[发明专利]超声透射传感器与多电极电导传感器持气率组合测量方法

说明书

本发明涉及一种超声透射传感器与多电极电导传感器持气率组合测量方法，其特征在于，所采用的传感器包括超声透射传感器和多电极电导传感器两部分，包括如下步骤：对多电极电导传感器施加载波信号，采集反映管道内两相流持气率信息的输出电压信号；对多电极电导传感器进行标定；进行水平气液两相流实验测试，获得多电极电导传感器以及超声透射传感器的测量响应信号；基于多电极电导传感器信号实现层状流二维可视化、泰勒泡三维可视化；计算不同流型下的持气率。

技术领域

本发明涉及一种超声透射传感器与多电极电导传感器持气率组合测量方法。

背景技术

水平气液两相流广泛存在于石油、化工等重要工业生产领域。水平气液两相流流型复杂多样，流型之间的相互转化受两相流量影响较为明显，即使在同种流型内部也存在着多尺度流体结构，如水平气液间歇流中液膜区存在大尺度的泰勒气泡，液塞区存在分布复杂的小尺度气泡。因此，实现水平气液两相流持气率多流型的准确测量存在极大挑战。

目前，电导式传感器在导电性存在明显差异的两相流流动参数测量中应用较为广泛。Fan等(IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2014，63(2)：456-466)为获得段塞流下的各相流速，设计了一对环形电导探针，并利用神经网络推演法从电信号中获得包括持气率在内的一系列流动参数，达到了平均误差控制在0.3％以内的目标。Ye等(IEEE Sensors Journal，2011，11：1704-1711)利用双螺旋电容传感器实现了垂直气液两相流持水率测量，并提出传感器电信号输出与持气率的线性模型。Vieira等人(Journal of Fluids Engineering，2014，136：121301-121316)采用了两个电导丝网传感器来测量气液分层流和环状流下管道截面内的持气率。通常情况下，丝网传感器可以提供有关管道内部相分布的重要信息，如界面结构、波动不稳定性和局部持气率数据。

超声传感技术具有精度高、响应快、无干扰等优点。因此，它可以应用在恶劣的环境中，在两相流的测量中得到了广泛的应用。Carvalho等人(Experimental Thermal andFluid Science，2009，33：1065-1086)设计了一种由一个发射器/接收器换能器和三个接收器组成的超声仪器，该仪器位于管道周长不同位置，研究了气泡流中声衰减与持气率之间的系统关联行为。尽管超声技术不断发展，但水平气液两相流的持气率测量仍然是一个具有挑战性的课题。超声在水平气液流动中的应用主要集中在流型识别和流动结构检测方面。例如，Liang等人(Measurement Science and Technology，2016，27：035304)通过追踪管道内壁反射的回声来识别水平气液流流型。

常见的气液两相流流型，一般可分为层状流和间歇流。层状流是气相和液相皆为连续相，分别从管道的上方和下方流过。而间歇流中，气体的主要存在形式有两种：分散的小尺度气泡和尺寸较大形如子弹的泰勒泡。由于电学传感器一般对大尺度的气泡有着较高的测量精度，而不适用于分散的小气泡，此时，需要加入超声透射传感器，其敏感于液塞区中分散的小气泡，可用于液塞区的持气率测量。

由于现有声学及电学传感器的针对性较强，一般仅适用于某种特定的流型。本发明专利提出一种新型的声电组合传感器持气率测量方法，充分利用声学和电学传感器的各自优势，降低传感器响应对水平气液两相流流型的依赖性，并提高其对气液两相流持气率的测量精度。

发明内容

本发明专利提出一种气液两相流超声透射传感器与多电极电导传感器组合测量持气率方法。设计了多电极电导传感器与超声透射传感器组合测量系统，利用多电极电导传感器探测大尺度气液两相流结构，实现分层光滑流、分层波状流以及间歇流液膜区的持气率测量。基于超声透射传感器的幅值衰减特性，建立基于超声波衰减特性的间歇流的液塞区持气率测量模型。最终得到声电组合传感器对不同气液两相流流型持气率测量结果。技术方案如下：