CN208721144U - 基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置。其结构包括多孔平衡流量计、差压变送器、声发射探头、数据采集单元和数据处理单元。多孔平衡流量计包括两端的两个直管段及中间的多孔孔板；多孔孔板的直径大于两段直管的直径，在多孔孔板上与直管管腔相对的位置开有节流孔，在多孔孔板伸出两段直管外部的边缘上开有若干通孔；声发射探头对应放置在多孔孔板边缘的通孔内。在两个直管段的侧壁均设有一个取压孔，差压变送器与两个取压孔相接。本实用新型通过设计使多孔孔板的直径大于两个直管段的直径，并在多孔孔板的外围布置若干声发射探头，使多孔平衡流量计测量两相流量与声发射技术有效结合，实现两相流的不分离测量。

Description

基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置

技术领域

本实用新型涉及气液两相流检测技术领域，具体地说是一种基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置。

背景技术

差压式流量计是两相流测量中应用最为广泛的流量计之一，是目前公认的在两相流动各流型下都能稳定工作的一种流量计。它以分相或均相模型为基础，建立流量与压力降的关系。其中研究历史最长的为节流式差压流量计，差压式的方法基本都见于节流式流量计。该流量计具有安装方便，工作可靠等优点，并在多年的研究过程中，形成了成熟的国际标准，目前很多厂家推出的多相流测量系统中都含有差压流量计。广泛应用的节流式差压流量计有孔板、文丘里管以及V锥流量计。

流体流经管道内的孔板节流装置，在孔板附近造成局部收缩，节流件前后便产生了压力降，即差压，差压信号与流量大小有关。在孔板流量计的设计上面有过许多改进，日本SONIC公司设计开发了一种在流量计算机上就可以对量程比的范围进行选择的孔板流量计，与传统孔板流量计相比，其对测量范围进行了扩展；新研究的新型智能孔板流量计，将温度和压力信号直接送入现场流量计算机中，根据流量变化而对温度和压力自动做出补偿。

北京航空航天大学的徐立军利用长喉颈文丘里管提出基于分相流模型的湿气测量模型；天津大学的张强等利用长喉径文丘里管用于气液两相流测量，建立了双差压湿气流量测量模型。利用一种节流装置配合其他传感器进行组合测量的方法也得到了大量的研究，黄志尧等采用文丘里管结合电容层析成像技术对油气两相流进行有效测量；徐英等利用内锥和文丘里组合的方式提出了湿气测量虚高模型。

孔板流量计因其结构简单、耐用而成为目前国际上标准化程度高、应用最为广泛的一种流量计，基于标准孔板流量计测量单相流量或均相流量的研究已较成熟，但也存在着流出系数不稳定、线性差、重复性不高、永久压力损失大等缺点。美国马歇尔航空飞行中心设计发明的一种新型差压式流量测量装置，即多孔孔板流量计。多孔孔板流量计对传统节流装置有着极大的突破，与传统差压式流量计相比较，具有永久压力损失小、精密度高、量程比大、直管段短等优点。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置，通过该装置可实现基于声发射技术的两相流定量测量。

本实用新型的目的是这样实现的：一种基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置，包括多孔平衡流量计、差压变送器、声发射探头、数据采集单元和数据处理单元；

所述多孔平衡流量计包括前直管段、后直管段以及设置在所述前直管段和所述后直管段之间的多孔孔板；所述多孔孔板的直径大于两段直管的直径，在所述多孔孔板上与两段直管管腔相对的位置开设有若干节流孔，在所述多孔孔板伸出两段直管外部的边缘上沿圆周均匀开设有若干通孔；所述声发射探头对应放置在多孔孔板边缘的通孔内；两相流流体在多孔平衡流量计内自前直管段经多孔孔板上的节流孔流向后直管段，所述声发射探头用于检测两相流的流动声信号，并将所检测到的信号通过所述数据采集单元发送至所述数据处理单元；

在所述前直管段和所述后直管段的侧壁均设有一个取压孔，所述差压变送器与两个取压孔相接，所述差压变送器用于通过两个所述取压孔测量两个直管段内的压力差，并将所测压力差信号经所述数据采集单元发送至所述数据处理单元；所述数据处理单元对接收到的两相流的流动声信号以及压力差信号进行处理、运算，从而得出两相流的流量及相含率。

所述前直管段和所述后直管段的内径均为D，前直管段的长度L₁满足：L₁≥D，后直管段的长度L₂满足：L₂≥1.5D；且两个取压孔距多孔孔板的距离均为D。

所述多孔孔板上的节流孔均匀分布在以多孔孔板的中心为圆心的一个或多个同心圆上；且每一节流孔具有45°的前倒角和45°的后倒角。

在前直管段和后直管段的两端均设有法兰盘，所述多孔孔板通过前直管段和后直管段上与其邻接的法兰盘实现与前直管段和后直管段之间的连接；所述多孔孔板的外边缘伸出到与其相接的法兰盘的外边缘外部，且用于放置声发射探头的通孔开设在多孔孔板延伸到法兰盘外部的边缘上；法兰盘与多孔孔板之间通过螺栓固定连接。

在所述多孔孔板上每一通孔的四周开有位于通孔直径延长线上的两个小孔，通过穿过两个小孔的尼龙扎带可实现对通孔内声发射探头的固定。

所述数据处理单元根据两相流的流动声信号得到特征频段，并提取特征频段内的能量特征值E，根据能量特征值E同时结合下面公式计算得出气相体积含率β_g：

β_g＝0.44214ln(E+663.0423)-2.87159

液相体积含率为β_l＝1－β_g；

所述数据处理单元根据气相体积含率β_g，同时结合前后直管段的压力差，依据如下公式计算得出两相流的质量总流量W_m：

上面公式中，ε是两相流的可膨胀系数，C为流出系数，D为前直管段和后直管段的内径，β为多孔孔板的等效直径比，Δp_tp为两相流在两个直管段内的压力差，x为质量含气率，x可由气相体积含率β_g得出，ρ_g为气相流体的密度，ρ_l为液相流体的密度；

多孔孔板的等效直径比β的计算公式如下：

上式中，d为节流孔的直径，D为前直管段和后直管段的内径，N为节流孔的个数。

本实用新型通过设计使得多孔孔板的直径大于两个直管段的直径，并在多孔孔板的外围布置若干声发射探头，使多孔平衡流量计测量两相流量与声发射技术合理有效的结合，实现两相流的不分离测量。

本实用新型是在已有多孔平衡流量计的基础上进行了优化设计，通过基于多孔孔板的差压测量与基于声发射技术的流动噪声测量相结合的组合测量方式，解决了利用声发射测量两相流时的噪声干扰问题。通过本实用新型中的多孔平衡流量计可以消除或减弱管道自身的振动噪声、水泵空气压缩机等动力源的固有噪声，也对来自于其他部位的噪声源影响起到削减甚至消除的效果。同时，本实用新型通过合理的结构设计，充分发挥了多孔孔板与声发射技术在各自测量方式上的优势，使两种测量手段在结合方式上更加合理有效，实现了基于声发射技术的两相流定量测量。

本实用新型实现了多孔节流与声发射技术相结合对两相流进行测量。利用多孔孔板进行两相流流量的测量，不仅具有节流效果好、对上下游直管段要求低等特点，而且具有很好的消声特点，可以大幅度降低其他噪声源的干扰，使传输的信号更加稳定。两相流动相比单相流动要更加复杂，这与两相的分布状况和流动型态有关。同样的相含率下两相分布状态不同，其流体力学特性和传热传质特性也会不同，而且在同一两相流系统中两相的相界面和相分布是随着流动过程不断随机变化的，这使得两相流动特性更加复杂多变，因此两相流的流动型态严重影响到对两相流的测量。本实用新型中的多孔平衡流量计，在原有多孔孔板结构的基础上，延长孔板的尺寸以达到布置声发射探头的目的。采集流动声信号的声发射探头布置方式简单，与多孔孔板结合的整个检测装置结构紧凑，声发射探头对流动声信号的检测与多孔平衡流量计的差压测量互不干扰，由于声发射探头布置位置位于多孔孔板上，因此能够有效地减少噪声的干扰，采集到的流动声信号具有良好的可信度，测量结果更加准确，这样的测量形式更加合理有效。

附图说明

图1是本实用新型中多孔平衡流量计的结构示意图。

图2是图1中多孔平衡流量计拆分后的结构示意图。

图3是图1的剖视图。

图4是本实用新型中多孔孔板的结构示意图。

图中：1、前直管段，2、后直管段，3、多孔孔板，4、法兰盘，5、取压管，6、通孔，7、节流孔，8、螺栓孔，9、小孔。

具体实施方式

本实用新型所提供的基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置包括多孔平衡流量计、差压变送器、声发射探头、数据采集单元和数据处理单元。其中，多孔平衡流量计的结构如图1～图3所示。

本实用新型中的多孔平衡流量计由两个直管段和一个多孔孔板构成，具体是：多孔平衡流量计包括前直管段1、后直管段2以及位于前直管段1和后直管段2之间的多孔孔板3。前直管段1和后直管段2均为不锈钢直管段。前直管段1也称上游直管段，后直管段2也称下游直管段。流体自前直管段1流向后直管段2，如图3中箭头所示。

前直管段1和后直管段2的内径均为D，多孔孔板3的直径大于前直管段1和后直管段2的直径。多孔孔板3的中心处于前直管段1和后直管段2的轴心线上。本实用新型中，在前直管段1和后直管段2的两端均设有法兰盘4，多孔孔板3分别与前直管段1和后直管段2端部的法兰盘4紧密贴合，且多孔孔板3与法兰盘4之间通过螺栓固定连接。多孔孔板3的外边缘伸出到与其相邻接的法兰盘4的外边缘外部，即多孔孔板3的直径大于法兰盘4的外径。在法兰盘4上开螺栓孔，同时在多孔孔板3上开与法兰盘4上的螺栓孔一一对应的螺栓孔8(见图4所示)，通过穿过螺栓孔的螺栓可实现多孔孔板3与法兰盘4之间的紧固连接。螺栓孔一般均匀位于以多孔孔板3中心(或法兰盘4中心)为圆心的圆上。

如图4所示，在多孔孔板3上与前直管段1和后直管段2管腔相对的位置开设有若干节流孔7，流体自前直管段1进入，后经多孔孔板3上的节流孔7流入后直管段2内。节流孔7为带有倒角的节流孔，具体是：节流孔7带有45°的前倒角和45°的后倒角。本实施例中，节流孔7为13个，大小均相同。其中，多孔孔板3的中心处存在一个节流孔，剩余的12个节流孔分为两组，一组为8个，另一组为4个，且这两组节流孔均位于以多孔孔板3为中心的圆上，两组节流孔所在圆为同心圆，且8个节流孔所在的圆位于4个节流孔所在圆的外侧。

在多孔孔板3延伸到法兰盘4外部的边缘上沿圆周均匀开设有若干通孔6，每一通孔6内对应放置一个声发射探头，通过声发射探头可以探测流体经多孔孔板3时的流动声信号。在每一通孔6的四周开有位于通孔直径延长线上的两个小孔9，通过穿过两个小孔9的尼龙扎带可实现对通孔6内声发射探头的固定。声发射探头与数据采集单元相接，数据采集单元可采集声发射探头所探测到的流体的流动声信号，并将所采集到的流体的流动声信号发送至数据处理单元。

本实用新型中，前直管段1和后直管段2的内径均为D，前直管段1的长度L₁满足：L₁≥D，后直管段2的长度L₂满足：L₂≥1.5D。在前直管段1和后直管段2的侧壁均设有一个取压孔，两个取压孔距多孔孔板3的距离均为D。在每一个取压孔上设置一个取压管5，取压管5与差压变送器相接，差压变送器用来检测前直管段1和后直管段2内流体的压力差信号。差压变送器同时与数据采集单元相接，数据采集单元可采集差压变送器所检测到的压力差信号，并将所采集到的压力差信号发送至数据处理单元。

数据处理单元对接收到的两相流的流动声信号以及压力差信号进行处理、运算，从而得出两相流的流量及相含率。

具体是：数据处理单元根据两相流的流动声信号得到特征频段，并提取特征频段内的能量特征值E，根据能量特征值E同时结合下面公式计算得出气相体积含率β_g：

β_g＝0.44214ln(E+663.0423)-2.87159

数据处理单元根据气相体积含率β_g，同时结合前直管段和后直管段的压力差，依据如下公式计算得出两相流的质量总流量W_m：

上面公式中，ε是两相流的可膨胀系数，C为流出系数，D为前直管段和后直管段的内径，β为多孔孔板的等效直径比，Δp_tp为两相流在前直管段和后直管段内的压力差，x为质量含气率，x可由气相体积含率β_g得出(β_g乘以ρ_g即是质量含气率x)，ρ_g为气相流体的密度，ρ_l为液相流体的密度。

多孔孔板的等效直径比β的计算公式如下：

上式中，d为节流孔的直径，D为前直管段和后直管段的内径，N为节流孔的个数。

本实用新型通过设置使得多孔孔板的直径大于两个直管段的直径，并在多孔孔板的外围布置若干声发射探头，使多孔平衡流量计测量两相流量与声发射技术合理有效的结合，实现两相流的不分离测量。

当两相流流体流经本实用新型中的多孔平衡流量计时，流体撞击多孔孔板产生的声信号被声发射探头所接收，利用压电效应转换为电信号，运用非线性数据处理方法得到信号特征参数，其与气相体积含率有定量关系。多孔平衡流量计的取压孔与差压变送器相连，得到流体流经时的差压信号，基于连续方程与伯努利方程以及得到的气相体积含率测量模型相结合建立两相流流量的测量模型。由总流量与气相体积含率可得到各分相流量，从而实现了两相流参数的在线检测，由于声发射探头的布置位置位于多孔孔板上，因此能够有效减少噪声的干扰，采集到的流动声信号具有良好的可信度，测量形式更加合理有效。

Claims (5)

1.一种基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置，其特征是，包括多孔平衡流量计、差压变送器、声发射探头、数据采集单元和数据处理单元；

所述多孔平衡流量计包括前直管段、后直管段以及设置在所述前直管段和所述后直管段之间的多孔孔板；所述多孔孔板的直径大于两段直管的直径，在所述多孔孔板上与两段直管管腔相对的位置开设有若干节流孔，在所述多孔孔板伸出两段直管外部的边缘上沿圆周均匀开设有若干通孔；所述声发射探头对应放置在多孔孔板边缘的通孔内；两相流流体在多孔平衡流量计内自前直管段经多孔孔板上的节流孔流向后直管段，所述声发射探头用于检测两相流的流动声信号，并将所检测到的信号通过所述数据采集单元发送至所述数据处理单元；

在所述前直管段和所述后直管段的侧壁均设有一个取压孔，所述差压变送器与两个取压孔相接，所述差压变送器用于通过两个所述取压孔测量两个直管段内的压力差，并将所测压力差信号经所述数据采集单元发送至所述数据处理单元；所述数据处理单元对接收到的两相流的流动声信号以及压力差信号进行处理、运算，从而得出两相流的流量及相含率。

2.根据权利要求1所述的基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置，其特征是，前直管段和后直管段的内径均为D，前直管段的长度L₁满足：L₁≥D，后直管段的长度L₂满足：L₂≥1.5D；且两个取压孔距多孔孔板的距离均为D。

3.根据权利要求1所述的基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置，其特征是，所述多孔孔板上的节流孔均匀分布在以多孔孔板的中心为圆心的一个或多个同心圆上；且每一节流孔具有45°的前倒角和45°的后倒角。

4.根据权利要求1所述的基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置，其特征是，在前直管段和后直管段的两端均设有法兰盘，所述多孔孔板通过前直管段和后直管段上与其邻接的法兰盘实现与前直管段和后直管段之间的连接；所述多孔孔板的外边缘伸出到与其相接的法兰盘的外边缘外部，且用于放置声发射探头的通孔开设在多孔孔板延伸到法兰盘外部的边缘上；法兰盘与多孔孔板之间通过螺栓固定连接。

5.根据权利要求1所述的基于多孔节流与声发射技术的两相流参数检测装置，其特征是，在所述多孔孔板上每一通孔的四周开有位于通孔直径延长线上的两个小孔，通过穿过两个小孔的尼龙扎带可实现对通孔内声发射探头的固定。