一种气液两相流截面成像装置

技术领域:

本发明属于多相流测量的技术领域，具体涉及一种气液两相流截面成像装置。

背景技术:

气液两相流广泛存在于石油、化工、能源动力等工程领域。随着气液相流速不同，在气液两相流管截面会呈现不同的分布形式，即会出现分层流、波浪流、段塞流、环状流等多种流型。对气液相分布进行准确测量是研究多相流动规律，以及对多相流系统运行状况进行监测的前提。

目前，关于气液相分布的测量方法主要有射线吸收法、电导探针法，以及层析成像法等。

射线法需要使用放射性源，造价昂贵，且存在辐射风险。

申请号为200610042792.4的中国专利“多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统提出了一种管内单丝电容探针测量多相流管道截面相分率，该发明仅在管道中竖直放置一根电容探针故而只能测量多相流管道的局部相分率，不能够代表整个管道的相分率。

申请号为201610802066.1中国专利公布了一种新型的电容式气液两相分离流液膜分布测量装置，可实现液膜周向分布的准确测量。但需要采用旋流器对入口流型进行整改，且获得是平均持液率，无法对自然流动状态的气液相分布进行测量。

层析成像方法能获得管截面上的气液实时分布，其中X和γ射线层析成像技术应用最为广泛。其检测原理是依据放射线穿透被测两相或多相流体时衰减程度进行成像的。但其缺点是实时性差，成本较高、安全性差。

美国专利US6314373提出了另一种新的电导式层析成像方法。电导敏感阵列由2层相互垂直的平行电极组成，电极为直径等于0.12mm的裸露导线，层间距为1.5mm，相邻两根平行电极之间的距离等于3mm。该装置利用水平与垂直电极所形成的交叉结点(空间交叉)组成一种局部电导“探针”，两电极之间的电导主要取决于结点处两相介质分布，通过依次测量各交叉电极之间的电导，就能直接得出流通截面上各个结点区的局部相分布，而不需要经过复杂的图像重建运算。这种成像方法的测量精度取决于两个相邻电极之间的间距，如果减少导线之间的间距则会增加对流场的干扰，若增加导线间距则会增大测量误差。

专利200410026282.9公布了一种网丝电容层析成像方法，网丝电容传感器对管道中的两相流体进行高速旋转扫描来获取两相流体在管道截面上各个方向上的投影信息，并通过图像重建运算，获得两相流动的实时图像。但该方法的缺点是电容传感器需通过旋转实现测量，测量系统复杂，难以长时间连续工作。此外，电极旋转会对流场产生干扰，气泡、液滴可能会在旋转网线作用下偏离原来位置，进而造成测量误差。

鉴于当前技术存在的问题，本发明提出一种新的气液两相流界面成像装置，同时测量气液相分布在水平方向和竖直方向上的投影，通过线性重构即可实现气液两相分布进行实时成像。其优点是本发明能实现与导线接触的所有电容丝上的电容值同时测量，并通过电容值精确计算电容丝接触的液膜长度，从而大幅提高了成像速度和精度。

发明内容：

一种气液两相流截面成像装置，其特征在于：主要包括竖直导电丝网，水平电容丝网，竖直电容丝网，水平导电丝网，接线端子，控采模块，以及成像电脑，所述的竖直导电丝网，水平电容丝网，水平导电丝网，竖直电容丝网沿管道轴线方向依次布置，网面保持与管道轴线方向垂直，相互之间间距0.5mm-1.5mm，所述的竖直电容丝网，水平导电丝网的网丝均与接线端子相连，接线端子与控采模块相连，控采模块与采集计算机相连。

所述的竖直导电丝网由若干条金属丝沿竖直方向等间距布局而成，所述的水平导电丝网由若干条金属丝沿水平方向等间距布局而成，所述的水平电容丝网由若干条电容丝沿水平方向等间距布局而成，所述的竖直电容丝网由若干条电容丝沿竖直方向等间距布局而成；所述的竖直导电丝网，水平电容丝网，竖直电容丝网，以及水平导电丝网具有相同丝线数目，对于同一丝网，丝线之间的距离也均相同。

所述的金属丝为表层裸露的金属导线，其直径0.1-0.2mm；所述的电容丝为双层结构，中间芯线为金属导线，表层有绝缘层，其金属导线的直径0.1-0.2mm，绝缘层厚度为金属导线直径的1％-5％。

所述的控采模块由电源、时序控制电路、电容采集电路组成；电源与时序控制电路相连，向电路系统工作提供电能；时序控制电路与通过接线端与竖直导电丝网和水平导电丝网的金属导线相连，通过时序控制电路的导通和断开；电容采集电路与水平电容丝网和竖直电容丝网的电容线上末端的金属导线相连，将测量各条电容丝上的电容值转换为电压输入采集计算机。

所述的竖直导电丝网和水平电容丝网构成一组测量单元，用于测量水平方向气液相分布投影，所述的竖直电容丝网和水平导电丝网构成另一组测量单元，用于测量竖直方向气液相分布投影，对二者投影进行重构，即可对气液两相分布进行实时成像。

述与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)无运动部件，响应速度快，可以实现气液相截面分布的实时测量；

(2)测量分辨率取决于电容丝的绝缘层厚度，远优于传统的网格式传感器；

(3)测量结果不受测量介质含盐量、温度等参数变化的影响，能够在宽广的流型范围内稳定工作。

附图说明：

图1本发明结构示意图；

图2竖直导电丝网示意图；

图3水平导电丝网示意图；

图4水平电容丝网示意图；

图5竖直电容丝网示意图；

图6绝缘线结构示意图；

图7绝缘线截面示意图；

图8单丝电容测量原理图；

图9控采模块组成示意图；

图10气液水平分布测量示意图；

图11气液竖直分布测量示意图；

1、竖直导电丝网；2、水平电容丝网；3、竖直电容丝网；4、水平导电丝网；5、接线端子；6、控采模块；7、采集计算机；8、管道；9金属导线；10、电容丝；11、管壁；12、导电金属芯；13、绝缘薄膜；14、电源；15、时序控制电路；16、电容采集电路；17、液团。

具体实施方式:

如图1为本发明结构示意图。主要包括竖直导电丝网1，水平电容丝网2，竖直电容丝网3，水平导电丝网4，接线端子5，控采模块6，以及采集计算机7，所述的竖直导电丝网1，水平电容丝网2，水平导电丝网4，竖直电容丝网3沿管道8轴线方向依次布置，网面保持与管道8轴线方向垂直，相互之间间距0.5mm-1.5mm，所述的竖直导电丝网1，水平电容丝网2，竖直电容丝网3，水平导电丝网4的网丝均与接线端子5相连，接线端子5与控采模块6相连，控采模块6与采集计算机7相连。

所述的竖直导电丝网1由若干条金属丝沿竖直方向等间距布局而成，所述的水平导电丝网4由若干条金属丝沿水平方向等间距布局而成，所述的水平电容丝网2由若干条电容丝10沿水平方向等间距布局而成，所述的竖直电容丝网3由若干条电容丝10沿竖直方向等间距布局而成；所述的竖直导电丝网1，水平电容丝网2，竖直电容丝网3，以及水平导电丝网4具有相同丝线数目，对于同一丝网，丝线之间的距离也均相同。

如图2为竖直导电丝网示意图。竖直导电丝网1由若干条金属导线9沿竖直方向等间距布局而成，各条金属丝位于同一平面上。如图3为水平导电丝网示意图。水平导电丝网4由若干条金属导线9沿水平方向等间距布局而成，各条金属丝位于同一平面上。竖直导电丝网1和水平导电丝网4的金属丝为裸露的金属导线9，表面无绝缘层覆盖。

如图4为水平电容丝网示意图，水平电容丝网2由若干条电容丝10沿水平方向等间距布局而成，各条电容丝10位于同一平面上。如图5为竖直电容丝网3示意图，竖直电容丝网3由若干条电容丝10沿竖直方向等间距布局而成，各条电容丝10位于同一平面上。

如图6、图7所示，电容丝10为双层结构，中心为导电金属芯12，外面均匀涂覆有一层绝缘薄膜13，绝缘薄膜13为一层不导电薄膜，其厚度小于导电金属芯12直径的1.0％。当电容探针与导电性的液体接触时,导电液体和导电金属芯12形成圆筒型电容器,绝缘薄膜13充当了电容器的电介质。圆筒型电容器电容大小可用式(1)计算:

式中：L为探针接触的液膜厚度；d为导电金属芯12的直径；δ为绝缘薄膜13的厚度；ε为绝缘薄膜13的介电常数。

由公式可知，由于d，δ，ε均为常数，液膜厚度与探针电容值呈线性关系。此外，由于绝缘薄膜13厚度远小于导电芯直径d，即δ<

图9为控采模块组成示意图。控采模块6由电源14，时序控制电路15、电容采集电路16等组成，电源14为控采模块6提供电能，驱动相关电路工作。时序控制电路15用于控制将竖直导电丝网1或水平导电丝网4的金属导线9依次接入电路，从而为测量与该导线交的电容丝10上的电容值提供闭合电路。电容采集16模块功能是测量每条绝缘线上的电容值，并输往成像计算机7。成像计算机7通过公式(1)即可反算出对应的水平和竖直方向的液相长度，进而实现气液相分布的截面成像。

图10为气液水平分布测量示意图。竖直导电丝网1沿竖直方向布置的导线和水平电容丝网2沿水平方向布置的电容丝10相互垂直，形成覆盖测量管道8截面的网状结构。测量时通过控采模块6的时序控制电路15，依次将竖直导电丝网1上各条接入测量系统，获得与当前导线相交的所有电容丝10上的电容值。如果该导线没有和液相接触，则测量电容值接近0。若该电导丝和某个液团17接触，则通过该液团17的电容丝10上的电容值将发生变化，其电容值与液团17和电容丝10接触的长度成正比，若电容丝10不和该液团17接触，则电容丝10测量电容值依旧接近0。因此，通过竖直导电丝网1和水平电容丝网2的组合，即可获得气液在管道8界面水平方向的精确分布。

由图10、通过竖直导电丝网1和水平电容丝网2组合，即可获得液团17在水平方向的精确分布。但对于竖直方向上，其分辨率取决于两条绝缘丝的之间的间距，误差较大，需要通过水平导电丝网4和竖直电容丝网3组合测量来加以改进。

图11为气液竖直分布测量示意图。水平导电丝网4沿水平方向布置的金属导线9和竖直电容丝网3沿竖直方向布置的电容丝10相互垂直，形成覆盖测量管道8截面的网状结构。通过控采模块6的时序控制电路15，依次将水平导电丝网4上的各条导线接入测量系统，获得与该电导丝相交的所有电容丝10上的电容值。如果该导线没有和液相接触，则测量电容值接近0。若该导线和某个液团17发生接触，则可通过液团17的电容丝10上的电容值将发生变化，其电容值与液团17和电容丝10接触的长度成正比，若电容丝10不和该液团17接触，则电容丝10上的电容值依旧趋近于0。

本发明竖直导电丝网1、水平电容丝网2、竖直电容丝网3、水平导电丝网4沿管道8依次排列。竖直导电丝网1和水平电容丝网2构成一组测量单元，用于测量水平方向气液相分布投影。竖直电容丝网3和水平导电丝网4构成另一组测量单元，用于测量竖直方向气液相分布投影。通过对水平和竖直两个方向的投影进行重构，即可对气液两相分布进行实时成像。

本发明能实现与导线接触的所有电容丝10的上的电容值同时测量，并通过电容值精确计算电容丝10接触的液膜长度。因此，与传统的采用测量导线交叉点的电导或电容来获得截面气液分布的网格成像相比，大幅提高了截面成像速度和精度。