專利名稱：小管徑管道兩相流參數(shù)光學(xué)測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于兩相流檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種小管徑管道兩相流參數(shù)光 學(xué)測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
多相流/兩相流廣泛存在于石油、化工、能源等領(lǐng)域之中，尤其是兩相流更 為普遍。隨著工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的小型化和微型化，小管徑管道兩相流體系也逐漸 出現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)檢測和流動(dòng)特性分析具有重要的研究意義，因 此，小管徑管道兩相流參數(shù)檢測成為多相流參數(shù)檢測領(lǐng)域的一個(gè)新方向。由于 小管徑管道的通道水力直徑較小，通道面積/容積比增大，以及表面張力的作用， 小管徑管道流體的流動(dòng)特性有別于常規(guī)管道，很多常規(guī)管道廣泛采用的參數(shù)檢 測方法不能應(yīng)用于小管徑管道參數(shù)的檢測。目前，針對(duì)小管徑管道參數(shù)檢測的 方法較少，主要有電容法、攝像法等。
光學(xué)法結(jié)構(gòu)簡單，具有成本低廉、非侵入等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于常規(guī)管徑兩 相流參數(shù)檢測，對(duì)于毫米級(jí)小管徑管道環(huán)境，光學(xué)法與互相關(guān)測速原理相結(jié)合， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相流體速度的非侵入式測量，但對(duì)兩相流的其他參數(shù)測量未見使 用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種小管徑管道兩相流參數(shù)光 學(xué)測量裝置及方法。
小管徑管道兩相流參數(shù)光學(xué)測量裝置包括小管徑透明測試管道、第一光電 池、第二光電池、柱透鏡、激光器、第一電流測量電路、第二電流測量電路、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在小管徑透明測試管道一側(cè)垂直依次放置柱透鏡、激光器，在 小管徑透明測試管道另一側(cè)在柱透鏡、激光器光軸兩側(cè)，并排放置第一光電池、 第二光電池，第一光電池經(jīng)第一電流測量電路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，第二光電 池經(jīng)第二電流測量電路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
小管徑管道兩相流參數(shù)光學(xué)測量方法包括如下步驟
1)在小管徑透明測試管道一側(cè)垂直依次放置柱透鏡、激光器，在小管徑透 明測試管道另一側(cè)沿柱透鏡、激光器光軸兩側(cè)，并排放置第一光電池、第二光 電池，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的光電池產(chǎn)生兩路反映流體相分布信息的電流信號(hào)，分別 由第一電流測量電路和第二電流測量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
2) 根據(jù)由步驟1)獲得的電壓差值S，公式如下 其中
U,——第一 電流測量電路輸出電壓值 U2——第二電流測量電路輸出電壓值；
3) 如電壓差值S為零，則小管徑透明測試管道內(nèi)為單一流動(dòng)流體；如電壓差 值S不為零，則小管徑透明測試管道內(nèi)為流體1與流體2的相界面；
4) 如電壓差值S為零時(shí)，通過比較第一電流測量電路輸出電壓值U,和第二 電流測量電路輸出電壓值1:2大小，將小管徑透明測試管道內(nèi)為單一流動(dòng)流體分 為兩種狀態(tài)狀態(tài)1為流體1位于檢測點(diǎn)處，狀態(tài)2為流體2位于檢測點(diǎn)處；
5) 如電壓差值S不為零時(shí)，根據(jù)電壓差值S的正、負(fù)將小管徑透明測試管 道內(nèi)相界面兩側(cè)的介質(zhì)分布狀態(tài)分為兩種狀態(tài)1為流體1、流體2分別位于相 界面左、右側(cè)，狀態(tài)2為流體2、流體l分別位于相界面左、右側(cè)；
6) 如電壓差值S不為零時(shí)，根據(jù)電壓差值S在相同情況下出現(xiàn)大小極點(diǎn)的 不同順序，將小管徑透明測試管道內(nèi)流體的流動(dòng)方向分為兩種情況情況1為 沿管道軸線自左向右，情況2為沿管道軸線自右向左。
本發(fā)明以光電池為檢測元件，利用段塞流的兩相彎曲界面使光路發(fā)生偏轉(zhuǎn) 的特性，實(shí)現(xiàn)了小管徑管道兩相流參數(shù)檢測，具有非侵入性、可靠性好、成本 低等優(yōu)點(diǎn)，與現(xiàn)有的小管徑管道兩相流光學(xué)檢測法相比，提供了更豐富的兩相 流參數(shù)信息，并且可以與其他的兩相流參數(shù)檢測技術(shù)相結(jié)合，為小管徑管道兩 相流參數(shù)檢測提供有益的借鑒。


圖1是小管徑管道兩相流參數(shù)光學(xué)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖2(a)是流體1位于激光檢測點(diǎn)處光路示意圖2(b)是流體2位于激光檢測點(diǎn)處光路示意圖3(a)是狀態(tài)1相界面位于激光檢測點(diǎn)處光路示意圖3(b)是狀態(tài)1相界面位于激光檢測點(diǎn)處小管徑管道內(nèi)光路變化示意圖4(a)是狀態(tài)2相界面位于激光檢測點(diǎn)處光路示意圖4(b)是狀態(tài)2相界面位于激光檢測點(diǎn)處小管徑管道內(nèi)光路變化示意圖5(a) (d)是相界面經(jīng)過檢測點(diǎn)時(shí)光路變化對(duì)比圖6是小管徑管道兩相流參數(shù)光學(xué)測量方法工作步驟方框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出了一種基于光學(xué)原理的測量方案，設(shè)計(jì)出一套裝置，包含小管 徑透明測試管道，兩片光電池、柱透鏡、激光器、電流測量電路以及數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)。以小管徑管道內(nèi)常見的段塞流為研究對(duì)象，利用兩相彎曲界面使光路發(fā) 生偏轉(zhuǎn)的特性，以光電池輸出電流的變化為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米級(jí)小管徑管道兩 相流參數(shù)的檢測。
如圖1所示，小管徑管道兩相流參數(shù)光學(xué)測量裝置包括小管徑透明測試管
道3、第一光電池4、第二光電池5、柱透鏡2、激光器l、第一電流測量電路6、 第二電流測量電路7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8，在小管徑透明測試管道一側(cè)垂直依次放 置柱透鏡、激光器，其至小管徑透明測試管道的距離分別為180mm和250mm， 在小管徑透明測試管道另一側(cè)在柱透鏡、激光器光軸兩側(cè)，并排放置第一光電 池、第二光電池，兩者之間的距離為0.05mm，第一光電池經(jīng)第一電流測量電路 與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，第二光電池經(jīng)第二電流測量電路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。 激光器產(chǎn)生的是點(diǎn)光源，輸出光經(jīng)過柱透鏡以后形成一束垂直于小管徑管道軸 線的線光源，線激光經(jīng)過透明小管徑管道照射在光電池表面。
如圖2所示，由于光在同一種介質(zhì)內(nèi)沿直線傳播，入射激光照射在兩片光 電池的中間縫隙處，輸出電壓信號(hào)近似相等，故輸出電壓差值5=0，因此可以 判斷當(dāng)前位于激光檢測點(diǎn)處的流體為單一流體。由于充滿管道的不同介質(zhì)對(duì)經(jīng) 過其中的光線折射程度不同，所以，當(dāng)流體1和流體2分別位于激光檢測點(diǎn)處 時(shí)，光電池的輸出電壓大小不同。
圖3(a)是狀態(tài)1相界面位于激光檢測點(diǎn)處光路示意圖，即在檢測點(diǎn)左側(cè)是流 體l，檢測點(diǎn)右側(cè)是流體2，假設(shè)流體2的折射率大于流體1的折射率，如流體 l為空氣，流體2為水，根據(jù)光的折射定律可知，激光經(jīng)過小管徑透明測試管道 的光路情況如圖3(b)所示，則激光將偏向2號(hào)光電池，2號(hào)光電池輸出電壓大于 l號(hào)光電池輸出電壓，即[/2>^,由S二C/,-C/2可知，S<0。
圖4(a)是狀態(tài)2相界面位于激光檢測點(diǎn)處光路示意圖，即在檢測點(diǎn)左側(cè)是流 體2，檢測點(diǎn)右側(cè)是流體l，假設(shè)流體2的折射率大于流體1的折射率，如流體 l為空氣，流體2為水，根據(jù)光的折射定律可知，激光經(jīng)過小管徑透明測試管道 的光路情況如圖4(b)所示，則激光將偏向1號(hào)光電池，1號(hào)光電池輸出電壓大于 2號(hào)光電池輸出電壓，即f/一C/2，由5* = ^-K可知，S>0。
兩相流體在小管徑管道內(nèi)流動(dòng)的過 中，入射光線從兩片光電池的中間位 置偏向其中一塊光電池，然后重新偏回兩片光電池的中間位置，S的絕對(duì)值會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)大小不同的極值，因此可根據(jù)兩個(gè)極值出現(xiàn)的不同順序判斷兩相流的流 動(dòng)方向。
光線開始偏向一片光電池時(shí)，由于該光電池輸出電壓增大，另外一片光電 池輸出電壓減小，所以S絕對(duì)值增大，由于光電池的尺寸限制，隨著光線偏轉(zhuǎn)角 度的增大，少量光線照在光電池外部，導(dǎo)致S絕對(duì)值減小，因此，S曲線出現(xiàn)第 一個(gè)極值，當(dāng)管徑內(nèi)檢測點(diǎn)位置的較大折射率的流體增多時(shí)，光電池輸出電壓 受到流體對(duì)光線的折射程度的影響，隨著較大折射率流體比重的增加，盡管存 在光線照在光電池外部的情況，S的絕對(duì)值也會(huì)增大，當(dāng)相界面全部通過檢測點(diǎn)
以后5 = 0，因此，曲線出現(xiàn)第二個(gè)極值。如圖5所示，(a)(d)狀態(tài)下S的絕對(duì)值極 值大小相同，(b)(c)狀態(tài)下S的絕對(duì)值極值大小相同，由于流動(dòng)方向不同，兩種 狀態(tài)出現(xiàn)的先后順序不同，因此，兩個(gè)極值出現(xiàn)的順序不同，據(jù)此可以判斷兩 相流的流動(dòng)方向。
如圖6所示，小管徑管道兩相流參數(shù)光學(xué)測量方法包括如下步驟
1) 在小管徑透明測試管道3—側(cè)垂直依次放置柱透鏡2、激光器1，在小管 徑透明測試管道另一側(cè)沿柱透鏡、激光器光軸兩側(cè)，并排放置第一光電池4、第 二光電池5，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的光電池產(chǎn)生兩路反映流體相分布信息的電流信號(hào)， 分別由第一電流測量電路6和第二電流測量電路7將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并接 入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8;
2) 根據(jù)由步驟1)獲得的電壓差值S，公式如下-
其中
U,——第一電流測量電路輸出電壓值 U2——第二電流測量電路輸出電壓值；
3) 如電壓差值S為零，則小管徑透明測試管道內(nèi)為單一流動(dòng)流體；如電壓差 值S不為零，則小管徑透明測試管道內(nèi)為流體1與流體2的相界面；
4) 如電壓差值S為零時(shí)，通過比較第一電流測量電路輸出電壓值U,和第二 電流測量電路輸出電壓值U,大小，將小管徑透明測試管道內(nèi)為單一流動(dòng)流體分 為兩種狀態(tài)狀態(tài)1為流體1位于檢測點(diǎn)處，狀態(tài)2為流體2位于檢測點(diǎn)處；
5) 如電壓差值S不為零時(shí)，根據(jù)電壓差值S的正、負(fù)將小管徑透明測試管 道內(nèi)相界面兩側(cè)的介質(zhì)分布狀態(tài)分為兩種狀態(tài)1為流體1、流體2分別位于相 界面左、右側(cè)，狀態(tài)2為流體2、流體l分別位于相界面左、右側(cè)；
6) 如電壓差值S不為零時(shí)，根據(jù)電壓差值S在相同情況下出現(xiàn)大小極點(diǎn)的
6不同順序，將小管徑透明測試管道內(nèi)流體的流動(dòng)方向分為兩種情況情況1為 沿管道軸線自左向右，情況2為沿管道軸線自右向左。
現(xiàn)已針對(duì)空氣-水兩相流在內(nèi)徑為2mm、 3mm和4mm的水平管上進(jìn)行了試 驗(yàn)，利用本發(fā)明中所提及的裝置及方法，對(duì)不同流速的段塞流進(jìn)行參數(shù)檢測， 取得了良好的效果。
權(quán)利要求
1.一種小管徑管道兩相流參數(shù)光學(xué)測量裝置，其特征在于包括小管徑透明測試管道(3)、第一光電池(4)、第二光電池(5)、柱透鏡(2)、激光器(1)、第一電流測量電路(6)、第二電流測量電路(7)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(8)，在小管徑透明測試管道一側(cè)垂直依次放置柱透鏡、激光器，在小管徑透明測試管道另一側(cè)沿柱透鏡、激光器光軸兩側(cè)，并排放置第一光電池、第二光電池，第一光電池經(jīng)第一電流測量電路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，第二光電池經(jīng)第二電流測量電路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
2. —種使用如權(quán)利要求1所述裝置的小管徑管道兩相流參數(shù)光學(xué)測量方法，其特征在于包括如下步驟1) 在小管徑透明測試管道(3) —側(cè)垂直依次放置柱透鏡(2)、激光器(1)，在小管徑透明測試管道另一側(cè)沿柱透鏡、激光器光軸兩側(cè)，并排放置第一光電池(4)、第二光電池(5)，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的光電池產(chǎn)生兩路反映流體相分布信息的電流信號(hào)，分別由第一電流測量電路(6)和第二電流測量電路(7)將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(8);2) 根據(jù)由步驟1)獲得的電壓差值S，公式如下其中-u,——第一 電流測量電路輸出電壓值U2——第二電流測量電路輸出電壓值；3) 如電壓差值S為零，則小管徑透明測試管道內(nèi)為單一流動(dòng)流體；如電壓差值S不為零，則小管徑透明測試管道內(nèi)為流體1與流體2的相界面；4) 如電壓差值S為零時(shí)，通過比較第一電流測量電路輸出電壓值U,和第二電流測量電路輸出電壓值112大小，將小管徑透明測試管道內(nèi)的單一流動(dòng)流體分為兩種狀態(tài)狀態(tài)1為流體1位于檢測點(diǎn)處，狀態(tài)2為流體2位于檢測點(diǎn)處；5) 如電壓差值S不為零時(shí)，根據(jù)電壓差值S的正、負(fù)將小管徑透明測試管道內(nèi)相界面兩側(cè)的介質(zhì)分布狀態(tài)分為兩種狀態(tài)1為流體1、流體2分別位于相界面左、右側(cè)，狀態(tài)2為流體2、流體l分別位于相界面左、右側(cè)；6) 如電壓差值5"不為零時(shí)，根據(jù)電壓差值S在相同情況下出現(xiàn)大小極點(diǎn)的不同順序，將小管徑透明測試管道內(nèi)流體的流動(dòng)方向分為兩種情況情況1為沿管道軸線自左向右，情況2為沿管道軸線自右向左。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小管徑管道兩相流參數(shù)光學(xué)測量裝置及方法。包括小管徑管道、兩片光電池、柱透鏡、激光器、電流測量電路以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。激光器發(fā)射的光線經(jīng)過柱透鏡，透過小管徑管道內(nèi)兩相流體，照射在光電池表面，光電池輸出電流經(jīng)過電流測量電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用兩相彎曲界面使光路發(fā)生偏轉(zhuǎn)的特性，根據(jù)光電池輸出信號(hào)判斷相界面兩側(cè)的相分布情況和兩相流的流動(dòng)方向等信息。本發(fā)明為解決小管徑管道兩相流參數(shù)測量問題提供了一條有效的途徑，相應(yīng)的裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、非侵入、對(duì)管道內(nèi)流體無影響、成本低等優(yōu)點(diǎn)，還可以與現(xiàn)有的兩相流參數(shù)檢測技術(shù)相結(jié)合，為小管徑管道兩相流其他參數(shù)測量提供有益的借鑒。
文檔編號(hào)G01N21/41GK101603974SQ20091010076
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者冀海峰, 徐曉輝, 李海青, 王保良, 黃志堯 申請人:浙江大學(xué)