CN106643945B - 一种同质气液混合介质质量流量测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同质气液混合介质质量流量测试装置及方法，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。本发明能够提高测试精度，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流量的分离及测试具有重要意义。

Description

一种同质气液混合介质质量流量测试装置及方法

技术领域

本发明属于流体质量流量测量技术领域，特别是气液混合流体流量测量，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测量方法及装置，具体是一种同质气液混合介质质量流量测试装置及方法，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。

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。

目前气液两相流的流量测量方法大致分为两种，即总流量测量法和相含率连续在线测量检测方法。

其中总流量法大多是针对孔板、文丘里管、流量计等进行改进，从而达到测量的目的。如CN102759383A公开了一种基于单节流元件的气液两相流气相流量在线测量方法及装置，它包括安装在测量管道上的差压流量计，在其上还安装有与数据采集处理器相连接的压力变送器、差压变送器和温度变送器，它通过由实验得到的模型，再根据测得的两相压力、温度及节流元件两端的差压信号，从而计算得到气相质量流量；CN1256413A通过涡街发生体使两相流产生涡街，并检测出其迎流面上受到的冲击力和涡街的频率，再由相关模型得到两相流的流量与组份。CN1609563A公开了一种气液两相流流量测量装置，包括压力变送器、过滤器、流量计、90°弯头、差压变送器、温度传感器和气液两相流流量计算仪等，它通过过滤器对流体进行过滤，然后经过流量计得到两相流的工况流量Q，再经过连接两个导体管距离为定值孔眼的差压变送器垂直管道进行密度测量；CN103674139A公开了一种基于质量流量参数统计特征的两相流测量方法，它采用科氏质量流量计测得的瞬时质量流量和瞬时密度及其统计特征，结合存储于计算机中的关联式关系，实现气液两相流含率及流量的测量。

而上面讲到的这些方法主要存在的问题是在对两相流进行测量时得到的差压信号一般波动性比较大，稳定性差，其模型大多为实验得到的模型，针对特别的工况具有一定的精度，但对于用于一般的气液两相流测量，其模型的可重复性较差。另外他们的方法主要用于如油气等不同介质两相流混合的情况，如油介质中混合空气等不同气体介质，适用范围比较局限。

在线测量法无需分离气液两相流，直接进行流量测量。目前应用较多的是进行一些常规仪器仪表的组合应用式的测量方法，包括节流元件或者各种是流量计与电容传感器、电感传感器、电阻层析技术、超声波传感器、微波传感器、光学成像原理及数据传感器的组合等。如CN102305645A公开了一种气液两相流测量装置，它包括介质流通管、差压变送器、数据采集单元和数据传感器，它将流量传感器与电容传感器结合，并通过数据传感器来分析数据，从而达到在气液两相流不分离的情况下同时对气液两相流的流量以及流相含率进行测定，实现了气液两相流与相含率的准确测量；CN 103822676 A公开了一种双锥流量计辅以相关超声波流量计的气液两相流测量装置，它包括双锥力量计、相关超声波流量计、相关超声波流量计信号处理电路和双锥流量计处理电路，它是在V锥流量计的结果上提出的一种新型节流装置，同时利用到了相关超声波流量计信号处理电路和双锥流量计信号处理电路，从而通过计算得到两相流体积流量及气相体积含率的测量精度；CN 1963403 A公开了一种基于截面测量的气液两相流测量方法及装置，该装置在计量管道上有电学层析成像传感器阵列、压力传感器、V形內锥式节流元件计、压差变送器和温度传感器，它利用单相流测量仪表和基于电学敏感原理的过程成像技术来进行数据采集和处理，从而获得气液两相流的流型和截面含气率；CN 103884747 A公开了一种气液两相流相含率实时电容测量系统及其测量方法，利用体积测量的双凹面电容电极测量两相流相含率，主要针对气液分层流、泡状流和段塞流等流型的相含率测量。

上述提到的装置都或多或少的能够解决气液两相流的测量问题。然而上述提到的或者现有的装置，大多用于非同质气液的分离和测量，如油中含有气泡等的测量，而对同质流体却很少关注。另外这类方法用于不同属性介质混合的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，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，价值无任何保护措施，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，提供一种同质气液混合介质质量流量测试装置及方法，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流量的分离及测试具有重要意义；对混合介质的保护，可以确保其在测量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。

本发明的技术方案是：一种同质气液混合介质质量流量测试装置，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；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形管上连接有测量其内部液体温度的第二温度传感器以及测量其内部液体压力的第二压力传感器；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。

一种同质气液混合介质质量流量测试方法，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)将要测量的同质气液两相流混合流体接入进口管，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的流量；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的流量；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。

上述气路的流量计算公式为：

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

上述液路的流量的计算公式为：

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

本发明的有益效果：本发明涉及的装置和方法可用于同质两相流介质混合的介质流量测量，如用于液氮(氮气)、液氢(氢气)、水(水蒸气)等同质介质。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流量参数，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。本发明的测试方法及装置设置的隔热处理方案，将最大程度地确保同质介质在测量过程不会产生属性的变化，从而提高测试参数的精度。其装置主要针对的是同质气液两相流体的各个混合单相流体的流量测试，是两相流流量测试方法及其装置的重要补充。鉴于其结构简单，测量精度高、抗环境干扰性强等特性，特别适用于低温工程、航空航天工程、石油化工领域等中的轴承润滑或者高速密封流量或泄漏量的测试。

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是本发明的装置结构示意图；

附图2是本发明的测试流程图。

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。

具体实施方式

如附图1及图2所示，本发明公开了一种同质气液混合介质质量流量测试装置及方法，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；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上连接有测量其内部液体温度的第二温度传感器9以及测量其内部液体压力的第二压力传感器10；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。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。

参见图2，本发明的同质气液混合介质质量流量测试方法，包括如下步骤：

1)对分离器2进行抽真空处理：先将分离器2与各部件连接固定好，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，让内、外两层之间间隙形成真空，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，保证在进行分离时是真空绝热的，如此可保证在分离过程中气液两相流体的各项参数不发生变化，进而达到测量的准确性。

2)将要测量的同质气液两相流混合流体接入进口管1，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的流量；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的流量；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。

所述气路的流量计算公式为：

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(由第一压差变送器测试得到)；C₁和ε₁根据节流装置推荐公式获得，具体采用里德—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，将直接利用第一压力传感器、第一温度传感器及第一压差变送器测得的数值。β₁和A₁都由气路文丘里管结构大小决定，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

所述液路的流量的计算公式为：

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)，C₂根据节流装置推荐公式获得，具体采用里德—哈里斯/加拉赫公式(Reader-Harris/Gallagher)得到；而β₂和A₂都由液路文丘里管结构大小决定。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

综上所述，本发明首先将要测量的气液两相流体经过进口管1进入装置，然后通过分离器2将气液两相流进行分离。由于分离器2所必须具有的功能是真空绝热的，可以保证同质混合流体不受外界的影响，在分离器2把气液两相流进行分离，这样就能够使得分离后的气体和液体的各项参数不会改变，进而保证后面测量的准确性。

分离后的气体流向分离器2上方的倒U型管3，然后再流入气路文丘里管7中进行气体流量的测量。测量方式如下：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、气路文丘里管7前的温度T₁和压力P₁，再利用第一差压变送器8测得压差Δp₁。

采用公式计算得到气路的介质流量。分离后的液体流向分离器下方的U型管4，然后再流入液路文丘里管11中进行液体流量的测量，测量方式跟气体测量类似，采用公式计算得到液路的介质流量。

最后分离后的气体和液体再经过出口管13混合后流出本发明的装置。

本发明的装置能够使氮气与液氮混合得同质两相流体在流进进口管的各项流体属性与流出出口管时的是一致的，确保了实验的准确性；本装置主要针对同质气液两相流介质的流量测量，能够完善现有两相流测试装置及方法的不足。本装置及方法首先实现同质气液混合两相流通过进口管后到达竖直的分离管，由此实现混合流体分离成为单相流体；然后再利用文丘里管和差压变送器分别对各相的流量进行单独测量。本装置在分离过程中采用了真空隔热处理，实现对混合介质的保护，保证了同质介质在测量时的维持原有的属性状态不变，对于同质介质气液混合流体流量的分离及测试具有重要意义，是常规两相流流量测试方法及其装置的重要补充。提出的装置结构简单，流量测量方法精度高、抗环境干扰性强，特别适用于低温工程、航空航天工程、石油化工领域等中的轴承润滑或者高速密封流量或泄漏量的测试以及同质混合流体的气液两相流流量或流体流量的单独测试。

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 (1)

1.一种同质气液混合介质质量流量测试方法，其特征在于，该方法采用的同质气液混合介质质量流量测试装置，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)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；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)上连接有测量其内部液体温度的第二温度传感器(9)以及测量其内部液体压力的第二压力传感器(10)；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；

该方法包括如下步骤：

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)将要测量的同质气液两相流混合流体接入进口管(1)，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的流量；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的流量；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；

所述气路的流量计算公式为：

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

所述液路的流量的计算公式为：

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