CN105783984A - 利用光纤探针法测量气液两相流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光纤探针法测量气液两相流的方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。该装置包括：测量管道(1)、光纤探针(2)、光电转换单元(3)、数据采集与处理***(4)、控制计算机(5)、压差流量计(6)。

Description

利用光纤探针法测量气液两相流的方法和装置

技术领域

本发明涉及流体测量领域，具体是一种利用光纤探针法测量气液两相流的方法和装置。该装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。

背景技术

工程上广泛存在着两相流的流动现象，其中以气液两相流最为普遍。例如石油输运管道内、水轮机转子周围、大气云层内的对流等，都属于气液两相流流动。通过两相流流动流动参数进行测量，了解其特性及变化规律，对于相关科研、设计以及生产具有十分重要的意义。与单相流相比，两相流由于在相界面各相间存在传质，甚至化学反应，而且在时间、空间上随机可变，使得诸如各相含量、流速、流量以及总体速度、流量等流动参数的检测更具复杂性，难度很大。迄今为止，已有的检测技术和方法大多是建立在单相传感器基础上的检测手段，获得的信息量小，而且无法对两相流的整体特性进行实时观测描述。气液两相流的测量涉及的参数以及表现形式如下：

1.流量

(1)气液两相流的质量流量：

G＝G_g+G_l，

其中，G总质量流量；G_g和G_l分别为气相和液相质量流量。

(2)气液两相流的体积流量：

Q＝Q_g+Q_l，

其中，Q总体积流量；Q_g和Q_l分别为气相和液相体积流量。

2.流速

(1)气液分相速度

$w_g=\frac{Q_g}{A_g};w_l=\frac{Q_l}{A_l},$

其中，w_g和w_l分别为气相和液相分速度；A_g和A_l分别为气相和液相流体通过的截面积。

(2)气液分相表观速度

$w_{\mathrm{sg}}=\frac{Q_g}{A};w_{\mathrm{sl}}=\frac{Q_l}{A},$

w_sg和w_sl分别为气相和液相表观速度；流通截面积

A＝A_g+A_l。

3.密度

(1)流动密度

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{G}{Q}.$

(2)真实密度

ρ＝αρ_g+(1-α)ρ_l，

其中，ρ_g和ρ_l分别为气相和液相流体密度；α是截面含气率，也称空隙率。

4.分相含率

(1)截面含气率(空隙率)

$\mathrm{\α}=\frac{A_g}{A}.$

(2)容积含气率

$\mathrm{\β}=\frac{Q_g}{Q}.$

(3)质量含气率

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\β\ρ}}_g}{{\mathrm{\β\ρ}}_g+(1-\mathrm{\β}){\mathrm{\ρ}}_l}.$

随着工业生产中对于两相流流动的计量、控制方面的更高要求，需要开发一种能够同时测量获得气液两相流中各相含量、流速和流量，以及总体平均速度、流量的装置。

光纤探针法成为气液两相流测量的新方法，具有具有灵敏度高，响应快的特点。具体在气液两相流测量中的应用原理是利用气液两相介质不同的光学折射率来探测稳态流场气液两相在某一局部空间的某一点气液存在的相对时间。其比值就是这一点的局部的分相含量。

连续的测量还可以得到前述气液两相流的分相各相速度和流量，如果配以多个其他类型的传感器，实现组合测量，则可以获得完整的气液两相流的流动参数。

本发明提供一种基于光纤探针法的气液两相流测量的方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。

发明内容

本发明提供一种利用光纤探针法的气液两相流测量的方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。图1是利用光纤探针测量气液两相流的装置的布局图。图中所示，该装置包括：测量管道(1)、光纤探针(2)、光电转换单元(3)、数据采集与处理***(4)、控制计算机(5)、压差流量计(6)。其连接关系是：

光纤探针(2)从被测气液两相流流动的测量管道(1)的周边***流场中；

光电转换单元(3)连接光纤探针(1)；

光电转换单元(3)连接数据采集与处理***(4)；

压差流量计(1)位于测量管道(1)上，在光纤探针(2)的下游；

控制计算机连接光纤探针(2)、光电转换单元(3)、数据采集与处理***(4)。

图2是光纤探针测量气液两相流的各相含量的原理图。图中表示，沿着测量管道(1)壁面***光纤探针(2)。测量的过程中，当气液两相流流经光纤探针(2)，如果周围介质是气体时，出现气泡(7)，其折射率小于光纤探针的折射率，入射光(9)大部分被反射回去(10)，光电转换单元输出一个高电平(11)。如果周围介质是液体(8)时,其折射率大于光纤探针的折射率，入射光大部分折射到液体中(12)消失,与光纤探针连接的光电转换单元输出一个低电平(13)。这样，随着光纤探针与气液交替接触，光电转换单元即输出随时间变换的电压信号。此连续动态的模拟电压信号经过数据采集***后进入计算机,成为离散的动态数字电压信号,经计算处理可以得到探针所在位置处的局部分相含量。

附图说明

图1是利用光纤探针测量气液两相流的装置的布局图；图中，1测量管道、2光纤探针、3光电转换单元、4数据采集与处理***、5控制计算机、6压差流量计。

图2是利用光纤探针测量气液两相流的各相含量的原理图；图中，7气泡、8液体、9入射光、10反射光、11高电平、12折射到液体中的光、12低电平。

具体实施方式

以一个具体实施方案进一步说明本发明提出的利用光纤探针测量气液两相流的方法和装置的结构和原理。该装置用于测量空气-水两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。该装置中的部件组成和连接关系与图1相同。

具体实施方式中，

测量管道(1)的截面为圆形、为长度为1m、内径为50mm、壁厚10mm、材料为有机玻璃。水平放置。沿着圆周方向由安装孔，孔径3mm；

光纤探针(2)直径为3mm，探头顶端是长为10mm、圆锥针状蓝宝石，后接光导纤维。在探头前段要***试验段的部分用钢套管封住，在光导纤维的另一端是的标准电缆头，以***光电转换单元(3)；

数据采集与处理***(4)测量空光电转换单元(3)的电压；

控制计算机(5)连接、光纤探针(2)、光电转换单元(3)、数据采集与处理***(4)、的运行，同时规定数据采集与处理***(4)的连续的采样间隔，从而获得空气-水的分相速度；

压差流量计(7)在测量管道(1)的下游，测量总流量。

Claims (1)

1.一种利用光纤探针法测量气液两相流的方法和装置，该装置包括：测量管道(1)、光纤探针(2)、光电转换单元(3)、数据采集与处理***(4)、控制计算机(5)、压差流量计(6)，其连接关系是：

光纤探针(2)从被测气液两相流流动的测量管道(1)的周边***流场中；

光电转换单元(3)连接光纤探针(1)；

光电转换单元(3)连接数据采集与处理***(4)；

压差流量计(1)位于测量管道(1)上，在光纤探针(2)的下游；

控制计算机连接光纤探针(2)、光电转换单元(3)、数据采集与处理***(4)。