[發(fā)明專利]氣液兩相泡狀流流速聲電雙模態(tài)測量方法

有效

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• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN107024603B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 譚超;董虓霄;董峰
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;G01N27/22
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 程毓英

本發(fā)明涉及一種氣液兩相泡狀流流速聲電雙模態(tài)測量方法，采用內(nèi)含雙壓電陶瓷晶片的超聲換能器和電容電導(dǎo)傳感器,包括：獲取含水率H；測量空間內(nèi)氣泡的平均真實流速；計算連續(xù)液相和離散氣相之間的曳力；計算管壁對連續(xù)液相的剪切力；利用數(shù)值迭代類算法求得液相的真實流速；計算液相表觀流速和液相表觀流速；根據(jù)對于兩相流總表觀流速的定義，計算氣液泡狀流總表觀流速。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超聲傳感器與電學(xué)傳感器組合的測量方法，用于氣液兩相泡 狀流分相流速的無擾動式測量。

技術(shù)背景

兩相流廣泛存在于日常生活與工業(yè)生產(chǎn)過程中，例如食品加工，生物工程，化工產(chǎn)業(yè)，冶金工業(yè)和石 油產(chǎn)業(yè)等行業(yè)，主要表現(xiàn)形式包括氣液兩相流、液液兩相流、液固兩相流和氣固兩相流等。與單相流相比， 兩相流的流動狀態(tài)更為復(fù)雜，因此兩相流的在線過程參數(shù)檢測一直是科研和工業(yè)產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點。氣液 兩相流含水率和流速(流量)的測量對流動狀態(tài)監(jiān)測、實際生產(chǎn)安全等方面具有重大意義。然而，氣液兩 相流因其具有流動狀態(tài)變化劇烈，瞬時含率、流速波動大的特點，難以實現(xiàn)流動過程參數(shù)的無擾動式測量。

水平管道氣-液兩相流中，當氣體流量較低、液體流量較高時，其流動狀態(tài)呈現(xiàn)為典型的泡狀流。泡狀 流的流動形態(tài)為液體攜帶大量細小氣泡在管道內(nèi)流動。目前，氣液兩相流的流速(流量)測量主要包括兩 種方式：單相流量計和互相關(guān)流量計。單相流量計優(yōu)勢在于測量行為通常較為直接，例如渦輪式流量計， 但節(jié)流裝置會對流體的流動狀態(tài)產(chǎn)生擾動和破壞并帶來壓損，從而影響測量精度。而文丘里流量計或者差 壓式流量計又無法排除相含率變化對測量結(jié)果造成的干擾。對于氣液兩相流流速測量，基于不同敏感原理 的互相關(guān)流量計同樣被廣泛研究和使用，例如超聲法、電學(xué)法、光學(xué)法和射線法等。互相關(guān)流量計需要被 測兩相流的流動結(jié)構(gòu)固定，同時，上下游傳感器間距與傳感器響應(yīng)頻率共同決定了基本的測試誤差，且誤 差隨流速變化。因此，在泡狀流這類隨機性很強的流體測速時具有一定局限性。

相比以上測量方式，超聲多普勒方法具有非侵入、結(jié)構(gòu)簡單、原理明確、價格低廉等優(yōu)勢。首先，超 聲多普勒法不對流體的流動狀態(tài)造成干擾。其次，基于連續(xù)波的超聲多普勒流速測量方法是通過聲波在流 體中散射體(氣泡)上形成的多普勒效應(yīng)獲取反射體的流動速度，因此其所測速度的物理意義明確，即測 量空間內(nèi)所有散射體的平均真實速度。氣液兩相泡狀流中氣、液兩相表面張力的巨大差異造成了當液相流 速相對氣相較高時，氣相會以小氣泡的形式分散在連續(xù)流動的液相中。根據(jù)超聲多普勒原理，所測流速就 是氣泡的平均真實速度，即氣相真實流速。但是，由于在實際流動過程中，離散相和連續(xù)相的流動速度之 間存在著滑動現(xiàn)象，因此在得到氣相真實流速的條件下，結(jié)合電容電導(dǎo)傳感器所獲取的實時含水率信息， 同過雙流體模型來計算得到水相的真實流速，最終獲得氣液兩相流分相流速和分相含率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，新提出一種利用超聲多普勒傳感器與電學(xué)傳感器準確測量管道 內(nèi)氣液兩相泡狀流分相流速的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種氣液兩相泡狀流流速聲電雙模態(tài)測量方法，采用一個內(nèi)含雙壓電陶瓷晶片的超聲換能器和電容電 導(dǎo)傳感器；超聲換能器的測量空間可以覆蓋整個管道截面，從而獲取兩相流總表觀流速；電容電導(dǎo)傳感器 用于獲取分相含率；所述超聲換能器安裝于管道底側(cè)，換能器內(nèi)部雙晶片均被傾斜安裝于聲耦合材料上， 以保證晶片的法線方向與水平流動方向夾角為θ；所述雙晶片超聲換能器用來發(fā)射和接收超聲波；其中， 換能器一側(cè)晶片負責(zé)發(fā)射超聲波，另一側(cè)晶片負責(zé)接收超聲波，且在上述兩晶片之間放置隔音材料以抑制 干擾；所述電容電導(dǎo)傳感器與超聲換能器同時安裝于管道之中；

該測試方法包含如下步驟：

1)將電容電導(dǎo)傳感器作為電導(dǎo)傳感器，利用其測量數(shù)據(jù)獲取含水率H；