种同质混合介质粘度测量方法，其特征在于，所述的由气相流量和液相流量求得两相流的质量含气率，其具体计算公式为：其中α为质量含气率；q_m1为气相流量；q_m2为液相流量。

9.如权利要求8所述的一种同质混合介质粘度测量方法，其特征在于，所述质量含气率和体积含气率的关系其具体关系式为：在求得质量含气率后，通过该关系式可求得体积含气率；其中β为体积含气率；ρ_g为所述气体的密度；ρ_l为所述液体的密度。

10.如权利要求4所述的一种同质混合介质粘度测量方法，其特征在于，所述粘度修正参数κ的取值范围为0.01到0.02。