CN1967159A - 气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法及装置。在置于气液两相泡状流中的涡街流量计旋涡发生体下游一定区间内的测量管管壁上，开设两个对称于旋涡发生体的取压孔，用差压传感器测量这两点之间的差压，再经过信号处理电路分别获得该差压信号的频率和幅度，最后代入气液两相流有关的关联式，计算得到气液两相泡状流的流量与体积含气率。本发明只用了一个涡街流量计即实现了同时测量气液两相泡状流的流量和体积含气率，其测量部件结构简单、无可动件、成本低廉，其信号处理部分快速、准确、方便，可满足工业现场在线检测的要求。

Description

气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法及装置。

背景技术

气液两相流广泛的存在于石油、化工、能源、电力等工业生产工程中，准确的测量其参数对于安全、环保、控制和节能都有着重要的意义。由于气液两相流比单相流不仅流动特性复杂得多，且相间存在着界面效应和相对速度，致使参数检测的难度较大。为此，世界各国的广大科研工作者做了大量研究工作。研究较多的测量方法多涉及新技术，如辐射线技术、光纤技术、脉冲中子活性示踪技术等，也有很多研究工作是应用传统的单相流仪表(如孔板、文丘里等)和气液两相流模型进行多参数组合而检测的。这些气液两相流参数的检测技术和方法都还处于实验室应用研究阶段，已商品化的工业型仪表为数还很少。气液两相流参数的检测不论在国内还是国际上都尚属一个急待发展的探索研究领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法及装置。

气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法：在涡街流量计的旋涡发生体下游的测量管管壁上开两个对称于旋涡发生体的取压孔，通过引压管连接用差压传感器测量这两点之间的差压，信号经过信号处理部分后分别获得该差压信号的频率和幅度，计算得到气液两相泡状流的流量与体积含气率。

所述的用于计算气液两相泡状流的流量与体积含气率的关联式为

Q_TP＝f/K，

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_L-\frac{2A}{C}{\left(\frac{S\·K}{f}\right)}^n}{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_G},$

C＝19.6β³-21.0β²+0.983β+1.28475，

式中：Q_TP为气液两相泡状流的流量，m³·s^-1；f为差压信号频率，Hz；K为涡街流量计的仪表系数，m^-3；β为气液两相泡状流的体积含气率，量纲为1；ρ_L和ρ_G分别为被测液体和气体的密度，kg·m^-3；A为差压信号幅度，Pa；S为测量管横截面面积，m²；n和C为修正系数。

气液两相泡状流流量与体积含气率测量装置具有测量管段，在测量管段内设有涡街流量计的旋涡发生体，在涡街流量计的旋涡发生体的下游距旋涡发生体迎流端面0.2D～1.0D之间的测量管段上开有两个对称于测量管段轴线的取压孔，在两个对称于测量管段轴线的取压孔之间通过引压管连接至差压传感器，差压传感器之后接有信号处理电路，信号处理电路为：恒流电源与差压传感器、程控放大器、自适应滤波器、A/D转换器、单片机相接，单片机与程控放大器相接，单片机与自适应滤波器相接。

所述的程控放大器电路为放大器A1第八引脚经数字电位器U1与放大器A1第一引脚相接，放大器A1正输入端与电阻R1相接，放大器A1正输入端经电容C1接地，放大器A1负输入端与电阻R2相接，放大器A1负输入端经电容C2接地，放大器A1输出端经电位器W1、电阻R3接地。

自适应滤波器电路为放大器A2与放大器A3、放大器A4、滤波器U2相接，放大器A2的正输入端经电阻R3接电源VDD，放大器A2的正输入端经稳压二极管D1接地，放大器A2的负输入端与放大器A2的输出端相接，放大器A2的输出端经电阻R4接放大器A3的负输入端，放大器A2的输出端经电阻R4、电阻R7与放大器A3输出端相接，放大器A3的正输入端经电阻R6接地，放大器A3的负输入端接电阻R5，放大器A3的输出端经电阻R8接放大器A4的负输入端，放大器A3的输出端经电阻R8、电阻R10接放大器A4的输出端，放大器A3的输出端经电阻R8、电阻R10接滤波器U2输入端，放大器A4的正输入端经电阻R9接地，放大器A4的输出端与滤波器U2输入端相接。

测量管管壁上的取压孔与旋涡发生体迎流端面的距离为0.2D～1.0D，D为涡街流量计的内直径。

旋涡发生体的横截面形状为梯形，旋涡发生体的迎流面宽度与测量管内径之比为0.20～0.33。

本发明只用了一个涡街流量计即实现了同时测量气液两相泡状流的流量和体积含气率，其测量部件结构简单、无可动件、成本低廉，其信号处理部分快速、准确、方便，可满足工业现场在线检测的要求。

附图说明

图1是本发明的检测装置结构示意图；

图2是本发明的信号处理电路框图；

图3是本发明程控放大器电路图；

图4是本发明自适应滤波器电路图；

图5是本发明取压孔位置示意图；

图6是本发明涡街流量计的旋涡发生体横截面示意图；

图7是用本发明的检测装置测得的差压原始信号示意图；

图8是图7中差压原始信号所对应的功率谱示意图；

图9是用本发明的检测装置测得的差压信号频率与混合物雷诺数Re_D的关系图；

图10是用本发明的检测装置测得的差压信号幅度与混合物雷诺数Re_D的关系图；

图11是用本发明的检测装置测得的气液两相流斯特劳哈尔数St_TP与单相流斯特劳哈尔数St_SP的比值与体积含气率β的关系图；

图12是用本发明的检测装置测得的气液两相流斯特劳哈尔数St_TP与单相流斯特劳哈尔数St_SP的比值与混合物雷诺数Re_D的关系图；

图13用本发明得到的β值计算出的液体的流量Q_L与实际测得的Q_L值的比较图。

具体实施方式

如图1所示，气液两相泡状流流量与体积含气率测量装置具有测量管段1，在测量管段内设有涡街流量计的旋涡发生体2，在涡街流量计的旋涡发生体的下游距旋涡发生体迎流端面0.2D～1.0D之间的测量管段1上开有两个对称于测量管段轴线的取压孔3，在两个对称于测量管段轴线的取压孔之间通过引压管4连接至差压传感器5，差压传感器5之后接有信号处理电路6。

如图2所示，信号处理电路6为：恒流电源与差压传感器、程控放大器、自适应滤波器、A/D转换器、单片机相接，单片机与程控放大器相接，单片机与自适应滤波器相接。本专利信号处理部分采用的器件型号为：放大器A1采用AD620，单片机U1采用MSP430，数字电位器U2采用X9312，滤波器U3采用MAX7405，A/D转换器U4采用ADS7816。

如图3所示，信号处理电路中的程控放大器电路为放大器A1第八引脚经数字电位器U1与放大器A1第一引脚相接，放大器A1正输入端与电阻R1相接，放大器A1正输入端经电容C1接地，放大器A1负输入端与电阻R2相接，放大器A1负输入端经电容C2接地，放大器A1输出端经电位器W1、电阻R3接地。放大器A1电路具体连接关系为：放大器A1第八引脚经数字电位器U1与放大器A1第一引脚相接，放大器A1第三引脚与电阻R1相接，放大器A1第三引脚经电容C1接地，放大器A1第二引脚与电阻R2相接，放大器A1第二引脚经电容C2接地，放大器A1第七、四引脚分别接正、负电源VCC和VEE，放大器A1第六引脚经电位器W1、电阻R3接地。

如图4所示，信号处理电路中的自适应滤波器电路为放大器A2与放大器A3、放大器A4、滤波器U2相接，放大器A2的正输入端经电阻R3接电源VDD，放大器A2的正输入端经稳压二极管D1接地，放大器A2的负输入端与放大器A2的输出端相接，放大器A2的输出端经电阻R4接放大器A3的负输入端，放大器A2的输出端经电阻R4、电阻R7与放大器A3输出端相接，放大器A3的正输入端经电阻R6接地，放大器A3的负输入端接电阻R5，放大器A3的输出端经电阻R8接放大器A4的负输入端，放大器A3的输出端经电阻R8、电阻R10接放大器A4的输出端，放大器A3的输出端经电阻R8、电阻R10接滤波器U2输入端，放大器A4的正输入端经电阻R9接地，放大器A4的输出端与滤波器U2输入端相接。

如图5所示，测量管管壁上的取压孔与旋涡发生体迎流端面的距离为0.2D～1.0D，D为涡街流量计的内直径。

如图6所示，旋涡发生体的横截面形状为梯形，旋涡发生体的迎流面宽度与测量管内径之比为0.20～0.33。

在以空气和水作为流动介质的气液两相泡状流中，当体积含气率β和混合物雷诺数Re_D满足条件：β＝0～30％、Re_D＝4.6×10⁴～23.5×10⁴时，管道内旋涡发生体尾流中有稳定的卡门涡街发生。其中体积含气率β和混合物雷诺数Re_D的定义如下：

β＝Q_G/(Q_G+Q_L)                                (1)

Re_D＝ν_TPρ_TPD/μ_TP                           (2)

ν_TP＝(Q_G+Q_L)/S                                (3)

ρ_TP＝ρ_Gβ+ρ_L(1-β)                          (4)

μ_TP＝μ_Gβ+μ_L(1-β)                          (5)

式中：Q_G和Q_L为气液两相泡状流中的气体和液体的流量，m³·s^-1；ρ_L和ρ_G分别为被测液体和气体的密度，kg·m^-3；S为测量管横截面面积，m²；ν_TP、ρ_TP、μ_TP分别为气液两相泡状流的平均流速(单位：m·s^-1)、平均密度(单位：kg·m^-3)和平均动力粘度(单位：kg·m^-1·s^-1)。

图7给出了该条件下的差压原始信号。通过对差压信号进行快速傅里叶变换(FFT)，可以得到它们的功率谱。图8给出了与图7对应条件下的差压信号的功率谱。在β＝0～30％、Re_D＝4.6×10⁴～23.5×10⁴范围内，改变气体和液体的流量，测得了各种条件下的差压原始信号，并计算出了它们对应的功率谱，功率谱中主峰对应的频率即为涡街频率，这些结果如图9所示。从图9中可以看出，在实验的气液两相泡状流范围内涡街频率与混合物雷诺数成正比，经线性拟合得

          f＝2.797Re_D-1.2607                           (6)

图10给出了差压信号的幅度在不同体积含气率β时与混合物雷诺数Re_D的关系。差压幅度A的定义如下：

$A=\frac{1}{2N}(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\max }^i-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\min }^i)---\left(7\right)$

式中：A_max ⁱ和A_min ⁱ分别表示在第i个完整周期内的差压最大值和最小值，Pa；N为信号中完整周期数，量纲为1。A与两相流混合密度ρ_TP和流速ν_TP的关系可表述为：

$A=\frac{1}{2}C{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{TP}}{v}_{\mathrm{TP}}^n---\left(8\right)$

式中：n和C为修正系数。

在涡街流量计中，流量和涡街频率之间通常写出如下关系式：

              Q＝f/K                                   (9)

其中K称为涡街流量计的仪表系数，定义如下：

$K=\frac{4\mathrm{St}}{\mathrm{\π}{D}^2\mathrm{md}}---\left(10\right)$

式中：St为无量纲的斯特劳哈尔数。借用单相流的形式可定义气液两相流的斯特劳哈尔数

$S{t}_{\mathrm{TP}}=\frac{\mathrm{fd}}{v_{\mathrm{TP}}}---\left(11\right)$

按照以上定义计算的气液两相流斯特劳哈尔数St_TP与单相流斯特劳哈尔数St_SP的比值与体积含气率β和混合物雷诺数Re_D的关系分别如图11和图12所示。可见在实验范围内斯特劳哈尔数受β和Re_D的影响都较小，因此可以用St_SP替代St_TP。根据式(10)，适用于单相流的涡街流量计的仪表系数同样可用于气液两相泡状流的测量，即有

                    Q_TP＝f/K                             (12)

可见，只要通过FFT计算从差压信号中得到了涡街的频率f，则根据式(12)就可求得气液两相泡状流的流量。

联立式(3)、(4)、(8)和(9)，整理得：

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_L-\frac{2A}{C}{\left(\frac{S\·K_{\mathrm{TP}}}{f}\right)}^n}{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_G}---\left(13\right)$

通过标定，得到修正系数n＝2.3244，修正系数C可用下式计算

          C＝19.6β³-21.0β²+0.983β+1.28475             (14)

由于0＜β＜0.3，于是联立求解式(13)和(14)即可得到β值。用本方法得到的β值计算出的液体的流量Q_L与实际测得的Q_L值的比较如图13所示，可见在实验范围内它们的误差均在±10％以内。

综上所述，根据以上原理可知按照本发明提出的方法能准确方便地测量气液两相泡状流的流量和体积含气率。

Claims (9)

1、一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法，其特征在于：在涡街流量计的旋涡发生体(2)下游的测量管(1)管壁上开两个对称于旋涡发生体的取压孔(3)，通过引压管(4)连接用差压传感器(5)测量这两点之间的差压，信号经过信号处理电路(6)后分别获得该差压信号的频率和幅度，计算得到气液两相泡状流的流量与体积含气率。

2、根据权利要求1所述的一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法，其特征在于：所述的用于计算气液两相泡状流的流量与体积含气率的关联式为

Q_TP＝f/K，

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_L-\frac{2A}{C}{\left(\frac{S\·K}{f}\right)}^n}{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_G},$

C＝19.6β³-21.0β²+0.983β+1.28475，

式中：Q_TP为气液两相泡状流的流量，m³·s^-1；f为差压信号频率，Hz；K为涡街流量计的仪表系数，m^-3；β为气液两相泡状流的体积含气率，量纲为1；ρ_L和ρ_G分别为被测液体和气体的密度，kg·m^-3；A为差压信号幅度，Pa；S为测量管横截面面积，m²；n和C为修正系数。

3、根据权利要求1所述的一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法，其特征在于：所述的测量管(1)管壁上的取压孔(3)与旋涡发生体(2)迎流端面之间的距离为0.2D～1.0D，D为涡街流量计的内直径。

4、根据权利要求1所述的一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量方法，其特征在于：所述的旋涡发生体(2)的横截面形状为梯形，旋涡发生体(2)的迎流面宽度与测量管(1)内径之比为0.20～0.33。

5、一种利用如权利要求1所述方法的气液两相泡状流流量与体积含气率测量装置，其特征在于：它具有测量管(1)，在测量管段内设有涡街流量计的旋涡发生体(2)，在涡街流量计的旋涡发生体的下游距旋涡发生体迎流端面0.2D～1.0D的测量管(1)上开有两个对称于测量管轴线的取压孔(3)，在两个对称于测量管轴线的取压孔之间通过引压管(4)连接至差压传感器(5)，差压传感器(5)与信号处理电路(6)相接，信号处理电路(6)为：恒流电源与差压传感器、程控放大器、自适应滤波器、A/D转换器、单片机相接，单片机与程控放大器相接，单片机与自适应滤波器相接。

6、根据权利要求5所述的一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量装置，其特征在于：所述的程控放大器电路为：放大器A1第八引脚经数字电位器U1与放大器A1第一引脚相接，放大器A1正输入端与电阻R1相接，放大器A1正输入端经电容C1接地，放大器A1负输入端与电阻R2相接，放大器A1负输入端经电容C2接地，放大器A1输出端经电位器W1、电阻R3接地。

7、根据权利要求5所述的一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量装置，其特征在于：所述的自适应滤波器电路为放大器A2与放大器A3、放大器A4、滤波器U2相接，放大器A2的正输入端经电阻R3接电源V_DD，放大器A2的正输入端经稳压二极管D1接地，放大器A2的负输入端与放大器A2的输出端相接，放大器A2的输出端经电阻R4接放大器A3的负输入端，放大器A2的输出端经电阻R4、电阻R7与放大器A3输出端相接，放大器A3的正输入端经电阻R6接地，放大器A3的负输入端接电阻R5，放大器A3的输出端经电阻R8接放大器A4的负输入端，放大器A3的输出端经电阻R8、电阻R10接放大器A4的输出端，放大器A3的输出端经电阻R8、电阻R10接滤波器U2输入端，放大器A4的正输入端经电阻R9接地，放大器A4的输出端与滤波器U2输入端相接。

8、根据权利要求5所述的一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量装置，其特征在于：所述的测量管(1)管壁上的取压孔(3)与旋涡发生体(2)迎流端面的距离为0.2D～1.0D，D为涡街流量计的内直径。

9、根据权利要求5所述的一种气液两相泡状流流量与体积含气率测量装置，其特征在于：所述的旋涡发生体(2)的横截面形状为梯形，旋涡发生体(2)的迎流面宽度与测量管(1)内径之比为0.20～0.33。

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