CN1353266A

CN1353266A - 一种电阻式气/液两相水平管流动态监测仪及其监测方法

Info

Publication number: CN1353266A
Application number: CN 00133554
Authority: CN
Inventors: 马艺馨; 郑之初; 吴应湘; 李东晖
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2002-06-12
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: CN1107191C

Abstract

本发明涉及电阻式气/液两相水平管流动态监测仪及监测方法,它包括电极阵列传感器、数据采集系统和计算机;其中电极一面的几何中心焊有螺栓,螺栓另一端穿过传感器腔壁并连接数据采集电路与电极的电缆;位于管道最底部的电极接地,其它电极连到多路选择开关的不同通道;选通一个电极后,根据该电极在气相或是液相中,测量点Vm与地间构成开或通路,Vm经过放大的信号送往A/D转换单元转换成数字量,数据处理单元找到液面的位置,显示图象及结果。

Description

一种电阻式气/液两相水平管流动态监测仪及其监测方法

本发明涉及一种两相流的检测装置和检测技术，特别是一种可用于对水平管道中液相具有导电性的气/液两相管流进行流态识别和参数测量的动态监测仪器及监测方法。

工业生产中广泛存在着两相流动。两相流动的复杂性导致其测量的困难性。目前所应用的流型测量方法，如参考文献1：《两相流参数检测及应用》，李海青等编著，浙江大学出版社中所描述，分成两大类：一类是直接测量法，根据两相流的流动形式，直接确定流型，如目测法，高速摄影法，射线衰减法和接触探头法；另一类是间接测量法，通过对反映两相流波动特性的信号进行统计分析，确定流型。这些方法各有优缺点，如目测法、高速摄影法具有直观性的优点，但只适用于透明管道及透明流体；射线衰减法存在着潜在的放射性污染的危险；间接测量法通常需要较小的硬件，但要以充分的先验知识和可靠的数学模型为基础；等等。两相流流态识别技术仍然是一个需要继续研究和探索的领域。

如图1所示，水平管道中的气/液两相流流态主要有6种：层状流，波状流，弹状流，栓状流，泡状流，环状流。由于重力的作用，工业生产中最为常见的是前四种流态。而在这四种流态中，都会存在着图4所示的气/液界面(液面)。判断出该液面的位置，就可以估计出空隙率，与流速、时间等信息结合可以进一步给出流率、流态、气栓长度等信息。

本发明的目的在于：克服已有技术的缺点，采用速度快、低成本、无辐射污染的电学测量方法及专用装置，对液相具有导电性的水平管道中的气/液两相流的四种主要流态，包括层状流、波状流、弹状流和栓状流，给出测量截面上的相分布图象和流动沿轴线方向的截面图，进行流态识别，并给出空隙率等流动参数的测量结果，从而为工业生产及科研研究提供一种电阻式气/液两相水平管流动态监测仪及其监测方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供的一种电阻式气/液两相水平管流动态监测仪包括一个电极阵列传感器、一个数据采集系统、一个用于控制、数据处理和图象显示的计算机。其中传感器腔壁采用尼龙或其它的适当的绝缘材料加工而成，传感器腔壁两端与被测水平管两端结合处用法兰密封固定。传感器腔内壁开有与矩形电极片的厚度相同的槽，且槽的宽度略大于电极片的宽度，使矩形电极片嵌入其内。电极采用钨、铜、不锈钢或其它耐腐蚀性金属根据被测管道的内径加工成适当尺寸的矩形电极片，电极片的一面的几何中心焊接有螺栓，螺栓的另一端穿过传感器腔壁，连接数据采集电路与电极的电缆将被用螺母固定在螺栓上。其特征在于，一圈电极阵列的电极总数为奇数，至少为5个电极，电极之间不完全等距离，如图3(c)所示，这种结构可以在相同的电极数目下提高系统的测量精度；在一个传感器腔内壁上依次排列n圈电极阵列；传感器壁可以根据测量要求组装成带有一圈电极阵列(见图3a)或带有二圈电极阵列(见图3b)的传感器。制作时对应每一个电极的位置精确地铣出一个矩形槽，电极片嵌入槽内安装，能够保证电极的定位精度、电极片长边与传感器轴线的平行度、传感器内壁的光滑性好，电极片不会凸出到被测流体中。传感器由多个零件组装而成，使得该传感器结构灵活，并且比直接在一整段管道上铣出电极槽容易；当做成双圈电极阵列的传感器时，只需改变管接件二的轴向长度就能调整图3(b)中相邻两圈电极之间的轴向距离，使得根据测量流体的移动速度、数据采集速度及敏感场特性等对相邻两圈电极之间的轴向距离进行优化成为可能。管接件二与电极阵列之间采用螺纹联接，能够方便地进行组合、改装；如图3b所示：管接件一与法兰一及管接件一与法兰二之间采用紧密配合并用胶粘牢，法兰的使用使得该传感器易于与被测管道等测量对象连接。

所述的数据采集系统的总体结构框图如图2所示，它包括模拟多路选择开关(通道数不少于电极数目)，测量电阻，直流电压源，电压放大电路，模/数转换电路，数据处理单元，图象显示单元，以及对上述单元进行控制的计算机。安装于传感器内壁的电极通过电缆线连接到数据采集系统，位于管道最底部的电极接地；其它电极连接到多路选择开关的不同通道。电压源采用+1.5V或其它较低幅值的直流电源，以防止电极极化。测量电阻由r和R串联构成，r选取为100Ω以上，以防止电源直接加到电极上。多路选择开关选通一个电极后，根据该电极在气相或是液相中，测量点Vm与地之间可以构成开路或通路，使得Vm的值很大或很小。Vm经过电压放大电路放大后的信号送往A/D转换单元转换成数字量，然后数据处理单元找到液面的位置，最后由显示单元显示图象及其它测量结果。

测量过程如下：首先，计算机发出信号，使整个数据采集系统可以开始工作。其次，计算机控制多路开关从位于管道顶部的1号电极开始向下依次接通各电极，电极编号按电极中心的位置由上而下递增，参考图4。每切换一个电极测量一次电压，根据测量电压Vm(测量点的位置参见图2)的幅值判断液面的位置。当测量电极在空气中时，Vm接近于激励源电压；当测量电极在导电性液体中时，测量电压将小于激励源电压，减小的幅度与液体的导电率及测量电阻的阻值有关，可以在测量开始前的仪器标定过程中调整测量电阻R使得Vm的变化非常明显。当找到液面位置后即可停止本组测量，进行流动参数计算并显示图象及其它测量结果。

计算流动参数的方法是，根据所获得的截面图象计算截面相含率。当采用双圈电极阵列传感器时，将两圈电极阵列中相对应位置的两个电极(如第1圈的E1电极和第2圈的E1电极)上的测量电压进行相关运算，可以获得分相流速。由相含率和相速度可以求得瞬时分相流量；瞬时分相流量的累加就是累计分相流量。当液相流速已知时，由于相邻两幅图象之间的时间间隔取决于数据采集时间(一幅图象的数据采集时间等于所测量的电压的数目与采集一个电压的时间的乘积)可知，则流动沿轴向的截面图象可以由所获得的一系列截面图象叠加出来。层状流、波状流、弹状流、栓状流均会出现图4所示的液面，但它们的轴向截面图会不同。根据轴向截面图象，可以判断出流动为哪一种流态。

本发明提供的电阻式监测仪按以下步骤操作：上电后对数据采集系统及图象显示单元进行初始化；将位于管道底部的电极接地；然后开始循环测量。每一次循环从位于管道顶部的电极开始，依次向下选通各个电极，测量电压，搜索液面的位置；找到液面的位置后停止本幅图象的数据采集，显示图象及流动参数的当前测量值。当测量结束时，恢复图形显示环境及数据采集系统的设置。

本发明的效果如下：①能对流动中可能存在的气/液界面的位置做出准确判断，使得本监测仪能够对水平管道中的气/液层状流、波状流、弹状流、栓状流四种流态进行有效的观测；

②本发明的电阻式气/液两相水平管流动态监测仪，在结构上采用电极嵌入传感器腔内壁的槽内的安装方式，使电极与流体接触，传感器对被测流体无扰动；

③该传感器的电极定位准确、形态规范，传感器可以根据测量要求方便地进行组合或改装；

④本发明的电阻式监测仪，数据采集电路简单、快速、稳定、可靠；传感器便于加工、安装，并能根据测量要求进行改造或改装；由于采用相关测量技术，能提供被测流体的流速信息，与空隙率信息一起，能给出流量信息。

下面结合图和实施例对本发明进行详细说明：图1、水平管道中的气/液两相流动形态

1(a)层状流；1(b)波状流；1(c)弹状流；

1(d)栓状流；1(e)泡状流；1(f)环状流图2、本发明的电阻式气/液两相水平管流动态监测仪的系统框图图3、本发明的电阻式监测仪的阵列传感器的设计图

3(a)用于简单的流动监测的单圈电极阵列传感器设计总图

3(b)用于相关测速及流动监测的双圈电极阵列传感器设计总图

3(c)电极阵列的A-A’平面剖视图，A-A’平面的位置见图2(a)图4、水平管道中两类气/液界面位置的示意图

4(a)气/液界面穿过右侧的一个电极；

4(b)气/液界面穿过左侧的一个电极；

图面说明：

1-法兰一； 2-管接件一； 3-电极阵列；

4-法兰二； 5-管接件二； 6-电极安装孔；

7-电极槽； 8-电极安装孔的轴线； 9-电极E0-E14；

10-气相； 11-液相； 12-气/液界面。

实施例1

按图2、图3(a)、图4制作一个至少包含14个多路开关通道的15个电极的电阻式监测仪的数据采集系统用于气/水两相水平管流的动态监测。传感器的安装要求保证电极对E0-E1在垂直方向上(E0-E14的位置参见图4：第0号电极在最底部；第1号电极在最顶端；其它根据电极9中心的位置由上向下依次为E2，E3，...，E14)。传感器选用图3(a)所示的单圈电极阵列3结构，其尺寸如下：传感器内径50mm，装配后的总长度为140mm，金属电极9的尺寸为5×12mm²，法兰一1的轴向长度为20mm，管接件一2的轴向长度为49mm，敏感电极阵列3的轴向长度为45mm，法兰二4的轴向长度为20mm。除相邻电极对E1-E3和E0-E13所对的圆心角为33.75°外，其它相邻电极对所对的圆心角均为22.5°。电极9中的E0接地。该监测仪用于监测一个栓状流动时，首先从电极E19中的开始测量，多路选择开关选通电极E1，当测量到的电压Vm明显小于1.5V时，说明测量截面上不存在着气液界面，不切换电极继续采集电压Vm，直到Vm明显小于1.5V，说明测量截面上存在着一个气/液界面；然后由多路开关选通电极9中的E2，再测量Vm。若Vm明显小于1.5V，说明气/液界面的位置在9中的E2上；否则，说明气/液界面的位置仍在下面，继续往下选通电极9中的E3。依此类推，直到找到气/液界面的位置，结束本幅图象的数据采集，显示截面图象。该系统对气/液界面的位置的最大监测误差为2.38mm(垂直方向)。该仪器能够对流态做出准确的判断，并给出空隙率、气栓长度(栓状流或弹状流)等流动参数的在线测量结果。

实施例2

按图2、图3(b)、制作一套至少包含28个多路开关通道的30个电极的电阻式监测仪的数据采集系统用于气/水两相水平管流的动态监测。传感器选用图3(b)所示的两圈电极阵列结构，尺寸如下：传感器内径为50mm，装配后的总长度为240mm，金属电极的尺寸为5×12mm²，法兰一1的轴向长度为20mm，管接件一2的轴向长度为49mm，敏感电极阵列3的轴向长度为45mm，管接件二5的轴向长度为88mm，法兰二4的轴向长度为20mm。两个电极阵列3的结构同实施例1，传感器安装如图3(b)所示的结构，仍保证电极9中的E0-E1在垂直方向上。电极的编号同实施例1。两个0号电极9仍然接地。测量过程中，首先依次选通上游平面上的电极9中的E1-E14，测量到14个电压数据；然后依次选通下游平面上的的电极9中的E1-E14，又测量到14个电压数据。分别对这两组数据进行处理，可以判断出两个测量平面上是否存在着气/液界面及气/液界面的位置，最后根据气/液界面的位置在计算机屏幕上显示出截面图象，并给出当前的空隙率等测量结果。当测量到足够多组的数据时，可以进行相关运算。将上、下游的测量数据按照电极的位置相对应进行相关，如上游平面上的电极E1的测量电压与下游平面上的电极E1的测量电压进相关，可以计算出离散相的流速。相流速与空隙率一起可以提供相流率等信息，按照时间叠加又可以给出累计相流量。

Claims

1、一种电阻式气/液两相水平管流动态监测仪，包括电极阵列传感器、一个用于控制、数据处理和图象显示的计算机；其特征在于：还包括一个数据采集系统，所述的电极阵列传感器的腔壁采用绝缘材料加工而成，它安装在水平管中间，传感器腔壁两端与被测水平管两端结合处用法兰密封固定；传感器腔内壁开有与矩形电极片的厚度相同的槽，槽的尺寸使其矩形电极片嵌入其内，电极片的一面的几何中心焊接有螺栓，螺栓的另一端穿过传感器腔壁，连接数据采集电路与电极的电缆将被用螺母固定在螺栓上，一圈电极阵列总数为5以上的奇数，电极的间距是不完全等距离，在传感器腔内壁上排列至少一圈或一圈以上的电极阵列；所述的数据采集系统包括一个通道数不少于电极数目的模拟多路选择开关、测量电阻、直流电压源、电压放大电路、模/数转换电路、数据处理单元、图象显示单元；安装于传感器内壁的电极通过电缆线连接到数据采集系统，位于管道最底部的电极接地；其它电极连接到多路选择开关的不同通道上，测量电阻由电阻r和电阻R串联构成，测量电阻的一端与直流电压源电连接，测量电阻的另一端与电压放大电路、A/D转换单元、数据处理单元显示单元按顺序串联，并与模拟多路选择开关并联；计算机控制多路开关从位于管道顶部的1号电极开始向下依次接通各电极，电极编号按电极中心的位置由上而下递增，多路选择开关选通一个电极后，根据该电极在气相或是液相中，测量点Vm与地之间可以构成开路或通路，使得Vm的值很大或很小。Vm经过电压放大电路放大后的信号送往A/D转换单元转换成数字量，然后数据处理单元找到液面的位置，最后由显示单元显示图象及其它测量结果。

2、按权利要求1所述的一种电阻式气/液两相水平管流动态监测仪，其特征在于：所述的矩形电极片包括采用钨、铜、不锈钢或耐腐蚀性的材料制作的。

3、按权利要求1所述的一种电阻式气/液两相水平管流动态监测仪，其特征在于：所述的在传感器腔内壁上排列一圈以上电极阵列，包括把一圈以上的电极阵列均安装在水平管中间，传感器腔壁两端与被测水平管两端结合处用法兰密封固定；传感器腔内壁开有一圈以上与矩形电极片的厚度相同的槽，槽的尺寸使其矩形电极片嵌入其内，电极片的一面的几何中心焊接有螺栓，螺栓的另一端穿过传感器腔壁，连接数据采集电路与电极的电缆固定在螺栓上。

4、按权利要求1所述的一种电阻式气/液两相水平管流动态监测仪，其特征在于：所述的在传感器腔内壁上排列一圈以上电极阵列，包括第一圈电极阵列安装在管接件一中间，通过法兰与管接件二连通，管接件二中再安装第二圈电极阵列，依次类推排列安装n圈电极阵列。

5、按权利要求4所述的一种电阻式气/液两相水平管流动态监测仪，其特征在于：所述的在传感器腔内壁上排列一圈以上电极阵列，n是正整数。

6、一种应用权利要求1所述的一种电阻式气/液两相水平管流动态监测仪进行气/液两相水平管流动态监测的方法，包括以下步骤：首先，启动计算机发出信号，使整个数据采集系统可以开始工作；其次，计算机控制多路开关从位于管道顶部的1号电极开始向下依次接通各电极，电极编号按电极中心的位置由上而下递增；每切换一个电极测量一次电压，根据测量电压Vm的幅值判断液面的位置；当测量电极在空气中时，Vm接近于激励源电压；当测量电极在导电性液体中时，测量电压将小于激励源电压，减小的幅度与液体的导电率及测量电阻的阻值有关，可以在测量开始前的仪器标定过程中调整测量电阻R使得Vm的变化非常明显；当找到液面位置后即可停止本组测量；

然后，根据所获得的截面图象计算截面相含率。当采用双圈电极阵列传感器时，将两圈电极阵列中相对应位置的两个电极，第1圈的E1电极和第2圈的E1电极上的测量电压进行相关运算，可以获得分相流速；由相含率和相速度可以求得瞬时分相流量；瞬时分相流量的累加就是累计分相流量；当液相流速已知时，由于相邻两幅图象之间的时间间隔取决于数据采集时间可知，则流动沿轴向的截面图象可以由所获得的一系列截面图象叠加出来；由于它们的轴向截面图会不同，根据轴向截面图象，可以判断出流动为哪一种流态，进行流动参数计算后并显示图象及其它测量结果。