本發(fā)明屬于多相流測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電容式氣液兩相分離流液膜分布測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、能源動(dòng)力等工程領(lǐng)域，在氣液兩相流動(dòng)中由于流型的多變性以及相界面的隨機(jī)性，相界面參數(shù)測(cè)量一直是一個(gè)難題。根據(jù)氣液相是否分開(kāi)，氣液兩相流可分為分離流、間歇流以及彌散流。分離流型中最為典型的是分層流和環(huán)狀流。對(duì)于此兩種流型，液膜分布是其最關(guān)鍵參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量液膜周向分布規(guī)律是研究流動(dòng)特性和建立準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)。

目前，關(guān)于液膜厚度測(cè)量方法很多，主要包括快關(guān)閥門法、射線吸收法、光學(xué)測(cè)量法等。但是在實(shí)際應(yīng)用中這些方法存在各種各樣的問(wèn)題。比如快關(guān)閥門法只能獲得平均液膜厚度，且需要快速封閉測(cè)量管段，對(duì)流場(chǎng)干擾大；射線法需要使用放射性材料，造價(jià)昂貴，且存在輻射風(fēng)險(xiǎn)；光學(xué)法需要管道透明，受外界環(huán)境干擾大，無(wú)法準(zhǔn)確獲知管道內(nèi)部流動(dòng)信息。

申請(qǐng)?zhí)枮?00610042792.4的中國(guó)專利“多相管流中相含率和相界面的單絲電容探針測(cè)量系統(tǒng)”提出了一種管內(nèi)單絲電容探針測(cè)量多相流管道截面相分率，該發(fā)明僅在管道中豎直放置一根電容探針故而只能測(cè)量多相流管道的局部相分率，不能夠代表整個(gè)管道的相分率。此外，對(duì)于環(huán)狀流，電容探針的起、終兩端均與液膜接觸，所測(cè)量的液膜厚度為這兩處液膜厚度之和。而對(duì)于水平管環(huán)狀流，由于重力作用，液膜厚度沿周向的分布并不均勻，因此，采用該種測(cè)量方法無(wú)法獲得液膜沿周向的分布規(guī)律。

為了克服現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提出了一種新型的電容式氣液兩相分離流液膜分布測(cè)量裝置，可實(shí)現(xiàn)液膜周向分布的準(zhǔn)確測(cè)量，且具有準(zhǔn)確度高、流場(chǎng)干擾度小、體積小、造價(jià)低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種電容式氣液兩相分離流液膜分布測(cè)量裝置。以多相流中的導(dǎo)電液體作為電容的一極，以包裹絕緣層的導(dǎo)電芯作為電容的另一極。能夠精確檢測(cè)管道各個(gè)位置上的液膜厚度，檢測(cè)管道內(nèi)的多相流流型。

本發(fā)明涉及一種電容式氣液兩相分離流液膜分布測(cè)量裝置，主要由電容探針、液相電極、固定環(huán)、電容測(cè)量模塊以及信號(hào)采集計(jì)算機(jī)組成，固定環(huán)位于被測(cè)管道的中心，電容探針的一端固定在固定環(huán)上的定位孔中，另一端通過(guò)布置在管壁上的引線孔與探針接線柱上的電容電極相連，若干個(gè)電容探針在管道的截橫面上呈放射狀分布，電容電極和液相電極分別通過(guò)導(dǎo)線與電容測(cè)量模塊相連，電容測(cè)量模塊通過(guò)數(shù)據(jù)線與信號(hào)采集計(jì)算機(jī)相連。

所述的電容探針為雙層結(jié)構(gòu)，中心為導(dǎo)電芯，導(dǎo)電芯的外壁均勻涂覆有一層絕緣薄膜，絕緣薄膜厚度小于0.1mm。

所述的固定環(huán)為中空不導(dǎo)電圓環(huán)，固定環(huán)外徑小于被測(cè)管道內(nèi)徑的1/10,圓環(huán)壁面沿周向均勻布置若干個(gè)定位孔，定位孔的直徑為探針直徑的1.2-1.5倍，嵌裝在探針定位孔中的電容探針的端部絕緣處理且由絕緣鉚釘固定，電容探針與定位孔之間的間隙由絕緣膠密封。

所述的引線孔沿周向均勻布置在管道外壁上，為貫穿孔，其直徑為電容探針直徑的1.2-1.5倍，其位置和固定環(huán)上的定位孔一一對(duì)應(yīng)，接線柱安裝在引線孔的外側(cè)，接線柱的電容電極為導(dǎo)電金屬，電容探針的導(dǎo)電芯與電容電極相連，電容探針與引線孔之間的空隙由絕緣膠密封。

所述的液相電極為導(dǎo)電金屬，嵌裝在管道靠近底部的內(nèi)壁上，其端面與管道內(nèi)壁齊平，與管內(nèi)液體始終保持接觸。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)消除了傳統(tǒng)電容探針兩側(cè)同時(shí)與液相接觸時(shí)造成的液膜厚度識(shí)別誤差,可以精確測(cè)量液膜厚度沿管周分布的信息；

(2)液膜厚度與當(dāng)?shù)仉娙萏结橂娙葜党收?，不受氣液相介質(zhì)性質(zhì)、以及管道溫度、壓力等參數(shù)的影響；

(3)探針直徑小，對(duì)管內(nèi)流型的干擾較小。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)組成示意圖；

圖2為電容探針結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖；

圖3為固定環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為分層流液膜分布測(cè)量示意圖；

圖5為環(huán)狀流液膜分布測(cè)量示意圖；

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明主要由電容探針1、液相電極2、固定環(huán)3、電容測(cè)量模塊4以及信號(hào)采集計(jì)算機(jī)5組成，固定環(huán)3位于被測(cè)管道6的中心，電容探針1的一端固定在固定環(huán)3上的定位孔12中，另一端通過(guò)布置在管壁上的引線孔7與探針接線柱8上的電容電極9相連，若干個(gè)電容探針1在管道6的橫截面上呈放射狀分布，電容電極9和液相電極2分別通過(guò)導(dǎo)線與電容測(cè)量模塊4相連，電容測(cè)量模塊4通過(guò)數(shù)據(jù)線與信號(hào)采集計(jì)算機(jī)5相連。

如圖2所示，所述的電容探針1為雙層結(jié)構(gòu)，中心為導(dǎo)電芯10，導(dǎo)電芯10的外壁均勻涂覆有一層絕緣薄膜11，絕緣薄膜11厚度小于0.1mm。

如圖3所示，所述的固定環(huán)3為中空不導(dǎo)電圓環(huán)，固定環(huán)3外徑小于被測(cè)管道6內(nèi)徑的1/10,圓環(huán)壁面沿周向均勻布置若干個(gè)定位孔12，定位孔12的直徑為探針直徑的1.2-1.5倍，嵌裝在探針定位孔12中的電容探針1的端部絕緣處理且由絕緣鉚釘13固定，電容探針1與定位孔12之間的間隙由絕緣膠密封。

如圖1所示，所述的引線孔7沿周向均勻布置在管道6外壁上，為貫穿孔，其直徑為電容探針1直徑的1.2-1.5倍，其位置和固定環(huán)3上的定位孔12一一對(duì)應(yīng)，接線柱8安裝在引線孔7的外側(cè)，接線柱8的電容電極9為導(dǎo)電金屬，電容探針1的導(dǎo)電芯10與電容電極9相連，電容探針1與引線孔7之間的空隙由絕緣膠密封。

所述的液相電極2為導(dǎo)電金屬，嵌裝在管道6靠近底部的內(nèi)壁上，其端面與管道6內(nèi)壁齊平，與管內(nèi)液體始終保持接觸。

本發(fā)明工作原理詳細(xì)說(shuō)明如下：

如圖2所示，電容探針1為雙層結(jié)構(gòu)，中心為導(dǎo)電芯10，外面均勻涂覆有一層絕緣薄膜11，絕緣薄膜11厚度小于0.1mm。當(dāng)電容探針1與具有一定導(dǎo)電性的液體接觸時(shí),導(dǎo)電液體和導(dǎo)電芯10形成圓筒型電容器,絕緣薄膜11充當(dāng)了電容器的電介質(zhì)。圓筒型電容器電容大小可用式(1)計(jì)算:

式中：L為探針接觸的液膜厚度；d為導(dǎo)電體10的直徑；δ為絕緣薄膜11的厚度；ε為絕緣薄膜11的介電常數(shù)。

由公式可知，由于d，δ，ε均為常數(shù)，液膜厚度與探針電容值呈線性關(guān)系。此外，由于絕緣薄膜11厚度遠(yuǎn)小于導(dǎo)電芯直徑d，即δ<<d，從而ln((d+2δ)/d)很小，因此2πε/ln((d+2δ)/d)很大，表明該方法具有較高的靈敏度。此外由于ε為絕緣薄膜11介電常數(shù)，其值僅與絕緣薄膜的材料有關(guān)與流體本身性質(zhì)無(wú)關(guān)，因此測(cè)量值只取決于與電容探針1接觸的液膜厚度，而不受流體本身含鹽量、溫度、壓力等參數(shù)波動(dòng)的影響。

氣液兩相流常見(jiàn)的分離流型為分層流和環(huán)狀流，本發(fā)明測(cè)量這兩種流型的原理分別介紹如下：

圖4為分層流液膜分布測(cè)量示意圖。分層流為氣液兩相流管路一種常見(jiàn)流型，氣相在管道6頂部流動(dòng)，而液相在管道6底部流動(dòng)，氣液相間存在一明顯分界面。氣液界面以上的電容探針1不與液相接觸，液體與電容探針1的導(dǎo)電芯10之間無(wú)法形成有效電容器。同時(shí)，因液相電極2安裝于管道6底部，電容電極9和液相電極2之間無(wú)法構(gòu)成測(cè)量回路，所測(cè)電容值接近零。而液面以下電容探針1與液體接觸，液體與電容探針1的導(dǎo)電芯10之間構(gòu)成圓筒型電容器，而液相電極2安裝于管道6底部，浸沒(méi)在液體中，從而構(gòu)成電容測(cè)量回路。根據(jù)公式(1)可計(jì)算出與探針接觸的液膜厚度，根據(jù)該電容探針1在管截面中相對(duì)水平面的角度，通過(guò)幾何關(guān)系即可換算出當(dāng)?shù)匾耗ず穸?。所有電容探?測(cè)量值通過(guò)電容測(cè)量模塊4測(cè)量，在通過(guò)數(shù)據(jù)線輸往計(jì)算機(jī)5進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理。通過(guò)分析多根電容探針1的測(cè)量結(jié)果即可獲知分層流液膜分布情況的數(shù)據(jù)。

圖5為環(huán)狀流液膜厚度測(cè)量示意圖。環(huán)狀流通常發(fā)生在氣相流速較高的工況，環(huán)狀流型下，高速氣相在管中心流動(dòng)，而液相貼著管壁流動(dòng)，形成環(huán)狀液膜。對(duì)于水平管，由于重力影響，所形成的環(huán)狀液膜沿周向分布并不均勻，頂部液膜較薄，而底部液膜較厚。因電容探針1測(cè)量的電容值與電容探針1所接觸的總液膜厚度成正比，對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，一根電容探針1沿直徑方向布置，貫穿整個(gè)管道6的橫截面，所測(cè)量液膜厚度實(shí)質(zhì)上包括了兩個(gè)管壁處的液膜厚度。而對(duì)于不均勻環(huán)狀流，這兩處液膜厚度往往并不一致，因此無(wú)法準(zhǔn)確獲得周向液膜分布的準(zhǔn)確信息。而對(duì)于本發(fā)明，如圖1、圖5所示，電容探針1并不直接貫穿整個(gè)管截面，而是先與固定環(huán)3相連，電容探針1在固定環(huán)3上的定位孔12內(nèi)由絕緣鉚釘13固定。固定環(huán)3為絕緣材料制成，電容探針1與固定環(huán)3定位孔12之間的間隙以及電容探針1的端面均由絕緣膠密封，不與導(dǎo)電液體發(fā)生電接觸。因此，各個(gè)電容探針1之間相互絕緣，相互之間形成獨(dú)立的測(cè)量電路。通過(guò)測(cè)量得到各個(gè)電容探針1處的液膜分布即可獲得整個(gè)環(huán)狀流液膜沿周向分布的信息。

本實(shí)施例所展示的電容探針1的數(shù)目為8個(gè)，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，為更精確測(cè)量液膜分布的信息，可增加電容探針1的數(shù)目。

如圖1，圖4，圖5所示，固定環(huán)3位于管道6中心，各個(gè)電容探針1保持張緊狀態(tài)，相互之間形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于電容探針1直徑及固定環(huán)3壁厚很小，對(duì)流動(dòng)干擾可以忽略，從而可以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

綜上，本發(fā)明通過(guò)獨(dú)特的電容探針布局方式，克服了傳統(tǒng)的電容探針僅能測(cè)得探針接觸的總液膜厚度而無(wú)法識(shí)別局部液膜厚度大小的缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分層流、環(huán)狀流等氣液兩相分離流型的準(zhǔn)確測(cè)量。

此外，本發(fā)明消除了傳統(tǒng)電容探針兩側(cè)同時(shí)與液相接觸時(shí)造成的液膜厚度識(shí)別誤差，電容探針布局簡(jiǎn)單，測(cè)量不受介質(zhì)含鹽量變化，以及溫度、壓力等操作參數(shù)波動(dòng)的影響，在兩相流測(cè)量領(lǐng)域具有寬廣的應(yīng)用前景。