CN106403800B - 一种电容式气液两相分离流液膜分布测量装置 - Google Patents

Abstract

一种电容式气液两相分离流液膜分布测量装置,主要包括电容探针，液相电极，固定环，电容测量模块以及信号采集计算机。若干个电容探针通过固定环在管道的横截面上呈放射状布置，可以实现对管道横截面不同位置上的液膜分布的准确测量。与现有的测量装置相比，本发明消除了传统电容探针两侧同时存在液相时液膜厚度识别误差，探针布局简单，不受温度和介质含盐量的影响，流动干扰小，造价低，测量精度高，在两相流测量领域具有宽广的应用前景。

Description

一种电容式气液两相分离流液膜分布测量装置

技术领域

本发明属于多相流测量的技术领域，具体涉及一种电容式气液两相分离流液膜分布测量装置。

背景技术

气液两相流广泛存在于石油、化工、能源动力等工程领域，在气液两相流动中由于流型的多变性以及相界面的随机性，相界面参数测量一直是一个难题。根据气液相是否分开，气液两相流可分为分离流、间歇流以及弥散流。分离流型中最为典型的是分层流和环状流。对于此两种流型，液膜分布是其最关键参数，准确测量液膜周向分布规律是研究流动特性和建立准确预测模型的基础。

目前，关于液膜厚度测量方法很多，主要包括快关阀门法、射线吸收法、光学测量法等。但是在实际应用中这些方法存在各种各样的问题。比如快关阀门法只能获得平均液膜厚度，且需要快速封闭测量管段，对流场干扰大；射线法需要使用放射性材料，造价昂贵，且存在辐射风险；光学法需要管道透明，受外界环境干扰大，无法准确获知管道内部流动信息。

申请号为200610042792.4的中国专利“多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统”提出了一种管内单丝电容探针测量多相流管道截面相分率，该发明仅在管道中竖直放置一根电容探针故而只能测量多相流管道的局部相分率，不能够代表整个管道的相分率。此外，对于环状流，电容探针的起、终两端均与液膜接触，所测量的液膜厚度为这两处液膜厚度之和。而对于水平管环状流，由于重力作用，液膜厚度沿周向的分布并不均匀，因此，采用该种测量方法无法获得液膜沿周向的分布规律。

为了克服现有的技术缺陷，本发明提出了一种新型的电容式气液两相分离流液膜分布测量装置，可实现液膜周向分布的准确测量，且具有准确度高、流场干扰度小、体积小、造价低、安全可靠等优点。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种电容式气液两相分离流液膜分布测量装置。以多相流中的导电液体作为电容的一极，以包裹绝缘层的导电芯作为电容的另一极。能够精确检测管道各个位置上的液膜厚度，检测管道内的多相流流型。

本发明涉及一种电容式气液两相分离流液膜分布测量装置，主要由电容探针、液相电极、固定环、电容测量模块以及信号采集计算机组成，固定环位于被测管道的中心，电容探针的一端固定在固定环上的定位孔中，另一端通过布置在管壁上的引线孔与探针接线柱上的电容电极相连，若干个电容探针在管道的截横面上呈放射状分布，电容电极和液相电极分别通过导线与电容测量模块相连，电容测量模块通过数据线与信号采集计算机相连。

所述的电容探针为双层结构，中心为导电芯，导电芯的外壁均匀涂覆有一层绝缘薄膜，绝缘薄膜厚度小于0.1mm。

所述的固定环为中空不导电圆环，固定环外径小于被测管道内径的1/10,圆环壁面沿周向均匀布置若干个定位孔，定位孔的直径为探针直径的1.2-1.5倍，嵌装在探针定位孔中的电容探针的端部绝缘处理且由绝缘铆钉固定，电容探针与定位孔之间的间隙由绝缘胶密封。

所述的引线孔沿周向均匀布置在管道外壁上，为贯穿孔，其直径为电容探针直径的1.2-1.5倍，其位置和固定环上的定位孔一一对应，接线柱安装在引线孔的外侧，接线柱的电容电极为导电金属，电容探针的导电芯与电容电极相连，电容探针与引线孔之间的空隙由绝缘胶密封。

所述的液相电极为导电金属，嵌装在管道靠近底部的内壁上，其端面与管道内壁齐平，与管内液体始终保持接触。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)消除了传统电容探针两侧同时与液相接触时造成的液膜厚度识别误差,可以精确测量液膜厚度沿管周分布的信息；

(2)液膜厚度与当地电容探针电容值呈正比，不受气液相介质性质、以及管道温度、压力等参数的影响；

(3)探针直径小，对管内流型的干扰较小。

(4)结构简单，制作成本低。

附图说明

图1为本发明结构组成示意图；

图2为电容探针结构及工作原理示意图；

图3为固定环结构示意图；

图4为分层流液膜分布测量示意图；

图5为环状流液膜分布测量示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由电容探针1、液相电极2、固定环3、电容测量模块4以及信号采集计算机5组成，固定环3位于被测管道6的中心，电容探针1的一端固定在固定环3上的定位孔12中，另一端通过布置在管壁上的引线孔7与探针接线柱8上的电容电极9相连，若干个电容探针1在管道6的横截面上呈放射状分布，电容电极9和液相电极2分别通过导线与电容测量模块4相连，电容测量模块4通过数据线与信号采集计算机5相连。

如图2所示，所述的电容探针1为双层结构，中心为导电芯10，导电芯10的外壁均匀涂覆有一层绝缘薄膜11，绝缘薄膜11厚度小于0.1mm。

如图3所示，所述的固定环3为中空不导电圆环，固定环3外径小于被测管道6内径的1/10,圆环壁面沿周向均匀布置若干个定位孔12，定位孔12的直径为探针直径的1.2-1.5倍，嵌装在探针定位孔12中的电容探针1的端部绝缘处理且由绝缘铆钉13固定，电容探针1与定位孔12之间的间隙由绝缘胶密封。

如图1所示，所述的引线孔7沿周向均匀布置在管道6外壁上，为贯穿孔，其直径为电容探针1直径的1.2-1.5倍，其位置和固定环3上的定位孔12一一对应，接线柱8安装在引线孔7的外侧，接线柱8的电容电极9为导电金属，电容探针1的导电芯10与电容电极9相连，电容探针1与引线孔7之间的空隙由绝缘胶密封。

所述的液相电极2为导电金属，嵌装在管道6靠近底部的内壁上，其端面与管道6内壁齐平，与管内液体始终保持接触。

本发明工作原理详细说明如下：

如图2所示，电容探针1为双层结构，中心为导电芯10，外面均匀涂覆有一层绝缘薄膜11，绝缘薄膜11厚度小于0.1mm。当电容探针1与具有一定导电性的液体接触时,导电液体和导电芯10形成圆筒型电容器,绝缘薄膜11充当了电容器的电介质。圆筒型电容器电容大小可用式(1)计算:

式中：L为探针接触的液膜厚度；d为导电体10的直径；δ为绝缘薄膜11的厚度；ε为绝缘薄膜11的介电常数。

由公式可知，由于d，δ，ε均为常数，液膜厚度与探针电容值呈线性关系。此外，由于绝缘薄膜11厚度远小于导电芯直径d，即δ<<d，从而ln((d+2δ)/d)很小，因此2πε/ln((d+2δ)/d)很大，表明该方法具有较高的灵敏度。此外由于ε为绝缘薄膜11介电常数，其值仅与绝缘薄膜的材料有关与流体本身性质无关，因此测量值只取决于与电容探针1接触的液膜厚度，而不受流体本身含盐量、温度、压力等参数波动的影响。

气液两相流常见的分离流型为分层流和环状流，本发明测量这两种流型的原理分别介绍如下：

图4为分层流液膜分布测量示意图。分层流为气液两相流管路一种常见流型，气相在管道6顶部流动，而液相在管道6底部流动，气液相间存在一明显分界面。气液界面以上的电容探针1不与液相接触，液体与电容探针1的导电芯10之间无法形成有效电容器。同时，因液相电极2安装于管道6底部，电容电极9和液相电极2之间无法构成测量回路，所测电容值接近零。而液面以下电容探针1与液体接触，液体与电容探针1的导电芯10之间构成圆筒型电容器，而液相电极2安装于管道6底部，浸没在液体中，从而构成电容测量回路。根据公式(1)可计算出与探针接触的液膜厚度，根据该电容探针1在管截面中相对水平面的角度，通过几何关系即可换算出当地液膜厚度。所有电容探针1测量值通过电容测量模块4测量，在通过数据线输往计算机5进行进一步分析和处理。通过分析多根电容探针1的测量结果即可获知分层流液膜分布情况的数据。

图5为环状流液膜厚度测量示意图。环状流通常发生在气相流速较高的工况，环状流型下，高速气相在管中心流动，而液相贴着管壁流动，形成环状液膜。对于水平管，由于重力影响，所形成的环状液膜沿周向分布并不均匀，顶部液膜较薄，而底部液膜较厚。因电容探针1测量的电容值与电容探针1所接触的总液膜厚度成正比，对于传统的测量方法，一根电容探针1沿直径方向布置，贯穿整个管道6的横截面，所测量液膜厚度实质上包括了两个管壁处的液膜厚度。而对于不均匀环状流，这两处液膜厚度往往并不一致，因此无法准确获得周向液膜分布的准确信息。而对于本发明，如图1、图5所示，电容探针1并不直接贯穿整个管截面，而是先与固定环3相连，电容探针1在固定环3上的定位孔12内由绝缘铆钉13固定。固定环3为绝缘材料制成，电容探针1与固定环3定位孔12之间的间隙以及电容探针1的端面均由绝缘胶密封，不与导电液体发生电接触。因此，各个电容探针1之间相互绝缘，相互之间形成独立的测量电路。通过测量得到各个电容探针1处的液膜分布即可获得整个环状流液膜沿周向分布的信息。

本实施例所展示的电容探针1的数目为8个，实际测量过程中，为更精确测量液膜分布的信息，可增加电容探针1的数目。

如图1，图4，图5所示，固定环3位于管道6中心，各个电容探针1保持张紧状态，相互之间形成稳定的支撑结构。同时，由于电容探针1直径及固定环3壁厚很小，对流动干扰可以忽略，从而可以保证测量结果的准确性。

综上，本发明通过独特的电容探针布局方式，克服了传统的电容探针仅能测得探针接触的总液膜厚度而无法识别局部液膜厚度大小的缺点，可以实现对分层流、环状流等气液两相分离流型的准确测量。

此外，本发明消除了传统电容探针两侧同时与液相接触时造成的液膜厚度识别误差，电容探针布局简单，测量不受介质含盐量变化，以及温度、压力等操作参数波动的影响，在两相流测量领域具有宽广的应用前景。

Claims (4)

1.一种电容式气液两相分离流液膜分布测量装置，其特征在于：主要由电容探针(1)，液相电极(2)，固定环(3)，电容测量模块(4)以及信号采集计算机(5)组成，固定环(3)位于被测管道(6)的中心，电容探针(1)的一端固定在固定环(3)上的定位孔(12)中，另一端通过管壁上的引线孔(7)与探针接线柱(8)上的电容电极(9)相连，若干个电容探针(1)在管道(6)的横截面上呈放射状布置，电容电极(9)和液相电极(2)分别通过导线与电容测量模块(4)相连，电容测量模块(4)通过数据线与信号采集计算机(5)相连；

所述的固定环(3)为中空不导电圆环，固定环(3)外径小于被测管道(6)内径的1/10，圆环壁面沿周向均匀布置有若干个定位孔(12)，定位孔(12)的直径为探针直径的1.2-1.5倍，嵌装在探针定位孔(12)中的电容探针(1)的端部绝缘处理且由绝缘铆钉(13)固定，电容探针(1)与定位孔(12)之间的间隙由绝缘胶密封。

2.根据权利要求1所述的一种电容式气液两相分离流液膜分布测量装置，其特征在于：所述的电容探针(1)为双层结构，中心为导电芯(10)，导电芯(10)的外壁均匀涂覆有一层绝缘薄膜(11)，绝缘薄膜(11)厚度小于0.1mm。

3.根据权利要求1所述的电容式气液两相分离流液膜分布测量装置，其特征在于：所述的引线孔(7)沿周向均匀布置在管道(6)外壁上，为贯穿孔，其直径为电容探针(1)直径的1.2-1.5倍，其位置和固定环(3)上的定位孔(12)一一对应，接线柱(8)安装在引线孔(7)的外侧，接线柱(8)的电容电极(9)为导电金属，电容探针(1)的导电芯(10)与电容电极(9)相连，电容探针(1)与引线孔(7)之间的空隙由绝缘胶密封。

4.根据权利要求1所述的一种电容式气液两相分离流液膜分布测量装置，其特征在于：所述的液相电极(2)为导电金属，嵌装在管道(6)靠近底部的内壁上，其外端面与管道(6)内壁齐平，与管内液体始终保持接触。