[發明專利]環狀流流動液膜厚度及界面波的三維實時測量裝置及方法

有效

• 申請號: 202110245674.8
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN113063341B
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 李文升;尹成先;付安慶
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團有限公司;中國石油天然氣集團公司管材研究所
• 主分類號: G01B7/06
• 分類號: G01B7/06;G01M10/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李鵬威

本發明公開了環狀流流動液膜厚度及界面波的三維實時測量裝置及方法，由信號發生器、信號分配器、電導傳感器組、信號處理電路以及數據采集裝置組成；信號發生器用于產生矩形脈沖激勵信號；信號分配器用于將矩形脈沖激勵信號同時分配至所有電導傳感器；當管道內通過液膜時，所有電導傳感器用于將液膜的厚度轉化為電流信號；信號處理電路用于將電流信號進行整流、濾波及放大后轉化為電壓信號；當所有電導傳感器完成一次電流信號采集后記為一個測量周期，數據采集裝置用于將一測量周期內的電壓信號進行融合處理后轉化成液膜厚度。本發明實現了對環狀流內壁面附著流動液膜及界面波的實時三維測量，解決了目前測量方法難以實現無干擾、三維測量的問題。

技術領域

本發明屬于液膜厚度監測技術領域，具體涉及環狀流流動液膜厚度及界面波的三維實時測量裝置及方法。

背景技術

環狀流是能源、化工領域經常遇到的一種氣液兩相流型，其特點為大部分液體成膜狀附著于管內壁，而氣體在管中心區域夾帶小液滴高速流過。如鍋爐水冷壁管束中，隨著水的不斷蒸發，在管束末端會形成環狀流，當環狀流液膜蒸發完后則會出現傳熱惡化區域，導致水冷壁的超溫；在降膜冷卻器內，液膜的特性將直接影響管壁兩側介質的換熱效率；在多相集輸管道等設施內，液膜的分布特性則是影響輸送效率、管內壁沖刷腐蝕特性的重要因素。以上環境中的液膜通常具有動態流動、三維分布、導電、表面存在明顯界面波動等特點，對此類液膜厚度分布、界面波動規律的實時準確測量是確保此類設施性能的重要基礎，同時也是研究環狀流、環霧狀流中基礎科學問題的重要手段。

目前液膜厚度的直接測量方法主要有電學法、光學法、超聲波法等。電學法又包括電容法、電導法兩大類，如雙平行或雙環電導探針、單絲電容探針、電容層析成像等，其中，電導法是最為常用、可靠的方法之一，可實現單點測量及面積測量，電容法則對信號的屏蔽與處理要求較高，且測量結果易受周圍環境的影響；光學法包括紅外熱像法、激光衍射法、激光誘導熒光法、圖像處理法、X射線法等，光學法由于采用紅外、激光等光源，容易受背景的溫度、背景的透射性、氣液界面的波動性及反射特性等因素影響，難以用于非平直壁面上液膜厚度的測量；超聲波法在實際使用過程中則受其衰減周期、多次回波等因素影響，測量實時性及準確性難以控制。

電導法測量液膜厚度具有成本低、設備簡單、易操作等優點，近年來在液膜厚度測量中得到了廣泛應用。如中國專利申請文本《一種采用電導探針測量液膜厚度隨時間變化的實驗裝置及測量方法》(公開日2016年4月6日，公開號CN105466326A，申請日2015年12月16日)、《一種界面波動含氣液膜厚度實時測量裝置及測量方法》(公開日2012年9月19日，公開號CN102175130B，申請日2011年3月3日)、《導電基板上液膜厚度的測量方法》(公開日2008年4月9日，公開號CN101159225A，申請日2007年11月7日)等公開了可實現液膜厚度的點測量，進而通過移動探頭實現多點測量的不同方法，為侵入式測量；中國專利申請文本《實時測量多相管流中相含率和相界面的電導探針測量系統》(公開日2006年3月27日，公開號CN1847836A，申請日2006年3月27日)公開了一種能夠實現單點測量的雙平行探針及面積平均液膜厚度的雙環探針，其中雙平行探針為侵入式測量，雙環探針測量結果則為軸向面積的平均值，中國專利申請文本《貼膜流動液膜厚度電導式測量傳感器、裝置、系統及標定裝置》(公開日2019年5月7日，公開號CN109724508A，申請日2019年1月26日)公開的液膜厚度測量方法與雙環電導探針類似；中國專利申請文本《一種實現壁面液膜厚度多點實時測量的裝置》(公開日2018年7月17日，公開號CN108286934A，申請日2018年4月9日)提供了一種能夠實現壁面液膜厚度多點實時測量的裝置及方法，可實現7個點液膜厚度的切換測量，不同傳感器切換間隔時間小于35ms，可實現液膜厚度的二維分布測量，且不干擾流場，但該方法并非同步測量，不同測點之間存在時間差，環狀流液膜厚度變化頻率較高，該方法存在一定延遲。

綜上所述，目前基于電導法的液膜厚度測量方法或采用侵入式測量、或采用面積測量、或通過移動探頭實現多點測量，都具有一定的局限性，無法實現環狀流工況下三維液膜分布的實時動態測量。

發明內容