CN113063341B - 环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置及方法，由信号发生器、信号分配器、电导传感器组、信号处理电路以及数据采集装置组成；信号发生器用于产生矩形脉冲激励信号；信号分配器用于将矩形脉冲激励信号同时分配至所有电导传感器；当管道内通过液膜时，所有电导传感器用于将液膜的厚度转化为电流信号；信号处理电路用于将电流信号进行整流、滤波及放大后转化为电压信号；当所有电导传感器完成一次电流信号采集后记为一个测量周期，数据采集装置用于将一测量周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度。本发明实现了对环状流内壁面附着流动液膜及界面波的实时三维测量，解决了目前测量方法难以实现无干扰、三维测量的问题。

Description

环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置及方法

技术领域

本发明属于液膜厚度监测技术领域，具体涉及环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置及方法。

背景技术

环状流是能源、化工领域经常遇到的一种气液两相流型，其特点为大部分液体成膜状附着于管内壁，而气体在管中心区域夹带小液滴高速流过。如锅炉水冷壁管束中，随着水的不断蒸发，在管束末端会形成环状流，当环状流液膜蒸发完后则会出现传热恶化区域，导致水冷壁的超温；在降膜冷却器内，液膜的特性将直接影响管壁两侧介质的换热效率；在多相集输管道等设施内，液膜的分布特性则是影响输送效率、管内壁冲刷腐蚀特性的重要因素。以上环境中的液膜通常具有动态流动、三维分布、导电、表面存在明显界面波动等特点，对此类液膜厚度分布、界面波动规律的实时准确测量是确保此类设施性能的重要基础，同时也是研究环状流、环雾状流中基础科学问题的重要手段。

目前液膜厚度的直接测量方法主要有电学法、光学法、超声波法等。电学法又包括电容法、电导法两大类，如双平行或双环电导探针、单丝电容探针、电容层析成像等，其中，电导法是最为常用、可靠的方法之一，可实现单点测量及面积测量，电容法则对信号的屏蔽与处理要求较高，且测量结果易受周围环境的影响；光学法包括红外热像法、激光衍射法、激光诱导荧光法、图像处理法、X射线法等，光学法由于采用红外、激光等光源，容易受背景的温度、背景的透射性、气液界面的波动性及反射特性等因素影响，难以用于非平直壁面上液膜厚度的测量；超声波法在实际使用过程中则受其衰减周期、多次回波等因素影响，测量实时性及准确性难以控制。

电导法测量液膜厚度具有成本低、设备简单、易操作等优点，近年来在液膜厚度测量中得到了广泛应用。如中国专利申请文本《一种采用电导探针测量液膜厚度随时间变化的实验装置及测量方法》(公开日2016年4月6日，公开号CN105466326A，申请日2015年12月16日)、《一种界面波动含气液膜厚度实时测量装置及测量方法》(公开日2012年9月19日，公开号CN102175130B，申请日2011年3月3日)、《导电基板上液膜厚度的测量方法》(公开日2008年4月9日，公开号CN101159225A，申请日2007年11月7日)等公开了可实现液膜厚度的点测量，进而通过移动探头实现多点测量的不同方法，为侵入式测量；中国专利申请文本《实时测量多相管流中相含率和相界面的电导探针测量系统》(公开日2006年3月27日，公开号CN1847836A，申请日2006年3月27日)公开了一种能够实现单点测量的双平行探针及面积平均液膜厚度的双环探针，其中双平行探针为侵入式测量，双环探针测量结果则为轴向面积的平均值，中国专利申请文本《贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器、装置、系统及标定装置》(公开日2019年5月7日，公开号CN109724508A，申请日2019年1月26日)公开的液膜厚度测量方法与双环电导探针类似；中国专利申请文本《一种实现壁面液膜厚度多点实时测量的装置》(公开日2018年7月17日，公开号CN108286934A，申请日2018年4月9日)提供了一种能够实现壁面液膜厚度多点实时测量的装置及方法，可实现7个点液膜厚度的切换测量，不同传感器切换间隔时间小于35ms，可实现液膜厚度的二维分布测量，且不干扰流场，但该方法并非同步测量，不同测点之间存在时间差，环状流液膜厚度变化频率较高，该方法存在一定延迟。

综上所述，目前基于电导法的液膜厚度测量方法或采用侵入式测量、或采用面积测量、或通过移动探头实现多点测量，都具有一定的局限性，无法实现环状流工况下三维液膜分布的实时动态测量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置及方法，可以解决目前电导法测量液膜装置中存在的干扰流场、单点测量、面积测量的问题，实现环状流周向及轴向流动液膜及界面波的三维动态测量。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置，包括信号发生器、信号分配器、电导传感器组、信号处理电路和数据采集装置，所述电导传感器组由若干电导传感器按照纵横向间隔排列组成，所述电导传感器包括绝缘板和设置在所述绝缘板上的发射电极和接收电极；所述电导传感器组设置在管道内壁上沿周向开设的环形凹槽内，且所述电导传感器组的端面与所述管道的内壁面平齐；

所述信号发生器与所述信号分配器连接，所述信号分配器与每个所述电导传感器的发射电极连接，每个所述电导传感器的接收电极与所述信号处理电路连接，所述信号处理电路与所述数据采集装置连接；

所述信号发生器用于产生矩形脉冲激励信号；所述信号分配器用于将矩形脉冲激励信号同时分配至所有所述电导传感器；当所述管道内通过液膜时，所有所述电导传感器用于将液膜的厚度转化为电流信号；所述信号处理电路用于将电流信号进行整流、滤波及放大后转化为电压信号；当所有所述电导传感器完成一次电流信号采集后记为一个测量周期，所述数据采集装置用于将一个测量周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度。

进一步地，所述数据采集装置根据预先对所述电导传感器的电压与液膜厚度的标定关系，将一个周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度。

进一步地，所述电导传感器组采用柔性电路板制作。

进一步地，所述信号分配器对相邻两个测量周期之间的切换频率超过kHz。

进一步地，所述信号分配器为高频施密特触发器。

进一步地，所述数据采集装置将一个测量周期内的电压信号转化成液膜厚度后以数据和/或图像的方式输出。

进一步地，所述数据采集装置还用于将一个测量周期内的电压信号进行存储。

环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量方法，应用所述的测量装置，所述信号发生器产生矩形脉冲激励信号；所述信号分配器将矩形脉冲激励信号同时分配至所有所述电导传感器；当所述管道内通过液膜时，所有所述电导传感器将液膜的厚度转化为电流信号；所述信号处理电路将电流信号进行整流、滤波及放大后转化为电压信号；当所有所述电导传感器完成一次电流信号采集后记为一个测量周期，所述数据采集装置将一个测量周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明将电导传感器组设置在管道内壁上沿周向开设的环形凹槽内，且所述电导传感器组的端面与所述管道的内壁面平齐。通过信号发生器产生矩形脉冲激励信号；信号分配器将矩形脉冲激励信号同时分配至所有电导传感器；当管道内通过液膜时，所有电导传感器将液膜的厚度转化为电流信号；信号处理电路将电流信号进行整流、滤波及放大后转化为电压信号；当所有电导传感器完成一次电流信号采集后记为一个测量周期，数据采集装置将一个测量周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度。可见，本发明通过电导传感器组的循环扫描实现管内附着液膜周向及轴向分布的三维在线测量；通过信号发生器及信号分配器的高频切换实现液膜厚度及界面波的动态在线测量；采用柔性电路板制作电导传感器贴片，并安装于管道内预留环形槽部位，实现对管内液膜的非侵入式在线测量；基于被测液膜厚度确定电导传感器发射电极与接收电极之间的距离，采用输出信号与液膜厚度具有明显线性关系的区域设计电导传感器，实现液膜厚度的精确测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置组成及管道安装示意图；

图2为图1中a-a向示意图；

图3为本发明电导传感器组示意图；

图4为本发明单个电导传感器示意图；

图5为本发明信号分配器的电路开关示意图；

图6为本发明电导传感器输出信号随液膜厚度的变化关系。

图中：1.信号发生器；2.信号分配器；3.电导传感器组；310.绝缘板；311.发射电极；312.接收电极；4.信号处理电路；5.数据采集装置；6.管道；7.液膜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明所述的环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置，包括信号发生器1、信号分配器2、电导传感器组3、信号处理电路4和数据采集装置5。

具体的，结合图3和图4所示，电导传感器组3由若干电导传感器31按照纵横向间隔排列组成，若干电导传感器31均匀布置。每个电导传感器31包括绝缘板310和设置在绝缘板310上的发射电极311和接收电极312，适用于导电性液膜厚度的测量。当发射电极311和接收电极312中间无液膜覆盖时，电导传感器处于关闭状态，当存在导电性液膜覆盖时，发射电极311和接收电极312之间的电阻将随液膜厚度的变化而变化，电导传感器也根据液膜厚度的变化输出不同大小的电流信号。电导传感器组3采用柔性电路板制作，可贴覆于管道6内壁上预留开设的环形凹槽部位，不干扰管道6内部流场，同时可以实现沿管壁周向及轴向液膜厚度分布的测量。

发射电极311和接收电极312之间的距离可依据被测液膜厚度的范围确定，通常情况下环状流液膜厚度在1mm左右，图6显示了不同距离发射电极311和接收电极312在不同液膜厚度下的输出信号特征，可以发现图6中存在明显的线性关系区域，这是本发明的基础。被测液膜厚度增加时可依据相同原理改变发射电极311和接收电极312之间的距离，以获取有效的线性区域，详见图6。

如图1和图2所示，电导传感器组3安装在管道6内壁上沿周向开设的环形凹槽内，且电导传感器组3的端面与管道6的内壁面平齐。信号发生器1与信号分配器2连接，信号分配器2与每个电导传感器31的发射电极311连接，每个电导传感器31的接收电极312与信号处理电路4连接，信号处理电路4与数据采集装置5连接。信号发生器1用于产生矩形脉冲激励信号；信号分配器2用于将矩形脉冲激励信号同时分配至所有电导传感器31；当管道6内通过液膜7时，所有电导传感器31用于将液膜7的厚度转化为电流信号；信号处理电路4用于将电流信号进行整流、滤波及放大后转化为电压信号；当所有电导传感器31完成一次电流信号采集后记为一个测量周期，数据采集装置5用于将一个测量周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度。也就是说，数据采集装置5根据预先对电导传感器31的电压与液膜厚度的标定关系，将一个周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度。

信号分配器2的开关电路示意图如图5所示，将信号发生器1产生的矩形脉冲信号同时加载到电导传感器组3上，此时每个电导传感器31将受电导传感器表面液膜厚度的影响输出不同大小的电流信号；当信号分配器2切换频率远高于液膜变化速度时，电导传感器组3的所有电极连续两次测量的时间间隔小于0.05ms，远高于液膜厚度的变化速度，从而实现液膜厚度在管道周向及轴向分布以及界面波的动态测量。

本发明中，信号分配器2为高频施密特触发器，信号分配器2对相邻两个测量周期之间的切换频率超过20kHz。相对于环状流内液膜的流动速度(通常＜10m/s)及液膜厚度变化速度而言，完全满足液膜厚度动态变化及界面波发展演化的实时测量。

优选的，数据采集装置5将一个测量周期内的电压信号转化成液膜厚度后以数据和/或图像的方式输出，并将一个测量周期内的电压信号进行存储。

详细的说，本发明的信号处理电路4的主要功能包括：1)信号跟随，保证矩形激励信号不变形且进行低频噪声滤波；2)电流-电压转换，将电流信号转换为电压信号；3)高频噪声滤波；4)信号放大，将直流信号进行放大，降低外输电路对调理信号的影响。

数据采集装置5的主要功能包括：1)模数转换；2)归一化处理，将单个扫描周期内所有电导传感器的输出信号进行归一化处理；3)电压-物理信号转换，将单个扫描周期内所有电导传感器的输出信号转变为物理信号；4)信号融合，将单个扫描周期内所有电导传感器的输出信号进行融合并以图像及数据的形式输出实时测量结果；5)数据存储，将电导传感器输出原始信号进行存储。

本发明所述的环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量方法为：信号发生器1产生矩形脉冲激励信号；信号分配器2将矩形脉冲激励信号同时分配至所有电导传感器31；当管道6内通过液膜7时，所有电导传感器31将液膜7的厚度转化为电流信号；信号处理电路4将电流信号进行整流、滤波及放大后转化为电压信号；当所有电导传感器31完成一次电流信号采集后记为一个测量周期，数据采集装置5将一个测量周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度。

也就是说，工作前，将电导传感器组3安装于管道6内壁预留槽内，电导传感器周向长度与管道6内预留槽周长一直、轴向长度可依据测量需求灵活更改；安装后电导传感器内表面与管道内壁面持平，液膜在电导传感器表面流过，实现对非平直流动液膜厚度的非侵入式三维测量。工作时，矩形脉冲激励信号由信号发生器1生成，经信号分配器2后同时到达电导传感器组3，见图5，电导传感器组3的每个电导传感器31将依据其表面液膜厚度输出不同的电流信号，每个电导传感器31输出的电流信号经信号处理电路4进行整流、滤波及放大后转化为电压信号后进入数据采集装置5，数据采集装置5将一个测量周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度显示并存储。

具体的说，电导传感器组3的数据采集完毕后，一个测量周期完成，此时，由数据采集装置5对测量周期内的所有信号进行融合显示；进而由信号分配器2控制，将下次矩形脉冲信号输送至电导传感器组3，实现流动液膜厚度周向及周向分布的三维测量。

电导传感器的发射电极311和接收电极312之间的距离可依据被测液膜的厚度灵活设计，本实施例中仅展示了电导传感器被厚度小于1mm液膜覆盖时，电导传感器输出信号与发射电极311和接收电极312之间的距离的关系。

综上，本发明公开了环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置及方法，由信号发生器、信号分配器、电导传感器组、信号处理电路以及信号采集装置组成；电导传感器组采用柔性电路板制作，由多个单独的电导传感器组成，可安装于管道内壁面，不干扰流场；电导传感器由发射电极、接收电极及绝缘板组成，发射电极与接收电极之间的距离可依据被测液膜的厚度灵活设计；电导传感器组采用高频触发器实现依次激发，从而实现液膜厚度、界面波周向及轴向分布的三维测量。本发明实现了对环状流内壁面附着流动液膜及界面波的实时三维测量，解决了目前测量方法难以实现无干扰、三维测量的问题。

以上内容结合后可实现一种基于电导法实时测量流动液膜周向及轴向厚度分布的方法。除此之外，本发明所提供方法可用于研究环状流气液界面波的发展及演化规律、液滴在液膜表面的沉积特性等方面。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置，其特征在于，包括信号发生器（1）、信号分配器（2）、电导传感器组（3）、信号处理电路（4）和数据采集装置（5），所述电导传感器组（3）由若干电导传感器（31）按照纵横向间隔排列组成，所述电导传感器（31）包括绝缘板（310）和设置在所述绝缘板（310）上的发射电极（311）和接收电极（312），所述发射电极（311）和所述接收电极（312）在所述绝缘板（310）上间隔分布，相邻两个发射电极（311）和接收电极（312）之间的间距为3mm；所述电导传感器组（3）设置在管道（6）内壁上沿周向开设的环形凹槽内，且所述电导传感器组（3）的端面与所述管道（6）的内壁面平齐；

所述信号发生器（1）与所述信号分配器（2）连接，所述信号分配器（2）与每个所述电导传感器（31）的发射电极（311）连接，每个所述电导传感器（31）的接收电极（312）与所述信号处理电路（4）连接，所述信号处理电路（4）与所述数据采集装置（5）连接；

所述信号发生器（1）用于产生矩形脉冲激励信号；所述信号分配器（2）用于将矩形脉冲激励信号同时分配至所有所述电导传感器（31）；当所述管道（6）内通过液膜（7）时，所有所述电导传感器（31）用于将液膜（7）的厚度转化为电流信号；所述信号处理电路（4）用于将电流信号进行整流、滤波及放大后转化为电压信号；当所有所述电导传感器（31）完成一次电流信号采集后记为一个测量周期，所述数据采集装置（5）用于将一个测量周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度；

所述数据采集装置（5）根据预先对所述电导传感器（31）的电压与液膜厚度的标定关系，将一个周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度；

所述电导传感器组（3）采用柔性电路板制作；

所述信号分配器（2）对相邻两个测量周期之间的切换频率超过20kHz；

所述信号分配器（2）为高频施密特触发器。

2.根据权利要求1所述的环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置，其特征在于，所述数据采集装置（5）将一个测量周期内的电压信号转化成液膜厚度后以数据和/或图像的方式输出。

3.根据权利要求1所述的环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量装置，其特征在于，所述数据采集装置（5）还用于将一个测量周期内的电压信号进行存储。

4.环状流流动液膜厚度及界面波的三维实时测量方法，其特征在于，应用如权利要求1至3任一项所述的测量装置，所述信号发生器（1）产生矩形脉冲激励信号；所述信号分配器（2）将矩形脉冲激励信号同时分配至所有所述电导传感器（31）；当所述管道（6）内通过液膜（7）时，所有所述电导传感器（31）将液膜（7）的厚度转化为电流信号；所述信号处理电路（4）将电流信号进行整流、滤波及放大后转化为电压信号；当所有所述电导传感器（31）完成一次电流信号采集后记为一个测量周期，所述数据采集装置（5）将一个测量周期内的电压信号进行融合处理后转化成液膜厚度。