[發(fā)明專利]氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110208471.8
• 申請日: 2011-07-25
• 公開（公告）號: CN102411062A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發(fā)明（設計）人: 路明
• 申請（專利權）人: 天津空中代碼工程應用軟件開發(fā)有限公司
• 主分類號: G01P5/14
• 分類號: G01P5/14;G01P13/02;G01N27/60
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及測量氣液兩相流的流動速度、方向和氣體含量的測量工具，屬于流體測量領域，是一種同時測量氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器。

背景技術

氣液兩相流的流動是工程上最常見的復雜現(xiàn)象，例如水輪機械中的轉(zhuǎn)子周圍的流動、輸油管道中的流體的流動等等都是。設計、分析這類流體機械，需要兩相流流場中的速度、壓力，以及氣液兩相成分的含量等數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)開發(fā)出多種測量兩相流流動速度和氣、液各相含量的實驗方法和工具。例如，粒子成像技術(PIV)、激光多普勒測速技術(LDV)、熱膜測量技術、光纖測量技術等。但是這些實驗設備不僅價格昂規(guī)，而且在應用上都一些局限性。例如，PIV和LDV僅能夠適用于氣體含量在10％以下的兩相流；熱膜測量在兩相流標定上有困難，精度低；而光纖測量一般只能用于已知速度方向的前提下。一類使用壓力傳感器和導電電極同時測量兩相流的速度與氣體含量的方法是一種實用、有效、簡便的技術。其基本原理是將多孔壓力探頭和導電電極制成一個整體的傳感器，利用壓力探頭測量兩相流的流速和方向，用導電電極測量氣體的含量。但此項技術目前多見于氣液兩相流二維流速的測量。此外，因為一個整體的傳感器的測量端需要包含同時測量兩相流速度與氣體含量的元器件，由于存在尺寸加工制造方面的困難，此類傳感器的測量端的體積過大，無法保證測量的空間精度，對流場也有明顯擾動。眾所周知，大量流體機械，包括水輪機轉(zhuǎn)子中的流動、燃油噴嘴中的流動等都是高度三維的流動，所以急需一種能夠精確測量氣液兩相流的三維流動速度，同時能夠精確測量氣體含量的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器，它包括一個外形呈長圓柱形、端部呈圓錐臺形狀的測量探頭、四個壓力傳感器、三個導電電極、一個基于壓力信號的電極對選擇電路和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。上述測量探頭的測量端，也就是外形呈圓錐臺的一端，是多孔結構的。這些孔包括壓力孔和電極孔。測量速度時，該傳感器與多孔壓力探頭的工作原理一樣，利用多個壓力孔中的壓差值可以確定流體的三維流動速度和方向。電極孔中安裝金屬導電電極，可以測量兩相流中氣體的含量。

本發(fā)明采用的技術方案：

本發(fā)明提出的氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器，包括外形是一種呈長圓柱形的、在其測量端端部呈圓錐臺形狀的測量探頭，圓錐臺外角在30°至45°之間。圖1是傳感器的測量探頭的測量端的外觀圖。沿著測量探頭的中心軸線，在測量端有一個中心孔，沿著圓周方向均勻地分布著另外六個周邊孔，中心孔(也稱作動壓孔)和其中三個間隔120°的周邊孔(也稱作靜壓孔)是壓力孔。另外三個周邊孔是電極孔，間隔也是120°，與壓力孔交錯分布。圖2傳感器的測量探頭測量端的頂視圖；圖3是圖2的A_A剖視圖。中心孔和其余三個壓力孔通過柔性或剛性連接管與四個壓力傳感器相連。三個金屬導電電極由絕緣塑料塞子固定在三個電極孔中，并與基于壓力信號的電極對選擇電路相連。電極伸出圓錐面表面，但不伸出過于測量探頭的圓錐臺頂部。測量時，將測量探頭放入兩相流流場中，通過三個靜壓孔和一個動壓孔的三個壓差值可以求得當?shù)厝S流動速度大小和方向。測量由三個導電電極中的兩個組成的電極對的輸出電壓值的變化量可以得到兩相流中的氣體的含量。

測量探頭的工作原理是，將測量探頭測量端的壓力孔和電極孔編號，編號策略如圖4所示。三個編號為2，3，4的靜壓孔均勻地分布在編號為1的動壓孔周圍，可以在一定空間的范圍內(nèi)感受到不同的來流壓力，利用四個壓力孔的壓差值可以獲得三維速度分量。三個編號為E1，E2，E3的導電電極，連接到一個基于壓力信號的電極對選擇電路，其作用是根據(jù)測量過程中選擇具有最大壓力值的靜壓孔相鄰的兩個導電電極為一對可用電極對。例如，如果靜壓孔4中的壓力值最大，說明流體主要是附著在孔4附近，與之最近的電極E1和E2被啟用為電極對。如果動壓孔中的壓力在四個壓力孔中最大，說明流動是沿著測量探頭軸向而來，則隨機選擇兩個電極為可用電極對。

使用該傳感器之前，需要對其進行標定。需要獲得四個壓力孔的壓力系數(shù)和三維流動方向的關系數(shù)據(jù)表，以及分別以E1和E2、E2和E3、E1和E3為電極對的輸出電壓值與氣體含量之間的三條關系曲線。