CN110160882A - 一种气液两相流体体积弹性模量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液两相流体体积弹性模量测量装置和方法，包括工作台和容器，所述容器上设有一个容腔，在容腔内设置有活塞杆，所述活塞杆的伸出端连接有驱动系统，在所述容器侧壁上设置有压力传感器和温度传感器，在容器的容腔与箱体间形成气液两相流体循环回路，所述箱体连接有加气抽气装置，在箱体内部设置有加热装置，驱动系统带动活塞杆运动，可改变容器容腔内流体的压力，加气抽气装置可改变气液两相流体的含气率，加热装置可改变气液两相流体的温度，获得压力、含气率和温度等参数后可计算不同状态下容腔内气液两相流体的体积弹性模量，本装置的测量包含了压力、含气率和温度三个变量因素，且测量精度高。

Description

一种气液两相流体体积弹性模量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流体体积弹性模量测量，具体地说是一种气液两相流体体积弹性模量测量装置及使用该装置的测量方法。

背景技术

体积弹性模量是衡量气液两相流体可压缩性的重要指标，其值的动态变化直接影响流体传动与控制系统的稳定性、准确性、快速性和可靠性。流体体积弹性模量随流体的压力、温度和含气量的变化而变化。现有流体体积弹性模量测量装置多侧重于压力因素对流体体积弹性模量的影响，而对温度和含气率两个因素考虑较少。尤其针对含气率变化较大的气液两相流体，应从方便调节和易于实现的角度设计测量装置。因此，设计一套可同时考虑压力、温度和含气量因素影响，且简单可行的流体体积弹性模量测量装置是一个亟待解决的关键问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可对不同条件下气液两相流体体积弹性模量进行测量的试验装置及其测量方法，可综合考虑流体压力、温度和含气率对流体体积弹性模量的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种气液两相流体体积弹性模量测量装置，包括工作台，在工作台上设置有容器安装座，在容器安装座上安装容器，所述容器上设有一个容腔，在容腔内设置有活塞杆，所述活塞杆穿过容器安装座，所述活塞杆与容器的容腔滑动密封连接，所述活塞杆的伸出端连接有驱动系统，在所述容器侧壁上设置有压力传感器和温度传感器，分别用于测量容器容腔内流体的压力和温度，所述活塞杆内置位移传感器，在容器上设置有流体入口和流体出口，在流体出口处连接截止阀，截止阀出口端通过管道接至箱体，箱体连接液压泵的流体入口，液压泵的流体出口与单向阀流体入口相连，单向阀流体出口与容器的流体入口相连，溢流阀安装在液压泵的流体出口与箱体之间，所述箱体连接有加气抽气装置，在箱体内部设置有加热装置。

驱动系统带动活塞杆运动，可改变容器容腔内流体的压力，加气抽气装置可改变容器容腔内流体的含气率，加热装置可改变容器容腔内流体的温度，通过压力传感器和温度传感器直接读取数值，通过位移传感器获取到活塞杆的位移，可获取容器容腔内流体的原始状态和当前状态的体积，从而根据体积弹性模量公式，可计算出此时容腔内流体的体积弹性模量。本装置的测量包含了压力、温度和含气率的三个变量因素。

所述驱动系统包括伺服电机和滚珠丝杠副，所述伺服电机通过电机安装座固定安装在工作台上，工作台上还固定设置有左轴承座、垫块、右轴承座，左轴承座和右轴承座之间穿接有滚珠丝杠，滚珠丝杠左端穿过左轴承座后通过联轴器与伺服电机连接，滚珠丝杠右端穿接在右轴承座上，滚珠丝杠上安装螺母座，螺母座上固定连接有连接块，活塞杆左端与连接块通过螺纹连接。

所述驱动系统采用伺服电机和滚珠丝杠副，可以使运动过程平稳，控制精度高。

连接块包括带缺口的固定块和由缺口两端向外水平延伸的肩块，肩块下方固连滑块，连接块通过滑块与导轨连接，导轨固连在垫块上。设置导轨的作用是对连接块的自由度进行约束，保证活塞杆与容器的容腔同轴。

所述加气抽气装置，包括气压源、截止阀、气泵、过滤器、单向阀、无簧单向阀和压力计，所述气压源连接截止阀，再与气泵相连，气泵另一端与过滤器相连，单向阀和无簧单向阀并联在管路中，单向阀流体出口、无簧单向阀流体入口都与过滤器相连，单向阀的流体入口、无簧单向阀的流体出口都与截止阀相连，截止阀另一端与箱体相连，截止阀和压力计分别安装在箱体上。

所述加气抽气装置的作用是向箱体内注入或抽出气体，从而调节箱体内流体的含气量，进而通过循环系统来改变容器的容腔内流体的含气量。

所述箱体内部的加热装置为加热管，通过加热管控制箱体内液体的温度，通过连通容器的循环系统，来控制容器容腔内流体的温度。

在所述活塞杆和容器之间设置有密封圈，达到活塞杆与容器的容腔滑动密封的作用。

所述左轴承座上固连左限位块，所述右轴承座上固连右限位块。限位块的作用在于避免滑块从导轨上脱出。

利用本发明所述气液两相流体体积弹性模量测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：检查气液两相流体体积弹性模量测量装置的设备和管路连接是否安全可靠，确保各连接配合处无泄漏；

步骤二：在进行气液两相流体体积弹性模量测量之前，驱动系统控制活塞杆位于左限位块和右限位块的中位位置并保持静止，打开截止阀，启动液压泵，将箱体中的流体输送至容器容腔中，再经截止阀回到箱体以排出空气，空气排出后关闭液压泵和截止阀；

步骤三：伺服电机通过滚珠丝杠副驱动活塞杆对容器容腔中的流体进行周期性的压缩膨胀循环，压力传感器实时记录容器容腔中的流体压力，活塞杆的内置位移传感器记录活塞杆的位移，根据体积弹性模量公式：计算出此时容腔内流体的体积弹性模量；

步骤四：

(a)测量不同温度下流体的体积弹性模量：在进行步骤一后，启动加热管，一段时间后，进行步骤二和三，温度传感器可实时记录容器容腔中流体的温度，在不同温度下重复数次，可得到不同温度下流体的体积弹性模量。

(b)测量含气率不同时流体的体积弹性模量：加气操作：在进行步骤一后，依次打开截止阀、气泵和截止阀，对箱体中的流体充气加压，一段时间后，关闭截止阀、气泵和截止阀，静置一段时间，待气体充分溶解后进行步骤二和步骤三；抽气操作：在进行步骤一后，依次打开截止阀、气泵和截止阀，对箱体中的流体抽气减压，一段时间后，关闭气泵和截止阀，待流体中气体充分析出后，再打开气泵和截止阀，进行抽气，然后关闭截止阀、气泵和截止阀，进行步骤二和步骤三；重复数次，可得到含气率不同时流体的体积弹性模量。

本发明的有益效果在于：

一、装置中安装有气相支路，可对流体含气率进行变量控制，有助于研究含气率对流体体积弹性模量的影响；还包含了压力和温度两个变量因素，可综合考虑流体压力、温度和含气率对流体体积弹性模量的影响。

二、本发明驱动部分采用伺服电机和滚珠丝杠副的组合，可提高加载活塞杆位置控制和定位精度，适用于流体动态体积弹性模量的测量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明气液两相流体体积弹性模量测量装置示意图。

图中：1—伺服电机；2—电机安装座；3—联轴器；4—左轴承座；5—左限位块；6—螺母座；7—连接块；8—活塞杆；9—滚珠丝杠；10—滑块；11—导轨；12—右限位块；13—容器安装座；14—密封圈；15—压力传感器；16—温度传感器；17—容器；18—截止阀A；19—单向阀A；20—液压泵；21—溢流阀；22—气压源A；23—气压源B；24—截止阀B；25—截止阀C；26—气泵；27—过滤器；28—单向阀B；29—无簧单向阀；30—截止阀D；31—截止阀E；32—压力计；33—箱体；34—加热管；35—右轴承座；36—垫块；37—工作台。

具体实施方式

在本发明中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“出口”、“进口”、“之间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种气液两相流体体积弹性模量测量装置，包括工作台37，在工作台37上设置有容器安装座13，在容器安装座13上安装容器17，所述容器17上设有一个容腔，在容腔内设置有活塞杆8，所述活塞杆8穿过容器安装座13，所述活塞杆8与容器17的容腔滑动密封连接，所述活塞杆8的伸出端连接有驱动系统，在所述容器17侧壁上设置有压力传感器15和温度传感器16，分别用于测量容器17容腔内流体的压力和温度，所述活塞杆8内置位移传感器，在容器17上设置有流体入口和流体出口，在流体出口处连接截止阀18，截止阀18出口端通过管道接至箱体33，箱体33连接液压泵20的流体入口，液压泵20的流体出口与单向阀19的流体入口相连，单向阀19的流体出口与容器17的流体入口相连，溢流阀21安装在液压泵20的流体出口与箱体33之间，所述箱体33连接有加气抽气装置，在箱体内部设置有加热装置。

驱动系统带动活塞杆8运动，可改变容器17容腔内流体的压力，加气抽气装置可改变容器17容腔内流体的含气率，加热装置可改变容器17容腔内流体的温度，通过压力传感器15和温度传感器16直接读取数值，通过位移传感器获取到活塞杆的位移，可获取容器17容腔内流体的原始状态和当前状态的体积，从而根据体积弹性模量公式，可计算出此时容腔内流体的体积弹性模量。本装置的测量包含了压力、温度和含气率的三个变量因素。

所述驱动系统包括伺服电机1和滚珠丝杠副，所述伺服电机1通过电机安装座2固定安装在工作台37上，工作台37上还固定设置有左轴承座4、垫块36、右轴承座35，左轴承座4和右轴承座35之间穿接有滚珠丝杠9，滚珠丝杠9左端穿过左轴承座4后通过联轴器3与伺服电机1连接，滚珠丝杠9右端穿接在右轴承座35上，滚珠丝杠9上安装螺母座6，螺母座6上固定连接有连接块7，活塞杆8左端与连接块7通过螺纹连接。

所述驱动系统采用伺服电机1和滚珠丝杠副，可以使运动过程平稳，控制精度高。

连接块7包括带缺口的固定块和由缺口两端向外水平延伸的肩块，肩块下方固连滑块10，连接块7通过滑块10与导轨11连接，导轨11固连在垫块36上。设置导轨11的作用是对连接块7的自由度进行约束，保证活塞杆8与容器17的容腔同轴。

所述加气抽气装置、包括气压源22、气压源23,截止阀24、截止阀25、气泵26、过滤器27、单向阀28、无簧单向阀29、截止阀30、截止阀31和压力计32，所述气压源22出口与大气相通，入口与截止阀24相连，气压源23出口与截止阀25相连，入口与大气相通，气压源22、截止阀24与气压源23、截止阀25并联在管路中，并与气泵26相连，气泵26另一端与过滤器27相连，单向阀28和无簧单向阀29并联在管路中，单向阀28流体出口、无簧单向阀29流体入口都与过滤器27相连，单向阀28的流体入口、无簧单向阀29的流体出口都与截止阀30相连，截止阀30另一端与箱体33相连，截止阀31和压力计32分别安装在箱体33上。

所述加气抽气装置的作用是向箱体33内注入或抽出气体，从而调节箱体内流体的含气量，进而通过循环系统来改变容器17的容腔内流体的含气量。

所述箱体33内部的加热装置为加热管34，通过加热管34控制箱体内液体的温度，通过连通容器17的循环系统，来控制容器17容腔内流体的温度。

在所述活塞杆8和容器17之间设置有密封圈14，达到活塞杆8与容器17的容腔滑动密封的作用。

所述左轴承座4上固连左限位块5，所述右轴承座35上固连右限位块12。限位块的作用在于避免滑块10从导轨11上脱出。

本发明还提供一种气液两相流体体积弹性模量测量方法，其步骤为：

步骤一：检查气液两相流体体积弹性模量测量装置的设备和管路连接是否安全可靠，确保各连接配合处无泄漏。

步骤二：在进行气液两相流体体积弹性模量测量之前，驱动系统控制活塞杆8位于左限位块5和右限位块12的中位位置并保持静止，打开截止阀18，启动液压泵20，将箱体33中的流体输送至容器17容腔中，再经截止阀18回到箱体33以排出空气，空气排出后关闭液压泵20和截止阀18。

步骤三：伺服电机1通过滚珠丝杠副驱动活塞杆8对容器17容腔中的流体进行周期性的压缩膨胀循环，压力传感器15实时记录容器17容腔中的流体压力，活塞杆8的内置位移传感器记录活塞杆8的位移，根据体积弹性模量公式：计算出此时容腔内流体的体积弹性模量。

步骤四：

(a)测量不同温度下流体的体积弹性模量：在进行步骤一后，启动加热管34，一段时间后，进行步骤二和三，温度传感器16可实时记录容器17容腔中流体的温度，在不同温度下重复数次，可得到不同温度下流体的体积弹性模量。

(b)测量含气率不同时流体的体积弹性模量：加气操作：在进行步骤一后，依次打开截止阀25、气泵26和截止阀30，对箱体33中的流体充气加压，一段时间后，关闭截止阀25、气泵26和截止阀30，静置一段时间，待气体充分溶解后进行步骤二和步骤三；抽气操作：在进行步骤一后，依次打开截止阀24、气泵26和截止阀30，对箱体33中的流体抽气减压，一段时间后，关闭气泵26和截止阀30，待流体中气体充分析出后，再打开气泵26和截止阀30，进行抽气，然后关闭截止阀24、气泵26和截止阀30，进行步骤二和步骤三；重复数次，可得到含气率不同时流体的体积弹性模量。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合，均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种气液两相流体体积弹性模量测量装置，包括工作台(37)，在工作台(37)上设置有容器安装座(13)，在容器安装座(13)上安装容器(17)，所述容器(17)上设有一个容腔，其特征在于：在所述容腔内设置有活塞杆(8)，所述活塞杆(8)穿过容器安装座(13)，所述活塞杆(8)与容器(17)的容腔滑动密封连接，所述活塞杆(8)的伸出端连接有驱动系统，在所述容器(17)侧壁上设置有压力传感器(15)和温度传感器(16)，分别用于测量容器(17)容腔内流体的压力和温度，所述活塞杆(8)内置位移传感器，在容器(17)上设置有流体入口和流体出口，在流体出口处连接截止阀(18)，截止阀(18)出口端通过管道接至箱体(33)，箱体(33)连接液压泵(20)的流体入口，液压泵(20)的流体出口与单向阀(19)的流体入口相连，单向阀(19)的流体出口与容器(17)的流体入口相连，溢流阀(21)安装在液压泵(20)的流体出口与箱体(33)之间，所述箱体(33)连接有加气抽气装置，在箱体内部设置有加热装置。

2.根据权利要求1所述的一种气液两相流体体积弹性模量测量装置，其特征在于：所述驱动系统包括伺服电机(1)和滚珠丝杠副，所述伺服电机(1)通过电机安装座(2)固定安装在工作台(37)上，工作台(37)上还固定设置有左轴承座(4)、垫块(36)、右轴承座(35)，左轴承座(4)和右轴承座(35)之间穿接有滚珠丝杠(9)，滚珠丝杠(9)左端穿过左轴承座(4)后通过联轴器(3)与伺服电机(1)连接，滚珠丝杠(9)右端穿接在右轴承座(35)上，滚珠丝杠(9)上安装螺母座(6)，螺母座(6)上固定连接有连接块(7)，活塞杆(8)左端与连接块(7)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种气液两相流体体积弹性模量测量装置，其特征在于：所述加气抽气装置，包括气压源(22)、气压源(23)、截止阀(24)、截止阀(25)、气泵(26)、过滤器(27)、单向阀(28)、无簧单向阀(29)，截止阀(30)、截止阀(31)和压力计(32)，所述气压源(22)出口与大气相通，入口与截止阀(24)相连，气压源(23)出口与截止阀(25)相连，入口与大气相通，气压源(22)、截止阀(24)与气压源(23)、截止阀(25)并联在管路中，并与气泵(26)相连，气泵(26)另一端与过滤器(27)相连，单向阀(28)和无簧单向阀(29)并联在管路中，单向阀(28)流体出口、无簧单向阀(29)流体入口都与过滤器(27)相连，单向阀(28)的流体入口、无簧单向阀(29)的流体出口都与截止阀(30)相连，截止阀(30)另一端与箱体(33)相连，截止阀(31)和压力计(32)分别安装在箱体(33)上。

4.根据权利要求3所述的一种气液两相流体体积弹性模量测量装置，其特征在于：所述连接块(7)包括带缺口的固定块和由缺口两端向外水平延伸的肩块，肩块下方固连滑块(10)，连接块(7)通过滑块(10)与导轨(11)连接，导轨(11)固连在垫块(36)上。

5.根据权利要求4所述的一种气液两相流体体积弹性模量测量装置，其特征在于：所述箱体(33)内部的加热装置为加热管(34)。

6.根据权利要求5所述的一种气液两相流体体积弹性模量测量装置，其特征在于：在所述活塞杆(8)和容器(17)之间设置有密封圈(14)。

7.根据权利要求6所述的一种气液两相流体体积弹性模量测量装置，其特征在于：所述左轴承座(4)上固连左限位块(5)，所述右轴承座(35)上固连右限位块(12)。

8.一种气液两相流体体积弹性模量测量方法，其特征在于：其步骤包括：

步骤一：利用权利要求7所述的气液两相流体体积弹性模量测量装置，检查设备和管路连接是否安全可靠，确保各连接配合处无泄漏；

步骤二：在进行气液两相流体体积弹性模量测量之前，驱动系统控制活塞杆(8)位于左限位块(5)和右限位块(12)的中位位置并保持静止，打开截止阀(18)，启动液压泵(20)，将箱体(33)中的流体输送至容器(17)容腔中，再经截止阀(18)回到箱体(33)以排出空气，空气排出后关闭液压泵(20)和截止阀(18)；

步骤三：伺服电机(1)通过滚珠丝杠副驱动活塞杆(8)对容器(17)容腔中的流体进行周期性的压缩膨胀循环，压力传感器(15)实时记录容器(17)容腔中的流体压力，活塞杆(8)的内置位移传感器记录活塞杆(8)的位移，根据体积弹性模量公式：计算出此时容腔内流体的体积弹性模量；

步骤四：

a)测量不同温度下流体的体积弹性模量：在进行步骤一后，启动加热管(34)，一段时间后，进行步骤二和三，温度传感器(16)可实时记录容器(17)容腔中流体的温度，在不同温度下重复数次，可得到不同温度下流体的体积弹性模量；

b)测量含气率不同时流体的体积弹性模量：加气操作：在进行步骤一后，依次打开截止阀(25)、气泵(26)和截止阀(30)，对箱体(33)中的流体充气加压，一段时间后，关闭截止阀(25)、气泵(26)和截止阀(30)，静置一段时间，待气体充分溶解后进行步骤二和步骤三；抽气操作：在进行步骤一后，依次打开截止阀(24)、气泵(26)和截止阀(30)，对箱体(33)中的流体抽气减压，一段时间后，关闭气泵(26)和截止阀(30)，待流体中气体充分析出后，再打开气泵(26)和截止阀(30)，进行抽气，然后关闭截止阀(24)、气泵(26)和截止阀(30)，进行步骤二和步骤三；重复数次，可得到含气率不同时流体的体积弹性模量。