CN109324208A - 一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪 - Google Patents

一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪 Download PDF

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Abstract

本发明属于两相流测量领域，具体涉及一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪。本发明包括单通道或多通道超声测量模块、温度变送器、压力变送器、中央处理单元和法兰结构；法兰通过螺纹将超声测量模块、温度变送器和压力变送器连接起来；中央处理单元通过信号电缆线与超声测量模块连接，中央处理单元通过信号电缆线与温度变送器连接，中央处理单元通过信号电缆线与压力变送器连接。本发明既可用于单相流体，也可适用于汽液两相流体状态参数的测量；可同时测量流体的流速、体积流量、密度和质量流量以及相含率等多个参数；温度测量模块、压力测量和超声测量模块一体化集成，装置结构紧凑，设备占用空间小。

Description

一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含 率一体化分析仪
技术领域
本发明属于两相流测量领域，具体涉及一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪。
背景技术
汽液两相流介质广泛存在于能源、化工、医药等领域，是一类非常重要的工业介质。两相流介质参数的准确测量是进行相关生产实践和科学研究的重要基础。其中，汽液两相流密度、质量流量和在线相含率是最为重要且较难准确测量的几个参数。
目前，超声波测量在流体测量领域有着重要的应用，它所具有的非接触、适用范围广泛、结构简单和较高的测量精度等优势是其他测量手段所不能比拟的。
但现有的超声波流量计存在以下短板：一是只能用来测量单相的气流或液流，而对应用广泛的两相流却无能为力；二是只能测得流体的体积流量，无法直接给出流体密度和质量流量；三是无法给出两相流的在线相含率这一重要参数。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术问题，创造性地提出了一种基于超声波声速法的解决方案，即本发明公开了一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪，包括单通道或多通道超声测量模块、温度变送器3、压力变送器2、中央处理单元4和用于支撑上述部件的法兰结构5；所述法兰5通过螺纹将超声测量模块、温度变送器3和压力变送器2连接起来；所述中央处理单元4通过信号电缆线与超声测量模块连接，所述中央处理单元4通过信号电缆线与温度变送器3连接，所述中央处理单元4通过信号电缆线与压力变送器2连接。
所述超声测量模块包含一对或多对收发一体式超声探头、信号控制与处理单元以及安装固定件，所述安装固定件通过螺纹或焊接方式与超声探头连接，所述超声探头通过电缆与信号控制与处理单元连接起来。
所述温度变送器3包含温敏探头和变送器。
所述压力变送器2包含压感探头和变送器。
本发明的有益效果在于：
1.既可用于单相流体，也可适用于汽液两相流体状态参数的测量，如蒸汽-液滴系统；
2.可同时测量流体的流速、体积流量、密度和质量流量以及相含率等多个参数；
3.温度测量模块、压力测量和超声测量模块一体化集成，装置结构紧凑，设备占用空间小。
附图说明
图1为超声波法测量流体流速和介质声速的原理示意图；
图2为本发明公开的一种基于超声测量法的两相流体积流量、密度及相含率一体化分析仪的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
首先阐述测量原理。
流速及体积流量测量原理
图1是超声波体积流量计的工作原理示意图。它包含一对收发一体式超声波探头A和B，分别位于流体的上游和下游。两个探头都能够发射和接收一定频率的超声波信号。它采用顺逆时差法来测量流体流速和体积流量。具体而言，上游A探头发射超声波经流体介质顺向传到下游B探头，所用时间为t1；紧接着，下游B探头发射超声波经流体介质逆向传到上游A探头，所用时间为t2，则顺逆时间差为Δt＝t2-t1，流体流速v可根据以下关系式求得：
式中:
D为管道直径；
θ为超声波波束与管壁之间的安装夹角；
上述流速实际为声程范围内介质的平均流速，因为流体内部流速分布存在一定的差别，故使用多声道/通道方案可更为精确的测得流体平均流速。
流体体积流量可根据以下关系式求得：
两相流密度及质量流量原理
本发明的重要创新点是：在现有超声波体积流量计的基础上，几乎不改变任何现有的硬件及结构，仅需提供测点温度和压强参数，并对对系统所测得的顺逆时间t1和t2进行额外的处理，即可同时获得流体的密度参数。该方案所依据的原理是：声波在流体介质中的传播速度c与流体密度ρ之间具有明确的函数关系：
c2＝K/ρ，
式中，K为介质的体积模量，一般而言，对于汽液两相流，K液>>K汽故在实际应用中，两相流K值一般由K液来替代，该参数可根据系统温度和压力参数查表获得。
图1亦可作为渡越时间法声速测量原理示意图。其中，为超声波在介质中的声程，则超声波在上下游之间的传播速度分别为：则介质声速则两相流介质密度可由以下公式计算得到：
进一步地，可根据以下公式求得流体质量流量：
两相流相含率测量原理
进一步的，在获得两相流混合密度ρ值的基础上，还可根据以下公式推算出两相流体的体积相含率α这一重要参数：
其中α1为相1的体积相含率，ρ1和ρ2分别为相1和相2的密度，可根据系统温压参数查表获得。
如图1和2所示，一种基于超声测量法的两相流体积流量、密度及相含率一体化分析仪，包括超声测量模块、温度变送器3、压力变送器2、中央控制单元4和法兰5；法兰5通过螺纹将所述超声测量模块、温度变送器3、压力变送器2连接起来，中央处理单元4通过信号电缆线与超声波测量模块连接起来，中央处理单元4通过信号电缆线与温度变送器3连接起来，中央处理单元4通过信号电缆线与压力变送器2连接起来。
进一步地，所述超声测量模块包含一对或多对收发一体式超声探头和信号控制与处理单元，能够控制超声波信号的发射、接收及计算超声波的传播时间t1和t2，并将该测量参数传输至中央处理单元4。
所述温度变送器3包含温敏探头和变送器，更进一步地，所述温敏探头将布置在超声探头声道的下游位置，以避免由插入式探头所引起的流体扰动对超声测量造成不利影响。
所述压力变送器2包含压感探头和变送器，更进一步地，所述压敏探头将布置在超声探头声道的下游位置，以避免由插入式探头所引起的流体扰动对超声测量造成不利影响。
所述中央处理单元4的功能是：对传感器测量信号进行采集、加工、传输或显示。
进一步地，所述中央处理单元4将采集来自所述超声探头的测量数据T1和T2以及来自所述温度变送器和所述压力变送器的测量参数T和P。
所述中央处理单元4能够根据上述工作原理对所采集到的测量参数T1、T2、温度T和压力P进行处理，并计算出当前两相流体的流速、体积流量、密度、质量流量以及体积或质量相含率。
所述中央处理单元4能够将其所计算得到的参数值以及原始测量参数值转换为4—20mA或0—10V模拟信号，通过信号电缆实时传输到现场数据采集设备；或转换为数字信号显示在液晶屏上。
上面对本发明的实施方式做了详细说明。但本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种适宜的变化。

Claims (4)

1.一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪，其特征在于：包括单通道或多通道超声测量模块、温度变送器(3)、压力变送器(2)、中央处理单元(4)和用于支撑上述部件的法兰结构(5)；所述法兰(5)通过螺纹将超声测量模块、温度变送器(3)和压力变送器(2)连接起来；所述中央处理单元(4)通过信号电缆线与超声测量模块连接，所述中央处理单元(4)通过信号电缆线与温度变送器(3)连接，所述中央处理单元(4)通过信号电缆线与压力变送器(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪，其特征在于：所述超声测量模块包含一对或多对收发一体式超声探头、信号控制与处理单元以及安装固定件，所述安装固定件通过螺纹或焊接方式与超声探头连接，所述超声探头通过电缆与信号控制与处理单元连接起来。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪，其特征在于：所述温度变送器(3)包含温敏探头和变送器。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波声速法的汽液两相流密度、质量流量及相含率一体化分析仪，其特征在于：所述压力变送器(2)包含压感探头和变送器。
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