CN208953046U - 一种用于两相流检测的矩形检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于两相流检测的矩形检测装置。所述矩形检测装置中的矩形主管道包括前直管段、中间管段和后直管段。中间管段是由一段矩形直管通过弯折而形成，具体是：使矩形直管一对相对的管壁向内弯折形成梯形结构，梯形结构的底边对应的是喉部，梯形结构的两腰对应的是收缩段和扩张段。在前直管段和喉部处开取压孔，在喉部处开玻璃视窗，近红外发射面光源和近红外接收探头分别设置在相对的玻璃视窗上。本实用新型把圆型管道改为矩形管道，增大了进入管道内的流体流量，使得差压值增大。同时将近红外点光源改为面光源，使接收探头能够最大程度的接收透射过来的光，消除了因发射与接收位置不对应带来的信号损失，使测量结果更准确。

Description

一种用于两相流检测的矩形检测装置

技术领域

本实用新型涉及两相流检测技术领域，具体地说是一种用于两相流检测的矩形检测装置。

背景技术

两相流动比单相流动要复杂得多，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。

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。它以分相或是均相模型为基础，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之中，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管组合的方式提出了湿气测量虚高模型。

基于文丘里管测量单相流量或均相流量的研究已较成熟，结合其他测量手段的组合测量方式的可行性也得到了论证。但由于两相流系统的流动状态非常复杂，其流量在瞬时并非一较稳定的值，流量测量非常依赖流型的识别，测量模型的建立也要建立在流型识别的基础上。

实用新型内容

本实用新型的目就是提供一种用于两相流检测的矩形检测装置，该装置设计了一种适用于矩形管道的节流件，而且将原先的点对点探头安装方式改为视窗面安装，与其他差压流量计相比，该矩形检测装置具有压损比小、节能性高的特点。

本实用新型的目的是这样实现的：一种用于两相流检测的矩形检测装置，包括矩形主管道、差压变送器、红外发射装置、红外接收装置、数据采集卡以及数据处理单元；

所述矩形主管道包括前直管段、后直管段以及位于前直管段和后直管段之间的中间管段；所述前直管段和所述后直管段均为矩形直管结构；所述中间管段包括与所述前直管段相接的收缩段、与所述后直管段相接的扩张段以及位于所述收缩段和所述扩张段之间的喉部；所述中间管段是通过使一段矩形直管相对的两个管壁向内弯折而形成，且相对的两个管壁均向内弯折成梯形结构，两个梯形的底边对应的部分即为所述喉部，两个梯形的两腰所对应的部分分别为所述收缩段和所述扩张段；

在所述前直管段以及所述喉部上分别开取压孔，喉部的取压孔开设在中间管段上梯形结构的底边上，且两个取压孔处于矩形主管道的同侧；在取压孔上设置取压管，差压变送器与两个取压管相接，通过所述差压变送器可采集流体在前直管段以及在喉部处所产生的压力差；所述差压变送器与所述数据处理单元相接，所述差压变送器可将所采集到的压力差发送至所述数据处理单元；

在中间管段的两个梯形结构相对的两个底边上各开有一个玻璃视窗，红外发射装置和红外接收装置分别设置在两个玻璃视窗上，所述红外发射装置包括近红外发射面光源，所述红外接收装置包括不多于四个的近红外接收探头，所述近红外接收探头通过数据采集卡与所述数据处理单元相接；

所述数据处理单元用于根据所述数据采集卡和所述差压变送器所发送的数据计算两相流的相含率及流量。

所述玻璃视窗上的玻璃包括内外两层，内层玻璃嵌置在管道侧壁上，外层玻璃的面积大于内层玻璃的面积，且外层玻璃设置在管道外部并覆于所述内层玻璃上；在内外两层玻璃之间设置有橡胶垫圈。

在所述外层玻璃外设有用于对外层玻璃进行固定的支撑板，所述支撑板与中间管段之间通过螺丝连接；在所述支撑板上开有矩形孔，所述矩形孔的面积大于所述内层玻璃的面积；红外发射装置和红外接收装置分别通过相应的矩形孔设置在两个玻璃视窗上。

所述收缩段的收缩角为20°，所述扩张段的扩张角为8°，两个梯形的底边之间的距离为10mm。

两个取压孔分别设置在距所述收缩段的两端0.5L处；L为所述前直管段或所述后直管段的横截面的边长。

本实用新型在传统文丘里思路的基础上进行了结构设计，提高了对两相流流量测量的灵敏性、准确性与节能性。通过把圆型管道改变为矩形管道，增大了进入管道内的流体流量，使得差压信号值比普通的管道更大。在相同的等效节流比、相同的入口速度下，本实用新型比传统内外管差压流量计差压值高，压损比比传统内外管差压流量计低。本实用新型将近红外点光源改为面光源设置，使接收探头能够最大程度地接收透射过来的近红外光线，消除了因为红外发射点与红外接收点位置不对应而带来的信号损失，减少折射的同时提高了测量精度。除此之外，本实用新型还可以通过改变玻璃视窗的大小，以适应不同测量的需求。

附图说明

图1是本实用新型的正面剖面结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图中：1、矩形主管道；2、玻璃视窗；3、取压管；4、支撑板；5、橡胶垫圈；6、收缩段；7、扩张段；8、喉部；9、前直管段；10、后直管段。

具体实施方式

实施例1，一种用于两相流检测的矩形检测装置。

本实用新型为了更好地结合近红外的方法测气液两相流相含率和流量，在已有节流式差压流量计的基础上改变了管道的形状，设计出一种矩形管道，以方便近红外光源在管道上的安装。

如图1和图2所示，本实用新型所提供的用于两相流检测的矩形检测装置包括矩形主管道1、差压变送器、红外发射装置、红外接收装置、数据采集卡(图中未示出)以及数据处理单元。

矩形主管道1分为三段结构，分别为前直管段9、中间管段和后直管段10，流体在矩形主管道1内流动时，依序经过前直管段9、中间管段和后直管段10。前直管段9和后直管段10均为横截面为矩形的直管结构，本实施例中前直管段9和后直管段10的横截面均为正方形，且两个正方形的边长相等。中间管段是由一段与前直管段9和后直管段10横截面一致的矩形直管通过弯折而形成，具体是：使矩形直管其中一对相对的管壁向内弯折，且两个管壁向内弯折均形成梯形结构，两个梯形呈镜面对称结构；矩形直管的另一对相对的管壁不进行弯折。这样，中间管段就包括三段结构，分别是：与前直管段9相接的收缩段6、与后直管段10相接的扩张段7以及位于收缩段6和扩张段7之间的喉部8。两弯折管壁梯形底边对应的部分即是喉部8，两弯折管壁梯形两腰对应的部分分别为收缩段6和扩张段7。本实用新型通过仿真确定了喉部8之间的间距(即两个梯形底边之间的距离)为10mm，收缩段6的收缩角为20°，扩张段7的扩张角为8°。

流体从前直管段9流入后直管段10的过程中，流经收缩段6、喉部8及扩张段7，收缩段6起到的是引流作用，扩张段7起到恢复压力、减小压力损失的作用，流体在喉部8处收缩，产生压力差。在前直管段9和喉部8上分别开取压孔，并在取压孔上焊接取压管3，两个取压管3均与差压变送器相接，通过差压变送器即可采集流体在前直管段9以及在喉部8处所产生的压力差，差压变送器所采集到的压力差信号发送至数据处理单元。本实用新型中两个取压孔的位置分别位于距离收缩段6两端0.5L处，L为前直管段9和后直管段10的横截面边长。喉部8上的取压孔开设在弯折管壁梯形结构的底边上，前直管段9上的取压孔与喉部8上的取压孔处于矩形主管道1的同侧。

在喉部8处相对的两个管壁上分别开有一个玻璃视窗2，且玻璃视窗2开在弯折管壁相对的两个梯形底边上，两个玻璃视窗2相对设置。红外发射装置和红外接收装置分别设置在两个玻璃视窗2上，这样既不干扰差压的测量，又减小装置长度，使装置结构紧凑、提高相含率信息与差压测得流量信息的关联性和可靠性，使得双参数测量方法更为准确。

本实用新型中玻璃视窗2上的玻璃为有机玻璃，且有机玻璃分为内外两层，内层有机玻璃嵌入到管道侧壁上使其不破坏检测装置流道，内层有机玻璃的面积即是玻璃视窗2的面积，外层有机玻璃的面积大于内层有机玻璃的面积，外层有机玻璃设置在管道外部并覆于内层有机玻璃上。在内外两层有机玻璃之间设置有橡胶垫圈5，橡胶垫圈5使得外层有机玻璃与喉部8管壁隔离，起到减小振动与密封的保护作用。在外层有机玻璃外设有用于对外层有机玻璃进行固定的支撑板4，支撑板4的材质可以为不锈钢。支撑板4与喉部8管壁之间可通过螺丝固定，具体是：在支撑板4的四个角钻螺丝孔，在螺丝孔内穿接螺丝使支撑板4压紧外层有机玻璃并将外层有机玻璃固定在喉部8管壁上。在支撑板4的中央开矩形孔，矩形孔的面积大于玻璃视窗2的面积，红外发射装置和红外接收装置分别通过相应的矩形孔设置在两个玻璃视窗2上。支撑板4上矩形孔的大小由红外发射装置和红外接收装置的面积确定。

本实用新型中红外发射装置包括近红外发射面光源，发光面积为20×50(mm²)。用近红外面光源取代传统技术中的点光源，可防止点光源与接收探头因错位而造成的光信号丢失。红外接收装置包括不多于四个的近红外接收探头，近红外接收探头通过数据采集卡与数据处理单元相接。近红外发射面光源发射近红外面光通过玻璃视窗2照射喉部8处的流体，近红外接收探头接收经流体吸收后的近红外光，数据采集卡采集经流体吸收后的近红外光的光强信号并发送至数据处理单元。数据处理单元可根据接收到的流体在前直管段9和喉部8处产生的压力差以及经流体吸收后的近红外光的光强计算两相流的相含率及流量，对于两相流的相含率及流量的具体计算过程可参见实施例2。

本实施例所介绍的用于两相流检测的矩形检测装置，可以在矩形主管道1的两端焊接天圆地方管，焊接天圆地方管是用于使本实用新型中的矩形主管道1连接圆形管道，以防止矩形主管道1与圆形管道在交界处出现回流和小旋涡，减小沿程压力损失。天圆地方管是一种变径管，在确定圆形管道半径、矩形主管道1的边长和长度的情况下能够有确定的加工标准。若待测流体所在的管道也是矩形管道，则可以使本实用新型中的矩形主管道1直接与待测流体所在的管道相连，相连时通过活法兰连接即可。

本实用新型所提供的矩形检测装置，经测试可提高原有取压管段内外管的差压值，增强了差压流量计的灵敏性与准确性。与其他差压流量计相比，本实用新型还具有压损比小、节能性高的特点。在相同的入口速度下，本实用新型比传统内外管差压流量计差压值高，压损比比传统内外管差压流量计低。在相同的流量下，所取得的差压值越大，流量计的准确性与灵敏性就越高；压损比越小，所消耗的能量就越小，节能性就越高。

实施例2，一种用于两相流检测的方法。

结合图1和图2，本实施例所提供的用于两相流检测的方法包括如下步骤：

a、将实施例1所述矩形检测装置的矩形主管道1接入到待检测两相流的检测管道上；对于矩形检测装置以及其所包括的矩形主管道1在此不做过多介绍，具体可参见实施例1。

b、使待检测两相流自检测管道流入矩形检测装置的矩形主管道1内，两相流在矩形主管道1内依次经过前直管段9、收缩段6、喉部8、扩张段7和后直管段10。由于矩形主管道1的特殊结构，使得流体流过矩形主管道1时相当于流经了一个节流式差压流量计。

c、差压变送器检测流体流经前直管段9和喉部8时所产生的压力差，并将所检测到的压力差信号发送至数据处理单元。

d、由模拟控制器控制近红外发射面光源发出近红外面光，近红外面光透过两层有机玻璃照射喉部8管道内的流体，近红外光在流体内传播后会被流体吸收部分光强，经流体吸收后的近红外光透过喉部8管道另一侧的两层有机玻璃后，被近红外接收探头所接收。近红外接收探头可以设置1个、2个、3个或4个，多个近红外接收探头设置在玻璃视窗2的不同位置处，可以接收流场中不同位置的信息，这样后期计算相含率时求平均，可使得测量结果更为准确。数据采集卡采集近红外接收探头所接收到的经流体吸收后的近红外光的光强信号，并将所采集到的信号发送至数据处理单元。

e、数据处理单元根据接收到的流体在前直管段9和喉部8处产生的压力差以及经流体吸收后的近红外光的光强计算两相流的相含率及流量。在近红外光发射光强一定的情况下，气液两相流的相含率不同，被采集得到的近红外光的光强信号也不同，数据处理单元可以根据收到的光强信息推算管道内的各相相含率。不同大小流量的流体在经过节流件时产生的压力差信号是不一样的，可以根据收缩段6前后两端的压力差值计算管道内流过的流体流量。

两相流相含率以及流量的具体计算公式如下：

数据处理单元首先根据接收到的经流体吸收后的近红外光的光强计算两相流的相含率，计算公式如下：

式(1)中，β_l是液相的相含率，β_li是数据处理单元根据第i个近红外接收探头所测光强信号计算得到的第i个液相相含率；i＝1,2，……，N；N≤4；β_l即是对所计算得到的N个液相相含率求平均。

第i个液相相含率β_li的计算公式如下：

式(2)中，I_i是第i个近红外接收探头所测的经流体吸收后的近红外光的光强(单位是candela)，I₀是近红外发射面光源所发射的近红外面光的光强；d是近红外光的光程(单位是cm)，也即是喉部8对应的两个梯形底边之间的距离；ε_l是液体摩尔吸光系数(单位是L/mol·cm)，ε_g是气体摩尔吸光系数；ε_l和ε_g可依据朗伯比尔定律结合具体实验计算得到。

气相的相含率β_g如下：

β_g＝1－β_l (3)

数据处理单元根据接收到的压力差信号计算各相流量，具体计算公式如下：

公式(4)和(5)中，W_ml是液相质量流量，W_mg是气相质量流量，C是流出系数，β是等效节流比，本实施例中β值为0.192；ΔP_tp是差压变送器所测的流体经前直管段9和喉部8时所产生的压力差，x是干度，ε_l是液体摩尔吸光系数，ε_g是气体摩尔吸光系数，ρ_l是液体密度，ρ_g是气体密度，S_l为喉部8液相截面面积，其值等于喉部8横截面面积(喉部8间距乘以矩形主管道1截面边长L)乘以液相相含率β_l，S_g为喉部8气相截面面积，其值等于喉部8横截面面积乘以气相相含率β_g。

公式(4)和(5)中的流出系数C是经过实验数据标定得出的，如下：

式(6)中，ΔP_tp是差压变送器所测的流体经前直管段9和喉部8时所产生的压力差。

公式(4)和(5)中的干度x是通过如下公式计算得到：

式(7)中，ρ_l是液体密度，ρ_g是气体密度，β_g是气相相含率。

Claims (5)

1.一种用于两相流检测的矩形检测装置，其特征是，包括矩形主管道、差压变送器、红外发射装置、红外接收装置、数据采集卡以及数据处理单元；

所述矩形主管道包括前直管段、后直管段以及位于前直管段和后直管段之间的中间管段；所述前直管段和所述后直管段均为矩形直管结构；所述中间管段包括与所述前直管段相接的收缩段、与所述后直管段相接的扩张段以及位于所述收缩段和所述扩张段之间的喉部；所述中间管段是通过使一段矩形直管相对的两个管壁向内弯折而形成，且相对的两个管壁均向内弯折成梯形结构，两个梯形的底边对应的部分即为所述喉部，两个梯形的两腰所对应的部分分别为所述收缩段和所述扩张段；

在所述前直管段以及所述喉部上分别开取压孔，喉部的取压孔开设在中间管段上梯形结构的底边上，且两个取压孔处于矩形主管道的同侧；在取压孔上设置取压管，差压变送器与两个取压管相接，通过所述差压变送器可采集流体在前直管段以及在喉部处所产生的压力差；所述差压变送器与所述数据处理单元相接，所述差压变送器可将所采集到的压力差发送至所述数据处理单元；

在中间管段的两个梯形结构相对的两个底边上各开有一个玻璃视窗，红外发射装置和红外接收装置分别设置在两个玻璃视窗上，所述红外发射装置包括近红外发射面光源，所述红外接收装置包括不多于四个的近红外接收探头，所述近红外接收探头通过数据采集卡与所述数据处理单元相接；

所述数据处理单元用于根据所述数据采集卡和所述差压变送器所发送的数据计算两相流的相含率及流量。

2.根据权利要求1所述的用于两相流检测的矩形检测装置，其特征是，所述玻璃视窗上的玻璃包括内外两层，内层玻璃嵌置在管道侧壁上，外层玻璃的面积大于内层玻璃的面积，且外层玻璃设置在管道外部并覆于所述内层玻璃上；在内外两层玻璃之间设置有橡胶垫圈。

3.根据权利要求2所述的用于两相流检测的矩形检测装置，其特征是，在所述外层玻璃外设有用于对外层玻璃进行固定的支撑板，所述支撑板与中间管段之间通过螺丝连接；在所述支撑板上开有矩形孔，所述矩形孔的面积大于所述内层玻璃的面积；红外发射装置和红外接收装置分别通过相应的矩形孔设置在两个玻璃视窗上。

4.根据权利要求1所述的用于两相流检测的矩形检测装置，其特征是，所述收缩段的收缩角为20°，所述扩张段的扩张角为8°，两个梯形的底边之间的距离为10mm。

5.根据权利要求1所述的用于两相流检测的矩形检测装置，其特征是，两个取压孔分别设置在距所述收缩段的两端0.5L处；L为所述前直管段或所述后直管段的横截面的边长。