專(zhuān)利名稱(chēng)：氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：
氣液兩相流廣泛的存在于石油、化工、能源、電力等工業(yè)生產(chǎn)工程中，準(zhǔn)確的測(cè)量其參數(shù)對(duì)于安全、環(huán)保、控制和節(jié)能都有著重要的意義。由于氣液兩相流比單相流不僅流動(dòng)特性復(fù)雜得多，且相間存在著界面效應(yīng)和相對(duì)速度，致使參數(shù)檢測(cè)的難度較大。為此，世界各國(guó)的廣大科研工作者做了大量研究工作。研究較多的測(cè)量方法多涉及新技術(shù)，如輻射線技術(shù)、光纖技術(shù)、脈沖中子活性示蹤技術(shù)等，也有很多研究工作是應(yīng)用傳統(tǒng)的單相流儀表(如孔板、文丘里等)和氣液兩相流模型進(jìn)行多參數(shù)組合而檢測(cè)的。這些氣液兩相流參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)和方法都還處于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用研究階段，已商品化的工業(yè)型儀表為數(shù)還很少。氣液兩相流參數(shù)的檢測(cè)不論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)際上都尚屬一個(gè)急待發(fā)展的探索研究領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置。
氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置具有測(cè)量管段，在測(cè)量管段內(nèi)設(shè)有渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體，在渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體的下游距旋渦發(fā)生體迎流端面0.2D～1.0D之間的測(cè)量管段上開(kāi)有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)于測(cè)量管段軸線的取壓孔，在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)于測(cè)量管段軸線的取壓孔之間通過(guò)引壓管連接至差壓傳感器，差壓傳感器之后接有信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路為恒流電源與差壓傳感器、程控放大器、自適應(yīng)濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)相接，單片機(jī)與程控放大器相接，單片機(jī)與自適應(yīng)濾波器相接。
所述的程控放大器電路為放大器A1第八引腳經(jīng)數(shù)字電位器U1與放大器A1第一引腳相接，放大器A1正輸入端與電阻R1相接，放大器A1正輸入端經(jīng)電容C1接地，放大器A1負(fù)輸入端與電阻R2相接，放大器A1負(fù)輸入端經(jīng)電容C2接地，放大器A1輸出端經(jīng)電位器W1、電阻R3接地。
自適應(yīng)濾波器電路為放大器A2與放大器A3、放大器A4、濾波器U2相接，放大器A2的正輸入端經(jīng)電阻R3接電源VDD，放大器A2的正輸入端經(jīng)穩(wěn)壓二極管D1接地，放大器A2的負(fù)輸入端與放大器A2的輸出端相接，放大器A2的輸出端經(jīng)電阻R4接放大器A3的負(fù)輸入端，放大器A2的輸出端經(jīng)電阻R4、電阻R7與放大器A3輸出端相接，放大器A3的正輸入端經(jīng)電阻R6接地，放大器A3的負(fù)輸入端接電阻R5，放大器A3的輸出端經(jīng)電阻R8接放大器A4的負(fù)輸入端，放大器A3的輸出端經(jīng)電阻R8、電阻R10接放大器A4的輸出端，放大器A3的輸出端經(jīng)電阻R8、電阻R10接濾波器U2輸入端，放大器A4的正輸入端經(jīng)電阻R9接地，放大器A4的輸出端與濾波器U2輸入端相接。
測(cè)量管管壁上的取壓孔與旋渦發(fā)生體迎流端面的距離為0.2D～1.0D，D為渦街流量計(jì)的內(nèi)直徑。
旋渦發(fā)生體的橫截面形狀為梯形，旋渦發(fā)生體的迎流面寬度與測(cè)量管內(nèi)徑之比為0.20～0.33。
本實(shí)用新型只用了一個(gè)渦街流量計(jì)即實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量氣液兩相泡狀流的流量和體積含氣率，其測(cè)量部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)可動(dòng)件、成本低廉，其信號(hào)處理部分快速、準(zhǔn)確、方便，可滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)的要求。

圖1是本實(shí)用新型的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實(shí)用新型的信號(hào)處理電路框圖； 圖3是本實(shí)用新型程控放大器電路圖； 圖4是本實(shí)用新型自適應(yīng)濾波器電路圖； 圖5是本實(shí)用新型取壓孔位置示意圖； 圖6是本實(shí)用新型渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體橫截面示意圖； 圖7是用本實(shí)用新型的檢測(cè)裝置測(cè)得的差壓原始信號(hào)示意圖； 圖8是圖7中差壓原始信號(hào)所對(duì)應(yīng)的功率譜示意圖； 圖9是用本實(shí)用新型的檢測(cè)裝置測(cè)得的差壓信號(hào)頻率與混合物雷諾數(shù)ReD的關(guān)系圖； 圖10是用本實(shí)用新型的檢測(cè)裝置測(cè)得的差壓信號(hào)幅度與混合物雷諾數(shù)ReD的關(guān)系圖； 圖11是用本實(shí)用新型的檢測(cè)裝置測(cè)得的氣液兩相流斯特勞哈爾數(shù)StTP與單相流斯特勞哈爾數(shù)StSP的比值與體積含氣率β的關(guān)系圖； 圖12是用本實(shí)用新型的檢測(cè)裝置測(cè)得的氣液兩相流斯特勞哈爾數(shù)StTP與單相流斯特勞哈爾數(shù)StSP的比值與混合物雷諾數(shù)ReD的關(guān)系圖； 圖13用本實(shí)用新型得到的β值計(jì)算出的液體的流量QL與實(shí)際測(cè)得的QL值的比較圖。
具體實(shí)施方式
氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量方法在渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體下游的測(cè)量管管壁上開(kāi)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)于旋渦發(fā)生體的取壓孔，通過(guò)引壓管連接用差壓傳感器測(cè)量這兩點(diǎn)之間的差壓，信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理部分后分別獲得該差壓信號(hào)的頻率和幅度，計(jì)算得到氣液兩相泡狀流的流量與體積含氣率。
所述的用于計(jì)算氣液兩相泡狀流的流量與體積含氣率的關(guān)聯(lián)式為 QTP＝f/K， C＝19.6β3-21.0β2+0.983β+1.28475， 式中QTP為氣液兩相泡狀流的流量，m3·s-1；f為差壓信號(hào)頻率，Hz；K為渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)，m-3；β為氣液兩相泡狀流的體積含氣率，量綱為1；ρL和ρG分別為被測(cè)液體和氣體的密度，kg·m-3；A為差壓信號(hào)幅度，Pa；S為測(cè)量管橫截面面積，m2；n和C為修正系數(shù)。
如圖1所示，氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置具有測(cè)量管段1，在測(cè)量管段內(nèi)設(shè)有渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體2，在渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體的下游距旋渦發(fā)生體迎流端面0.2D～1.0D之間的測(cè)量管段1上開(kāi)有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)于測(cè)量管段軸線的取壓孔3，在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)于測(cè)量管段軸線的取壓孔之間通過(guò)引壓管4連接至差壓傳感器5，差壓傳感器5之后接有信號(hào)處理電路6。
如圖2所示，信號(hào)處理電路6為恒流電源與差壓傳感器、程控放大器、自適應(yīng)濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)相接，單片機(jī)與程控放大器相接，單片機(jī)與自適應(yīng)濾波器相接。本專(zhuān)利信號(hào)處理部分采用的器件型號(hào)為放大器A1采用AD620，單片機(jī)U1采用MSP430，數(shù)字電位器U2采用X9312，濾波器U3采用MAX7405，A/D轉(zhuǎn)換器U4采用ADS7816。
如圖3所示，信號(hào)處理電路中的程控放大器電路為放大器A1第八引腳經(jīng)數(shù)字電位器U1與放大器A1第一引腳相接，放大器A1正輸入端與電阻R1相接，放大器A1正輸入端經(jīng)電容C1接地，放大器A1負(fù)輸入端與電阻R2相接，放大器A1負(fù)輸入端經(jīng)電容C2接地，放大器A1輸出端經(jīng)電位器W1、電阻R3接地。放大器A1電路具體連接關(guān)系為放大器A1第八引腳經(jīng)數(shù)字電位器U1與放大器A1第一引腳相接，放大器A1第三引腳與電阻R1相接，放大器A1第三引腳經(jīng)電容C1接地，放大器A1第二引腳與電阻R2相接，放大器A1第二引腳經(jīng)電容C2接地，放大器A1第七、四引腳分別接正、負(fù)電源VCC和VEE，放大器A1第六引腳經(jīng)電位器W1、電阻R3接地。
如圖4所示，信號(hào)處理電路中的自適應(yīng)濾波器電路為放大器A2與放大器A3、放大器A4、濾波器U2相接，放大器A2的正輸入端經(jīng)電阻R3接電源VDD，放大器A2的正輸入端經(jīng)穩(wěn)壓二極管D1接地，放大器A2的負(fù)輸入端與放大器A2的輸出端相接，放大器A2的輸出端經(jīng)電阻R4接放大器A3的負(fù)輸入端，放大器A2的輸出端經(jīng)電阻R4、電阻R7與放大器A3輸出端相接，放大器A3的正輸入端經(jīng)電阻R6接地，放大器A3的負(fù)輸入端接電阻R5，放大器A3的輸出端經(jīng)電阻R8接放大器A4的負(fù)輸入端，放大器A3的輸出端經(jīng)電阻R8、電阻R10接放大器A4的輸出端，放大器A3的輸出端經(jīng)電阻R8、電阻R10接濾波器U2輸入端，放大器A4的正輸入端經(jīng)電阻R9接地，放大器A4的輸出端與濾波器U2輸入端相接。
如圖5所示，測(cè)量管管壁上的取壓孔與旋渦發(fā)生體迎流端面的距離為0.2D～1.0D，D為渦街流量計(jì)的內(nèi)直徑。
如圖6所示，旋渦發(fā)生體的橫截面形狀為梯形，旋渦發(fā)生體的迎流面寬度與測(cè)量管內(nèi)徑之比為0.20～0.33。
在以空氣和水作為流動(dòng)介質(zhì)的氣液兩相泡狀流中，當(dāng)體積含氣率β和混合物雷諾數(shù)ReD滿足條件β＝0～30％、ReD＝4.6×104～23.5×104時(shí)，管道內(nèi)旋渦發(fā)生體尾流中有穩(wěn)定的卡門(mén)渦街發(fā)生。其中體積含氣率β和混合物雷諾數(shù)ReD的定義如下 β＝QG/(QG+QL) (1) ReD＝vTPρTPD/μTP (2) vTP＝(QG+QL)/S (3) ρTP＝ρGβ+ρL(1-β)(4) μTP＝μGβ+μL(1-β)(5) 式中QG和QL為氣液兩相泡狀流中的氣體和液體的流量，m3·s-1；ρL和ρG分別為被測(cè)液體和氣體的密度，kg·m-3；S為測(cè)量管橫截面面積，m2；vTP、ρTP、μTP分別為氣液兩相泡狀流的平均流速(單位m·s-1)、平均密度(單位kg·m-3)和平均動(dòng)力粘度(單位kg·m-1·s-1)。
圖7給出了該條件下的差壓原始信號(hào)。通過(guò)對(duì)差壓信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，可以得到它們的功率譜。圖8給出了與圖7對(duì)應(yīng)條件下的差壓信號(hào)的功率譜。在β＝0～30％、ReD＝4.6×104～23.5×104范圍內(nèi)，改變氣體和液體的流量，測(cè)得了各種條件下的差壓原始信號(hào)，并計(jì)算出了它們對(duì)應(yīng)的功率譜，功率譜中主峰對(duì)應(yīng)的頻率即為渦街頻率，這些結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，在實(shí)驗(yàn)的氣液兩相泡狀流范圍內(nèi)渦街頻率與混合物雷諾數(shù)成正比，經(jīng)線性擬合得 f＝2.797ReD-1.2607(6) 圖10給出了差壓信號(hào)的幅度在不同體積含氣率β時(shí)與混合物雷諾數(shù)ReD的關(guān)系。差壓幅度A的定義如下 式中Amaxi和Amini分別表示在第i個(gè)完整周期內(nèi)的差壓最大值和最小值，Pa；N為信號(hào)中完整周期數(shù)，量綱為1。A與兩相流混合密度ρTP和流速vTP的關(guān)系可表述為 式中n和C為修正系數(shù)。
在渦街流量計(jì)中，流量和渦街頻率之間通常寫(xiě)出如下關(guān)系式 Q＝f/K(9) 其中K稱(chēng)為渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)，定義如下 式中St為無(wú)量綱的斯特勞哈爾數(shù)。借用單相流的形式可定義氣液兩相流的斯特勞哈爾數(shù) 按照以上定義計(jì)算的氣液兩相流斯特勞哈爾數(shù)StTP與單相流斯特勞哈爾數(shù)StSP的比值與體積含氣率β和混合物雷諾數(shù)ReD的關(guān)系分別如圖11和圖12所示?？梢?jiàn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)斯特勞哈爾數(shù)受β和ReD的影響都較小，因此可以用StSP替代StTP。根據(jù)式(10)，適用于單相流的渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)同樣可用于氣液兩相泡狀流的測(cè)量，即有 QTP＝f/K(12) 可見(jiàn)，只要通過(guò)FFT計(jì)算從差壓信號(hào)中得到了渦街的頻率f，則根據(jù)式(12)就可求得氣液兩相泡狀流的流量。
聯(lián)立式(3)、(4)、(8)和(9)，整理得 通過(guò)標(biāo)定，得到修正系數(shù)n＝2.3244，修正系數(shù)C可用下式計(jì)算 C＝19.6β3-21.0β2+0.983β+1.28475(14) 由于0＜β＜0.3，于是聯(lián)立求解式(13)和(14)即可得到β值。用本方法得到的β值計(jì)算出的液體的流量QL與實(shí)際測(cè)得的QL值的比較如圖13所示，可見(jiàn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)它們的誤差均在±10％以?xún)?nèi)。
綜上所述，根據(jù)以上原理可知按照本實(shí)用新型提出的方法能準(zhǔn)確方便地測(cè)量氣液兩相泡狀流的流量和體積含氣率。
權(quán)利要求1、一種氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置，其特征在于它具有測(cè)量管(1)，在測(cè)量管段內(nèi)設(shè)有渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體(2)，在渦街流量計(jì)的旋渦發(fā)生體的下游距旋渦發(fā)生體迎流端面0.2D～1.0D的測(cè)量管(1)上開(kāi)有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)于測(cè)量管軸線的取壓孔(3)，在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)于測(cè)量管軸線的取壓孔之間通過(guò)引壓管(4)連接至差壓傳感器(5)，差壓傳感器(5)與信號(hào)處理電路(6)相接，信號(hào)處理電路(6)為恒流電源與差壓傳感器、程控放大器、自適應(yīng)濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)相接，單片機(jī)與程控放大器相接，單片機(jī)與自適應(yīng)濾波器相接。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置，其特征在于所述的程控放大器電路為放大器A1第八引腳經(jīng)數(shù)字電位器U1與放大器A1第一引腳相接，放大器A1正輸入端與電阻R1相接，放大器A1正輸入端經(jīng)電容C1接地，放大器A1負(fù)輸入端與電阻R2相接，放大器A1負(fù)輸入端經(jīng)電容C2接地，放大器A1輸出端經(jīng)電位器W1、電阻R3接地。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置，其特征在于所述的自適應(yīng)濾波器電路為放大器A2與放大器A3、放大器A4、濾波器U2相接，放大器A2的正輸入端經(jīng)電阻R3接電源VDD，放大器A2的正輸入端經(jīng)穩(wěn)壓二極管D1接地，放大器A2的負(fù)輸入端與放大器A2的輸出端相接，放大器A2的輸出端經(jīng)電阻R4接放大器A3的負(fù)輸入端，放大器A2的輸出端經(jīng)電阻R4、電阻R7與放大器A3輸出端相接，放大器A3的正輸入端經(jīng)電阻R6接地，放大器A3的負(fù)輸入端接電阻R5，放大器A3的輸出端經(jīng)電阻R8接放大器A4的負(fù)輸入端，放大器A3的輸出端經(jīng)電阻R8、電阻R10接放大器A4的輸出端，放大器A3的輸出端經(jīng)電阻R8、電阻R10接濾波器U2輸入端，放大器A4的正輸入端經(jīng)電阻R9接地，放大器A4的輸出端與濾波器U2輸入端相接。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置，其特征在于所述的測(cè)量管(1)管壁上的取壓孔(3)與旋渦發(fā)生體(2)迎流端面的距離為0.2D～1.0D，D為渦街流量計(jì)的內(nèi)直徑。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置，其特征在于所述的旋渦發(fā)生體(2)的橫截面形狀為梯形，旋渦發(fā)生體(2)的迎流面寬度與測(cè)量管(1)內(nèi)徑之比為0.20～0.33。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種氣液兩相泡狀流流量與體積含氣率測(cè)量裝置。在置于氣液兩相泡狀流中的渦街流量計(jì)旋渦發(fā)生體下游一定區(qū)間內(nèi)的測(cè)量管管壁上，開(kāi)設(shè)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)于旋渦發(fā)生體的取壓孔，用差壓傳感器測(cè)量這兩點(diǎn)之間的差壓，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路分別獲得該差壓信號(hào)的頻率和幅度，最后代入氣液兩相流有關(guān)的關(guān)聯(lián)式，計(jì)算得到氣液兩相泡狀流的流量與體積含氣率。本實(shí)用新型只用了一個(gè)渦街流量計(jì)即實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量氣液兩相泡狀流的流量和體積含氣率，其測(cè)量部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)可動(dòng)件、成本低廉，其信號(hào)處理部分快速、準(zhǔn)確、方便，可滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)的要求。
文檔編號(hào)G01N7/00GK201003962SQ20062013992
公開(kāi)日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2006年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月13日
發(fā)明者張宏建, 孫志強(qiáng), 項(xiàng)銀杰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)