DE202012002451U1

DE202012002451U1 - Sensor for measuring the flow rate and gas content of a gas-liquid two-phase flow

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Publication number: DE202012002451U1
Application number: DE201220002451
Authority: DE
Original assignee: TIANJIN AEROCODE ENG APPLIC SOFTWARE DEV Inc; Tianjin Aerocode Engineering Application Software Development Inc
Current assignee: TIANJIN AEROCODE ENG APPLIC SOFTWARE DEV Inc; Tianjin Aerocode Engineering Application Software Development Inc
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2022-03-13

Abstract

Sensor zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Gasanteils einer Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung, umfasst eine Sonde (1) in zylindrischer Form und mit einem konisches Messende, vier Drucksensoren (18), einen Rückdruckausgleicher (19) für den Drucksensor, drei Stromleitungselektroden (3), und eine auf dem Drucksignal basierende Auswahlkreisschaltung (14) für ein Elektrodenpaar.Sensor for measuring the flow velocity and the gas content of a gas-liquid two-phase flow, comprises a probe (1) in a cylindrical shape and with a conical measuring end, four pressure sensors (18), a back pressure compensator (19) for the pressure sensor, three power line electrodes (3) , and a selection circuit (14) based on the pressure signal for a pair of electrodes.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Messwerkzeug, das zum Bereich der flüssigen Messung gehört, die Stromgeschwindigkeit, die Richtung und den Gasanteil in der Zweiphasenströmung der Gas-Flüssigkeit. Dieser Sensor misst zur gleichen Zeit die Stromgeschwindigkeit, die Richtung und den Gasanteil in der Zweiphasenströmung der Gas-Flüssigkeit.The invention relates to a measuring tool that belongs to the range of liquid measurement, the current velocity, the direction and the gas content in the two-phase flow of the gas-liquid. This sensor simultaneously measures the current velocity, direction and gas fraction in the two-phase flow of the gas-liquid.

Technischer HintergrundTechnical background

Der Durchlauf in der Zweiphasenströmung der Gas-Flüssigkeit ist die am häufigsten vorkommende komplexe Erscheinung in Industrieprojekten, wie insbesondere die Strömung der Flüssigkeit um den Rotor in einer Wasserturbine und die Strömung der Flüssigkeit in Ölleitungen. Die Ausführung und die Analyse derartiger Maschinen benötigen Daten wie insbesondere Geschwindigkeit, Druck im Strömungsfeld der Zweiphasenströmung und den Anteil der Zweiphasen. Üblicherweise finden vielerlei praktische Methoden und Werkzeuge zur Messung der Stromgeschwindigkeit der Zweiphasenströmung und des Anteils der Gas- und Flüssigkeitsphase Verwendung, insbesondere die Geschwindigkeitsmessung des Teilchenbildes (PIV), die Geschwindigkeitsmessung des Laserdopplers (LDV), die Messtechnik des Heißfilms und die Messtechnik des Glasfaserkabels mit doppelten Köpfen. Derartige Vorrichtungen sind jedoch vergleichbar kostenintensiv und sind daher lediglich in eingeschränkten Bereichen anwendbar. PIV und LDV können beispielsweise lediglich für die Zweiphasenströmung mit einem Gasanteil von unter 10% verwendet werden; die Messtechnik des Heißfilms gestaltet sich gerade bei der Abgrenzung der Zweiphasen als problematisch bei zudem vergleichbar geringer Messgenauigkeit; die Messtechnik des Glasfaserkabels kann lediglich zur Messung der Geschwindigkeit mit der schon bekannten Richtung verwendet werden. Eine vergleichbar praktische, wirksame und einfache Technik ermöglicht es, mit dem Drucksensor und der Stromleitungselektrode die Geschwindigkeit und den Gasanteil zur gleichen Zeit zu messen. Das Prinzip ist, mit der Mehrlochdrucksonde und der Stromleitungselektrode einen Gesamt-Sensor bereitzustellen, die Stromgeschwindigkeit und Richtung der Zweiphasenströmung durch die Drucksonde zu messen und den Gasanteil durch die Stromleitungselektrode zu messen. Üblicherweise findet diese Technik jedoch vorwiegend bei der Messung der zweidimensionalen Stromgeschwindigkeit der Zweiphasenströmung der Gas-Flüssigkeit Anwendung. Zudem enthält das Messende eines gesamten Sensors die Komponenten, die die Geschwindigkeit und den Gasanteil der Zweiphasen zur gleichen Zeit messen, was die Anpassung der Größe bei der Fertigung vergleichsweise schwierig gestaltet; das Volumen des Messendes derartiger Sensoren ist vergleichsweise zu groß, die räumliche Genauigkeit der Messung kann nicht sichergestellt werden und zudem wird das Strömungsfeld deutlich gestört. Bekanntermaßen gehören viele Flüssigkeitsmaschinen einschließlich Durchlauf im Rotor der Wasserturbine, Durchlauf in der Düse des Brennöls u. a. zum hochdreidimensionalen Durchlauf. Dies impliziert die unbedingte Notwendigkeit eines Sensors, der gleichzeitig die dreidimensionale Stromgeschwindigkeit der Zweiphasenströmung der Gas-Flüssigkeit sowie den Gasanteil präzise messen kann.Passage in the two-phase flow of the gas-liquid is the most common complex phenomenon in industrial projects, in particular the flow of fluid around the rotor in a water turbine and the flow of fluid in oil lines. The execution and the analysis of such machines require data such as, in particular, speed, pressure in the flow field of the two-phase flow and the proportion of the two-phase. Usually, many practical methods and tools for measuring the current velocity of the two-phase flow and the proportion of gas and liquid phase use, in particular particle velocity (PIV) velocity measurement, laser doppler (LDV) velocity measurement, hot film measurement technique, and fiber optic cable measurement technology, are included double heads. However, such devices are comparably expensive and are therefore applicable only in limited areas. For example, PIV and LDV can only be used for two-phase flow with less than 10% gas; the measurement technique of the hot film is problematic especially with the demarcation of the two-phase and comparatively low accuracy; The measurement technique of the fiber optic cable can only be used to measure the speed with the already known direction. A comparatively practical, effective and simple technique makes it possible to measure the speed and gas content at the same time with the pressure sensor and the power line electrode. The principle is to provide an overall sensor with the multi-hole pressure probe and the power line electrode, measure the current velocity and direction of the two-phase flow through the pressure probe, and measure the gas fraction through the power line electrode. However, this technique is usually used in the measurement of the two-dimensional flow velocity of the two-phase flow of the gas-liquid. In addition, the end of the measurement of an entire sensor includes the components that measure the velocity and gas content of the two-phase at the same time, making the size adjustment in manufacturing comparatively difficult; the volume of the measuring end of such sensors is comparatively too large, the spatial accuracy of the measurement can not be ensured and also the flow field is significantly disturbed. As is well known, many liquid machines include passing through the rotor of the water turbine, passing through the nozzle of the fuel oil, and the like. a. to the high-three-dimensional pass. This implies the absolute necessity of a sensor that can accurately measure the three-dimensional current velocity of the two-phase flow of the gas-liquid as well as the gas content.

Inhalt der ErfindungContent of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor zur Messung der Geschwindigkeit und des Gasanteils in der Zweiphasenströmung der Gas-Flüssigkeit bereitzustellen, der eine Sonde von zylindrischer Form und mit konischem Ende umfasst, sowie im Weiteren Drucksensoren, in vorteilhafter Ausgestaitung der Erfindung vier Drucksensoren, Stromleitungselektroden, in vorteilhafter Ausgestaltung drei Stromleitungselektroden, einen Rückdruckausgleicher, einen auf einem Drucksignal basierenden Auswahlkreislauf für ein Elektrodenpaar sowie ein System der Datenerfassung und -analyse. Das Messende der oben erwähnten Sonde, nämlich das konische Ende, ist als eine Mehrlochstruktur ausgestaltet, die ein Druckloch und ein Elektrodenloch aufweist. Bei der Messung der Geschwindigkeit entspricht das Arbeitsprinzip des Sensors dem der Mehrlochdrucksonde; durch den Druckunterschied in einer Mehrzahl von Drucklöchern lassen sich die Stromgeschwindigkeit und die dreidimensionale Richtung feststellen. Im Elektrodenloch wird die metallische Stromleitungselektrode angeordnet, wodurch der Gasanteil in der Zweiphasenströmung gemessen werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a sensor for measuring the velocity and the gas fraction in the two-phase flow of the gas-liquid, which comprises a probe of cylindrical shape and with a conical end, and furthermore pressure sensors, in an advantageous embodiment of the invention four pressure sensors , Stromleitungselektroden, in an advantageous embodiment, three power line electrodes, a back pressure equalizer, based on a pressure signal selection circuit for a pair of electrodes and a system of data acquisition and analysis. The measuring end of the above-mentioned probe, namely the conical end, is configured as a multi-hole structure having a pressure hole and an electrode hole. When measuring the speed, the operating principle of the sensor corresponds to that of the multi-hole pressure probe; by the pressure difference in a plurality of pressure holes, the current velocity and the three-dimensional direction can be determined. In the electrode hole, the metallic power line electrode is arranged, whereby the gas content in the two-phase flow can be measured.

Der Sensor zur Messung der Geschwindigkeit und des Gasanteils in der Zweiphasenströmung der Gas-Flüssigkeit umfasst eine Sonde in zylindrischer Form und mit konischem Ende mit einem äußeren Kegelwinkel 6 von vorteilhafterweise zwischen 30° und 45°. 1 zeigt die äußere Ansicht des Sensorsonden-Messendes. Dabei befindet sich entlang der Hauptachse der Sonde 1 im Messende ein zentrales Loch, in Umfangsachtung befinden sich in gleichmäßiger Anordnung weitere sechs Peripherielöcher. Das zentrale Loch, auch als Loch des dynamischen Drucks 4 bezeichnet, und drei Peripherielöcher, auch als Löcher des statischen Drucks 5 bezeichnet, mit einer Distanz von vorteilhafterweise 120° sind als Drucklöcher ausgestaltet. Die übrigen drei Peripherielöcher, die zusammen mit den Drucklöchern angeordnet sind, sind als Elektrodenlöcher ausgestaltet mit einer Distanz von vorteilhafterweise 120°.The sensor for measuring the velocity and gas content in the two-phase flow of the gas-liquid comprises a probe in a cylindrical shape and a conical end with an outer cone angle 6 advantageously between 30 ° and 45 °. 1 shows the outer view of the sensor probe measuring end. It is located along the main axis of the probe 1 A central hole in the end of the measurement, with six other peripheral holes in a uniform arrangement. The central hole, also referred to as the dynamic pressure hole 4, and three peripheral holes, also referred to as static pressure holes 5, at a distance of advantageously 120 ° are designed as pressure holes. The remaining three peripheral holes, which are arranged together with the pressure holes, are designed as electrode holes with a distance of advantageously 120 °.

Das zentrale Loch und die weiteren drei Drucklöcher sind durch das biegsame oder unbiegsame Verbindungsrohr jeweils mit vier Drucksensoren verbunden. Drei Stromleitungselektroden aus Metall sind durch die isolierenden Plastikverschlüsse 2 in drei Elektrodenlöchern angeordnet und mit der auf dem Drucksignal basierenden Auswahlschaltung für ein Elektrodenpaar verbunden. Die Elektrode ragt über die konische Oberfläche hinaus, jedoch nicht über das Oberteil des konischen Endes der Sonde. Zur Messung wird die Sonde ins Strömungsfeld der Zweiphasenströmung geführt, wobei vier Drucksensoren jeweils drei Werte des Druckunterschiedes von drei Löchern des statischen Drucks und einem Loch des dynamischen Drucks ermitteln, wodurch die Größe der lokalen Stromgeschwindigkeit und die dreidimensionale Richtung festgestellt werden können. Durch die Messung der Änderung der Ausgangsspannung zwischen dem Elektrodenpaar, das aus zwei von den Stromleitungselektroden besteht, kann der Gasanteil in der Zweiphasenströmung bestimmt werden. The central hole and the other three pressure holes are connected by the flexible or inflexible connecting tube with four pressure sensors. Three metal power line electrodes are through the insulating plastic closures 2 arranged in three electrode holes and connected to the pressure signal based selection circuit for a pair of electrodes. The electrode protrudes beyond the conical surface but not beyond the top of the conical end of the probe. For measurement, the probe is guided into the flow field of the two-phase flow, wherein four pressure sensors each determine three values of the pressure difference of three holes of the static pressure and a hole of the dynamic pressure, whereby the magnitude of the local flow velocity and the three-dimensional direction can be determined. By measuring the change in output voltage between the electrode pair consisting of two of the power line electrodes, the gas content in the two-phase flow can be determined.

4 veranschaulicht das Arbeitsprinzip der Sonde, das als Nummerierungsprogramm die Drucklöcher am Messende der Sonde und die Elektrodenlöcher nummeriert. Die Löcher 2, 3, 4 (13, 8, 11) des statischen Drucks werden gleichmäßig um das Loch 1 (10) des dynamischen Drucks angeordnet. Beim Durchlauf bestimmter Geschwindigkeiten und Richtungen nehmen die Löcher des statischen Drucks 2, 3, 4 unterschiedliche Drücke wahr, wobei die Druckunterschiede dieser Drücke von dem des Lochs 1 (10) des dynamischen Drucks 1 ebenfalls verschieden sind; das Verfahren, durch drei voneinander verschiedene Druckunterschiede eine dreidimensionale Geschwindigkeit zu bestimmen, ist bereits bekannt und wird im Folgenden nicht näher ausgeführt. Die Stromleitungselektroden E1, E2 und E3 (7, 9, 12) werden mit der auf dem Drucksignal basierenden Auswahlschaltung für ein Elektrodenpaar verbunden, um während der Messung immer die zwei Stromleitungselektroden als Elektrodenpaar auswählt, die an demjenigen Loch des statischen Drucks angrenzen, der dem höchsten Druckwert aufweist. Dies ist z. B. der Fall, wenn das Loch 4 dem größten Druck ausgesetzt ist; das signalisiert dann, dass sich die Strömung hauptsächlich in der Nähe des Lochs 4 befindet, wobei in der Folge die nächsten Elektroden E2 und E3 als das Elektrodenpaar ausgewählt werden. Wenn das Loch 1, das das Loch des dynamischen Drucks ist, dem größten Druck unter den vier Drucklöchern ausgesetzt ist, signalisiert es, dass die Strömung hauptsächlich entlang der Achsenrichtung verläuft. In diesem Fall können zwei beliebige Elektroden als verfügbares Elektrodenpaar verwendet werden. 4 illustrates the principle of operation of the probe, which numbers the pressure holes at the measuring end of the probe and the electrode holes as a numbering program. The holes 2, 3, 4 ( 13 . 8th . 11 ) of the static pressure are uniformly around the hole 1 ( 10 ) of the dynamic pressure. When passing certain speeds and directions, the holes of static pressure 2, 3, 4 perceive different pressures, the pressure differences of these pressures from that of hole 1 (FIG. 10 ) of the dynamic pressure 1 are also different; The method of determining a three-dimensional velocity by means of three different pressure differences is already known and will not be described in detail below. The power line electrodes E1, E2 and E3 ( 7 . 9 . 12 ) are connected to the pressure signal based select circuit for a pair of electrodes to select, during the measurement, always the two power line electrodes as the pair of electrodes adjacent to the static pressure hole having the highest pressure value. This is z. Example, the case when the hole 4 is exposed to the greatest pressure; this then signals that the flow is mainly in the vicinity of the hole 4, with the result that the next electrodes E2 and E3 are selected as the pair of electrodes. If the hole 1, which is the hole of the dynamic pressure, is exposed to the greatest pressure among the four pressure holes, it signals that the flow is mainly along the axis direction. In this case, any two electrodes can be used as an available pair of electrodes.

Vor der Verwendung des Sensors müssen zunächst die Anfangsdaten ermittelt werden. Dazu werden die Druckkennziffern von vier Drucklöchern und die relationale Datentabelle der dreidimensionalen Strömungsrichtung sowie die drei Kurven über das Verhältnis zwischen dem Gasanteil und den Ausgangsspannungen der Elektrodenpaare E1–E2, E2–E3 und E3–E1 benötigt.Before using the sensor, the initial data must first be determined. For this purpose, the pressure indices of four pressure holes and the relational data table of the three-dimensional flow direction and the three curves on the ratio between the gas content and the output voltages of the electrode pairs E1-E2, E2-E3 and E3-E1 are required.

Das System der Datenerfassung und -analyse sammelt zunächst vier Druckwerte. Im Folgenden wird die auf dem Drucksignal basierende Auswahlschaltung für ein Elektrodenpaar eingeschaltet und nach der Nummerierung des Lochs des statischen Drucks mit dem größten Druckwert wird das Elektrodenpaar ausgewählt.The system of data collection and analysis initially collects four pressure values. Hereinafter, the pressure signal based selection circuit for a pair of electrodes is turned on and after the numbering of the hole of the static pressure having the largest pressure value, the electrode pair is selected.

Durch Vergleich mit den Ausgangsdaten werden die dreidimensionale Strömungsgeschwindigkeit und der Gasanteil der Zweiphasenströmung an dem Messpunkt ermittelt.By comparison with the output data, the three-dimensional flow velocity and the gas fraction of the two-phase flow are determined at the measurement point.

Erläuterungen der ZeichnungenExplanations of the drawings

Darin zeigen:Show:

1 die äußere Ansicht des Messendes der Sonde des Sensors. 1 the outer view of the measuring end of the probe of the sensor.

2 die Draufsicht des Messendes der Sonde des Sensors, 2 the top view of the measuring end of the probe of the sensor,

3 eine Schnittansicht der 2, 3 a sectional view of 2 .

4 das Nummerierungsprogramm der Drucklöcher und der Elektrodenlöcher, 4 the numbering program of the printing holes and the electrode holes,

5 schematische Darstellung der Struktur des Sensors für den Anteil und die Geschwindigkeit der Zweiphasenströmung des Gas-Wassers, und 5 schematic representation of the structure of the sensor for the proportion and the speed of the two-phase flow of the gas water, and

6 schematische Darstellungen des Rückdruckausgleichers des Drucksensors. 6 schematic representations of the back pressure equalizer of the pressure sensor.

Ausführungsbeispielembodiment

Im Folgenden wird anhand der Figuren der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors näher beschrieben. Konkret betrifft dieses einen Sensor zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Gasanteils in der Gas-Wasser-Zweiphasenströmung.In the following an embodiment of the sensor according to the invention will be described in more detail with reference to the figures of the drawing. Specifically, this relates to a sensor for measuring the flow rate and the gas content in the gas-water two-phase flow.

5 zeigt in schematischer Darstellung den konzeptionellen Aufbau des Sensors zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Gasanteils der Zweiphasenströmung des Gas-Wassers. Der Sensor umfasst eine Sonde 1 aus Edelstahl in zylindrischer Form und mit konischem Ende. 5 shows a schematic representation of the conceptual design of the sensor for measuring the flow rate and the gas content of the two-phase flow of the gas water. The sensor includes a probe 1 made of stainless steel in cylindrical form and with conical end.

Die Ausführung der Sonde entspricht im Wesentlichen der Darstellung gemäß 1. Entlang der Hauptachse der Sonde ist am Messende, d. h. am Ende in konischer Form ein zentrales Loch 4, auch als Loch des dynamischen Drucks bezeichnet, angeordnet. In Umfangsrichtung befinden sich in gleichmäßiger Anordnung die übrigen sechs Löcher in einem Winkel von vorteilhafterweise 60°, darunter drei Löcher des statischen Drucks 5 und drei Elektrodenlöcher. Dabei sind die Löcher des statischen Drucks 5 und die Elektrodenlöcher abwechselnd nebeneinander angeordnet. Zusammen werden das Loch des dynamischen Drucks 4 und die Löcher des statischen Drucks 5 als Drucklöcher bezeichnet. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Durchmesser aller Locher 0,8 mm bis 1,0 mm, der Durchmesser der Sonde 5,0 mm. Daraus folgt, dass die gemessene räumliche Genauigkeit 5,0 mm beträgt und dass während der Messung davon auszugehen ist, dass die Zweiphasenströmung innerhalb dieser räumlichen Genauigkeit gleichmäßig ist. Ein derartiger Aufbau ermöglicht, dass die zentrale Distanz von zwei beliebigen Elektrodenlöchern 3 mm nicht überschreitet.The design of the probe essentially corresponds to the representation according to FIG 1 , Along the main axis of the probe is at the end of the measurement, ie End in conical shape, a central hole 4, also referred to as a hole of the dynamic pressure arranged. In the circumferential direction are in a uniform arrangement, the remaining six holes at an angle of advantageously 60 °, including three holes of the static pressure 5 and three electrode holes. In this case, the holes of the static pressure 5 and the electrode holes are arranged alternately side by side. Together, the hole of the dynamic pressure 4 and the holes of the static pressure 5 are referred to as pressure holes. In an advantageous embodiment of the invention, the diameter of all holes is 0.8 mm to 1.0 mm, the diameter of the probe 5.0 mm. It follows that the measured spatial accuracy is 5.0 mm and that during the measurement it can be assumed that the two-phase flow is uniform within this spatial accuracy. Such a structure allows the center distance of any two electrode holes to not exceed 3 mm.

2 und 3 zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Schnittansicht des Messendes der Sonde 1. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt der äußere Windel 6 der Kegel 30°. Ist der Winkel zu klein, wird der Druckunterschied zwischen dem Loch des dynamischen Drucks 4 und dem Loch des statischen Drucks 5 undeutlich, so geht die Messgenauigkeit verloren; ist der Winkel zu groß, wird das Volumen des Sondenendes vergrößert, so geht die räumliche Genauigkeit verloren. Im Ausführungsbeispiel sind vier Drucklöcher jeweils durch ein dünnes Verbindungsrohr 17 aus Edelstahl mit den vier davon distanzierten Drucksensoren 18 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Drucksensor en 18 nicht in der Sonde 1 angeordnet, da sonst das Volumen des Messendes vergleichsweise zu groß wird. Das würde die Messung in kleinem Raum unausführbar machen. 2 and 3 each show a plan view and a sectional view of the measuring end of the probe 1 , In an advantageous embodiment of the invention, the outer diaper 6 the cone 30 °. If the angle is too small, the pressure difference between the hole of the dynamic pressure 4 and the hole of the static pressure 5 becomes indistinct, the measurement accuracy is lost; if the angle is too large, if the volume of the probe end is increased, the spatial accuracy is lost. In the exemplary embodiment, four pressure holes each through a thin connecting pipe 17 made of stainless steel with the four pressure sensors distanced from it 18 connected. In this embodiment, the pressure sensor en 18 not in the probe 1 arranged, otherwise the volume of the end of the measuring becomes comparatively too large. That would make measuring in a small space unworkable.

Der Durchmesser von drei Stromleitungselektroden 3 aus Platin beträgt 0,4 mm. Diese werden durch die isolierenden Plastikverschlüsse 2 in drei Elektrodenlöchern befestigt. Die Elektroden ragen über die Oberfläche der Kegel nur soweit hinaus, dass die Enden der Elektroden sich gerade auf der gleichen Ebene mit dem Oberteil des konischen Endes der Sonde befinden. Die vorstehende Elektrode aus Platin kann Kontakt mit der Strömung auf dem Messende der Sonde aus allen Richtungen haben. Das Gas in der Zweiphasenströmung wird entsprechend Kontakt mit den Elektroden haben, wodurch sich die Ausgangsspannung der Elektroden ändert. Das andere Ende jeder Elektrode wird mit der auf dem Drucksignal basierenden Auswahlschaltung 14 für ein Elektrodenpaar verbunden.The diameter of three power line electrodes 3 made of platinum is 0.4 mm. These are made by the insulating plastic closures 2 attached in three electrode holes. The electrodes protrude beyond the surface of the cones only so far that the ends of the electrodes are just on the same plane with the top of the conical end of the probe. The protruding electrode made of platinum may have contact with the flow on the measuring end of the probe from all directions. The gas in the two-phase flow will be in contact with the electrodes, thereby changing the output voltage of the electrodes. The other end of each electrode is connected to the selection circuit based on the pressure signal 14 connected for a pair of electrodes.

Das Nummerierungsprogramm des Drucklochs und des Elektrodenlochs des Messendes der Sonde ist 4 entnehmbar. Die als Loch 2, Loch 3 und Loch 4 (13, 8, 11 in 4) nummerierte drei Löcher des statischen Drucks sind gleichmäßig um das als Loch 1 (10 in 4) nummerierte Loch des dynamischen Drucks angeordnet und nehmen die unterschiedlichen Drücke auf Grund unterschiedlicher Strömungsrichtungen wahr. Durch die Druckunterschiede zwischen den vier Löchern kann die dreidimensionale Geschwindigkeitsgröße der Zweiphasenströmung ermittelt werden. Das Verfahren, durch die Druckunterschiede von mehreren Löchern die dreidimensionale Geschwindigkeitsgröße der Einphasenströmung zu ermitteln, ist bereits bekannt und wird im Folgenden nicht näher ausgeführt. Jedoch ist es Aufgabe der Erfindung, die Verbindung zwischen dem Drucksensor und Druckloch zu verbessern. Da der Durchmesser des Drucklochs und des Edelstahlverbindungsrohrs sehr gering ist, können sich nach Eintritt der Zweiphasenströmung in das Metallverbindungsrohr bei hohem Gasanteil in der Zweiphasenströmung Gasblasen bilden und ansammeln oder an der Wand des Rohrs kleben und das Rohr blockieren. Das würde Messungen unmöglich machen. Um dieses Problem zu lösen, wird in der vorliegenden Erfindung noch ein Rückdruckausgleicher 19 des Drucksensors vorgesehen. Das Arbeitsprinzip wird in 6 gezeigt: Die metallische Verbindungsrohre 20 sind auch mit vier Rückdruckausgleichsrohren 21 verbunden, ferner auch mit vier Durchflussmessern 24 und vier elektrischen Drosseln 23 verbunden, die weiterhin mit einem Hydraulikkopf verbunden sind, der hydraulischen Druck leistet. Der Druck in den Rückdruckausgleichrohren 21 wird durch die elektrischen Drosseln 23 und die Durchflussmesser 24 reguliert. Dadurch wird das metallische Verbindungsrohr 20 stets durch Wasser mit erwünschtem Druck erfüllt, wodurch ein Rückdruck entsteht, so dass die Gasblasen in der Zweiphasenströmung aus dem Messende der Sonde nicht ins Verbindungsrohr eintreten können und die Zuverlässigkeit der Druckmessung der Zweiphasenströmung sichergestellt wird. Vier Drucksensoren 18 erfassen den Unterschied zwischen dem dynamischen Druck und dem statischen Druck im Loch des dynamischen Drucks 4 und den Löchern des statischen Drucks 5 und dem Rückdruck in den Rückdruckausgleichrohren 21. Daher kann das gleiche Verfahren, nach dem mit der Verwendung von Vierlöchern-System die dreidimensionale Geschwindigkeit der Einphasenströmung gemessen wird, auch zur Messung der dreidimensionalen Geschwindigkeitsgröße der Zweiphasenströmung eingesetzt werden. Der Rückdruckausgleicher 19 wird erst beim verhältnismäßig großen Gasanteil verwendet.The numbering program of the pressure hole and the electrode hole of the measuring end of the probe is 4 removable. The as hole 2, hole 3 and hole 4 ( 13 . 8th . 11 in 4 ) numbered three holes of static pressure are even around this as hole 1 ( 10 in 4 ) numbered hole of the dynamic pressure and perceive the different pressures due to different flow directions true. By the pressure differences between the four holes, the three-dimensional velocity magnitude of the two-phase flow can be determined. The method of determining the three-dimensional velocity size of the single-phase flow by the pressure differences of a plurality of holes is already known and will not be described in detail below. However, it is an object of the invention to improve the connection between the pressure sensor and pressure hole. Since the diameter of the pressure hole and the stainless steel connecting pipe is very small, gas bubbles may form and accumulate or adhere to the wall of the pipe and block the pipe after the two-phase flow into the metal connecting pipe at high gas content in the two-phase flow. That would make measurements impossible. To solve this problem, in the present invention, a back pressure equalizer 19 provided the pressure sensor. The working principle is in 6 shown: The metallic connecting pipes 20 are also with four back pressure equalizing pipes 21 connected, also with four flow meters 24 and four electric chokes 23 connected, which are further connected to a hydraulic head, which provides hydraulic pressure. The pressure in the back pressure equalization pipes 21 gets through the electric chokes 23 and the flow meter 24 regulated. This will be the metallic connecting pipe 20 always filled with water of desired pressure, which creates a back pressure, so that the gas bubbles in the two-phase flow from the measuring end of the probe can not enter the connection pipe and the reliability of the pressure measurement of the two-phase flow is ensured. Four pressure sensors 18 detect the difference between the dynamic pressure and the static pressure in the hole of the dynamic pressure 4 and the holes of the static pressure 5 and the back pressure in the back pressure equalizing pipes 21 , Therefore, the same method that measures the three-dimensional velocity of the single-phase flow with the use of a four-hole system can also be used to measure the three-dimensional velocity quantity of the two-phase flow. The back pressure equalizer 19 is used only when the proportion of gas is relatively large.

Drei als E1, E2 und E3 nummerierte Stromleitungselektroden (7, 9, 12 in 4) werden mit der auf dem Drucksignal basierenden Auswahlschaltung 14 für ein Elektrodenpaar verbunden, um während der Messung immer die zwei Stromleitungselektroden als Elektrodenpaar auszuwählen, die an demjenigen Loch aus den drei Löchern des statischen Drucks 5 angrenzen, der den höchsten Druckwert aufweist. Wenn z. B. das Loch 4 in 4 (11) den größten Druck hat, bedeutet dies, dass sich die Strömung hauptsächlich in der Nähe des Lochs 4 befindet. Dann werden die benachbarten Elektroden E2 und E3 von Loch 4 als das Elektrodenpaar ausgewählt. Wenn das Loch 1 in 4 (10) des dynamischen Drucks den größten Druck unter den vier Drucklöchern aufweist, bedeutet dies, dass die Strömung hauptsächlich entlang der Achsenrichtung der Sonde verläuft. In diesem Fall können zwei beliebige Elektroden als verfügbares Elektrodenpaar gewählt werden. Schließlich wird das ausgewählte Elektrodenpaar an den Wechselstrom angeschlossen.Three power line electrodes numbered E1, E2, and E3 ( 7 . 9 . 12 in 4 ) are used with the selection circuit based on the pressure signal 14 for a pair of electrodes to always select, during the measurement, the two current-carrying electrodes as the pair of electrodes adjacent to the one of the three holes of static pressure 5 having the highest pressure value. If z. B. the hole 4 in 4 ( 11 ) has the greatest pressure, this means that the flow is mainly in the vicinity of the hole 4. Then, the adjacent electrodes E2 and E3 of hole 4 are selected as the pair of electrodes. If the hole 1 in 4 ( 10 ) of the dynamic pressure has the greatest pressure among the four pressure holes, this means that the flow is mainly along the axial direction of the probe. In this case, any two electrodes can be selected as the available pair of electrodes. Finally, the selected electrode pair is connected to the alternating current.

Das System zur Datenerfassung und -analyse läuft in der LabView-Programmierumgebung unter dem Betriebssystem Windows XP. Die Hardware enthält u. a. einen Signalverstärker, einen A/D-Konverter und ein Datenerfassungsbrett.The data acquisition and analysis system runs in the LabView programming environment under the Windows XP operating system. The hardware contains u. a. a signal amplifier, an A / D converter and a data acquisition board.

Vor der Verwendung des Sensors müssen zunächst die Anfangsdaten ermittelt werden. Dazu werden die Druckkennziffern von vier Drucklöchern und die relationale Datentabelle der Strömungsrichtung (Drehwinkel α° um die Achsenrichtung der Sonde und Drehwinkel β° um die Achse, die vertikal zur Achse der Sonde verläuft) sowie drei Kurven über das Verhältnis zwischen dem Gasanteil (Bereich 5% bis 80%) und den Ausgangsspannungen der Elektrodenpaare E1–E2, E2–E3 und E3–E1 benötigt.Before using the sensor, the initial data must first be determined. For this purpose, the pressure indices of four pressure holes and the relational data table of the flow direction (rotation angle α ° about the axis direction of the probe and rotation angle β ° about the axis which is vertical to the axis of the probe) and three curves on the ratio between the gas content (range 5 % to 80%) and the output voltages of the electrode pairs E1-E2, E2-E3 and E3-E1.

Zur Messung wird die Sonde ins Strömungsfeld geführt. Durch drei Druckunterschiede von den drei Löchern des statischen Drucks und des dynamischen Drucks können die Strömungsgeschwindigkeit und die dreidimensionale Richtung der Zweiphasenströmung ermittelt werden; durch die Änderung des Spannungswerts des Elektrodenpaars kann der Gasanteil in der Zweiphasenströmung gemessen werden.For measurement, the probe is guided into the flow field. By three pressure differences from the three holes of the static pressure and the dynamic pressure, the flow velocity and the three-dimensional direction of the two-phase flow can be determined; By changing the voltage value of the pair of electrodes, the gas content in the two-phase flow can be measured.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der Sensor den Strömungszustand der Zweiphasenströmung der Gas-Flüssigkeit direkt messen kann, wobei zur gleichen Zeit Informationen wie insbesondere der Druck der Zweiphasenströmung, die dreidimensionale Strömungsgeschwindigkeit und der Gasanteil ermittelt werden können. Ferner macht der erfindungsgemäße Sensor die Mehrlochdrucksonde und die Metallelektroden zu einer kompakten Einheit. Er ist somit platzsparend und verursacht nur minimale Interferenzen des Strömungsfeldes. Zudem ist er von einfacher Struktur, leicht anzufertigen und zu handhaben und vielfältig einsetzbar. Der erfindungsgemäße Sensor kann in vielen Flüssigkeitsmaschinen eingesetzt werden, wie zum Beispiel zur Messung der Gas-Wasser-Zweiphasenströmung um den Rotor in einer Wasserturbine oder in der Zweiphasenströmung in Ölleitung.The advantage of the present invention is that the sensor can directly measure the flow state of the two-phase flow of the gas-liquid, at the same time information such as in particular the pressure of the two-phase flow, the three-dimensional flow rate and the gas content can be determined. Further, the sensor of the present invention makes the multi-hole pressure probe and the metal electrodes into a compact unit. It is thus space-saving and causes only minimal interference of the flow field. In addition, it is of simple structure, easy to customize and to handle and versatile. The sensor according to the invention can be used in many liquid machines, such as for measuring the gas-water two-phase flow around the rotor in a water turbine or in the two-phase flow in oil line.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Sondeprobe
22: isolierender Plastikverschlussinsulating plastic closure
33: StromleitungselektrodeCurrent conducting electrode
44: das zentrale Loch bzw. das Loch des dynamischen Drucksthe central hole or hole of the dynamic pressure
55: Loch des statischen DrucksHole of static pressure
66: äußerer Kegelwinkelouter cone angle
77: E1E1
88th: Loch 3Hole 3
99: E2E2
1010: Loch 1Hole 1
1111: Loch 4Hole 4
1212: E3E3
1313: Loch 2Hole 2
1414: auf dem Drucksignal basierende Auswahlschaltung für ein Elektrodenpaarselection circuit based on the pressure signal for a pair of electrodes
1515: Leitungmanagement
1616: Stromleitungselektrode aus PlatinPower line electrode made of platinum
1717: Verbindungsrohr aus EdelstahlConnecting pipe made of stainless steel
1818: Drucksensorpressure sensor
1919: Rückdruckausgleicher des DrucksensorsBack pressure equalizer of the pressure sensor
2020: Verbindungsrohr des DrucklochsConnecting pipe of the pressure hole
2121: RückdruckausgleichsrohrBack pressure equalization tube
2222: Hydraulikkopfhydraulic head
2323: elektrische Drosselelectric throttle
2424: DurchflussmesserFlowmeter

Claims

Sensor for measuring the flow rate and gas content of a gas-liquid two-phase flow, comprises a probe ( 1 ) in cylindrical form and with a conical measuring end, four pressure sensors ( 18 ), a back pressure compensator ( 19 ) for the pressure sensor, three power line electrodes ( 3 ), and a selection circuit based on the pressure signal ( 14 ) for a pair of electrodes.

Sensor for measuring the flow rate and the gas content of a gas-liquid two-phase flow according to claim 1, wherein along the main axis of the probe ( 1 ) in the conical end a central hole ( 4 ) are arranged in the circumferential direction in a uniform manner, another six holes at a distance of 60 °, including three holes with a distance of 120 ° as holes of the static pressure ( 5 ) and the central hole ( 4 ) each with a pressure sensor ( 18 ), and in other three holes with a pitch of 120 ° as electrode holes, one power line electrode ( 3 ) is arranged.

Sensor for measuring the flow rate and the gas content of a gas-liquid Two-phase flow according to claim 1, wherein the pressure values of four pressure sensors ( 18 ) are used to determine the speed and direction of the two-phase flow.

A sensor for measuring the flow rate and the gas content of a gas-liquid two-phase flow according to claim 1, wherein any two of the three power line electrodes ( 3 ) form a pair of electrodes, and by measuring the change in the output voltage of this pair of electrodes, the proportion of gas in the two-phase flow is determined.

Sensor for measuring the flow rate and the gas content of a gas-liquid two-phase flow according to claim 2, wherein the central hole ( 1 ) and the three holes of static pressure ( 5 ) via flexible or inflexible connecting tube ( 20 ) with the pressure sensors ( 18 ) are connected.

A sensor for measuring the flow rate and the gas content of a gas-liquid two-phase flow according to claim 1, wherein the three power line electrodes ( 3 ) each by an insulating plastic closure ( 2 ) are fixed in the electrode holes and connected to the selection circuit based on the pressure signal ( 14 ) are connected for a pair of electrodes.

Sensor for measuring the flow rate and the gas content of a gas-liquid two-phase flow according to claim 1, wherein the back pressure equalizer ( 19 ) of the pressure sensor, a liquid pressure hydraulic head ( 22 ) and via the back pressure equalizing pipes ( 21 ) and four electric reactors ( 23 ) as well as four flowmeters ( 24 ) with the pressure sensors ( 18 ) connected is.

A sensor for measuring the flow rate and gas content of a gas-liquid two-phase flow according to claim 1, wherein the pressure signal based selection circuit (15) comprises: 14 ) for a pair of electrodes always the two power line electrodes ( 3 ) is selected as the pair of electrodes which at the hole from the three holes of the static pressure ( 5 ), which has the highest pressure value.