專利名稱：氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量氣液兩相流的流動速度、方向和氣體含量的測量工具，屬于流體測量領(lǐng)域，是一種同時測量氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器。
背景技術(shù)：
氣液兩相流的流動是工程上最常見的復(fù)雜現(xiàn)象，例如水輪機械中的轉(zhuǎn)子周圍的流動、輸油管道中的流體的流動等等都是。設(shè)計、分析這類流體機械，需要兩相流流場中的速度、壓力，以及氣液兩相成分的含量等數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)開發(fā)出多種測量兩相流流動速度和氣、液各相含量的實驗方法和工具。例如，粒子成像技術(shù)(PIV)、激光多普勒測速技術(shù) (LDV)、熱膜測量技術(shù)、光纖測量技術(shù)等。但是這些實驗設(shè)備不僅價格昂規(guī)，而且在應(yīng)用上都一些局限性。例如，PIV和LDV僅能夠適用于氣體含量在10%以下的兩相流；熱膜測量在兩相流標定上有困難，精度低；而光纖測量一般只能用于已知速度方向的前提下。一類使用壓力傳感器和導(dǎo)電電極同時測量兩相流的速度與氣體含量的方法是一種實用、有效、簡便的技術(shù)。其基本原理是將多孔壓力探頭和導(dǎo)電電極制成一個整體的傳感器，利用壓力探頭測量兩相流的流速和方向，用導(dǎo)電電極測量氣體的含量。但此項技術(shù)目前多見于氣液兩相流二維流速的測量。此外，因為一個整體的傳感器的測量端需要包含同時測量兩相流速度與氣體含量的元器件，由于存在尺寸加工制造方面的困難，此類傳感器的測量端的體積過大， 無法保證測量的空間精度，對流場也有明顯擾動。眾所周知，大量流體機械，包括水輪機轉(zhuǎn)子中的流動、燃油噴嘴中的流動等都是高度三維的流動，所以急需一種能夠精確測量氣液兩相流的三維流動速度，同時能夠精確測量氣體含量的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器，它包括一個外形呈長圓柱形、端部呈圓錐臺形狀的測量探頭、四個壓力傳感器、三個導(dǎo)電電極、一個基于壓力信號的電極對選擇電路和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。上述測量探頭的測量端，也就是外形呈圓錐臺的一端，是多孔結(jié)構(gòu)的。這些孔包括壓力孔和電極孔。測量速度時，該傳感器與多孔壓力探頭的工作原理一樣，利用多個壓力孔中的壓差值可以確定流體的三維流動速度和方向。電極孔中安裝金屬導(dǎo)電電極，可以測量兩相流中氣體的含量。本發(fā)明采用的技術(shù)方案本發(fā)明提出的氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器，包括外形是一種呈長圓柱形的、在其測量端端部呈圓錐臺形狀的測量探頭，圓錐臺外角在30°至45°之間。圖1是傳感器的測量探頭的測量端的外觀圖。沿著測量探頭的中心軸線，在測量端有一個中心孔，沿著圓周方向均勻地分布著另外六個周邊孔，中心孔(也稱作動壓孔)和其中三個間隔120° 的周邊孔(也稱作靜壓孔)是壓力孔。另外三個周邊孔是電極孔，間隔也是120°，與壓力孔交錯分布。圖2傳感器的測量探頭測量端的頂視圖；圖3是圖2的A_A剖視圖。中心孔和其余三個壓力孔通過柔性或剛性連接管與四個壓力傳感器相連。三個金屬導(dǎo)電電極由絕緣塑料塞子固定在三個電極孔中，并與基于壓力信號的電極對選擇電路相連。電極伸出圓錐面表面，但不伸出過于測量探頭的圓錐臺頂部。測量時，將測量探頭放入兩相流流場中， 通過三個靜壓孔和一個動壓孔的三個壓差值可以求得當?shù)厝S流動速度大小和方向。測量由三個導(dǎo)電電極中的兩個組成的電極對的輸出電壓值的變化量可以得到兩相流中的氣體的含量。測量探頭的工作原理是，將測量探頭測量端的壓力孔和電極孔編號，編號策略如圖4所示。三個編號為2，3，4的靜壓孔均勻地分布在編號為1的動壓孔周圍，可以在一定空間的范圍內(nèi)感受到不同的來流壓力，利用四個壓力孔的壓差值可以獲得三維速度分量。 三個編號為El，E2，E3的導(dǎo)電電極，連接到一個基于壓力信號的電極對選擇電路，其作用是根據(jù)測量過程中選擇具有最大壓力值的靜壓孔相鄰的兩個導(dǎo)電電極為一對可用電極對。例如，如果靜壓孔4中的壓力值最大，說明流體主要是附著在孔4附近，與之最近的電極El和 E2被啟用為電極對。如果動壓孔中的壓力在四個壓力孔中最大，說明流動是沿著測量探頭軸向而來，則隨機選擇兩個電極為可用電極對。使用該傳感器之前，需要對其進行標定。需要獲得四個壓力孔的壓力系數(shù)和三維流動方向的關(guān)系數(shù)據(jù)表，以及分別以El和E2、E2和E3、E1和E3為電極對的輸出電壓值與氣體含量之間的三條關(guān)系曲線。測量時將測量探頭的定向與標定時一致，壓力孔和電極孔的編號與標定時一致。 數(shù)據(jù)采集管理分析系統(tǒng)首先采樣四個壓力值，然后，啟動基于壓力信號的電極對選擇電路， 根據(jù)具有最大壓力值的靜壓孔的編號，選擇電極對。輸出的壓力系數(shù)和電極對的電壓值通過對包含在數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中的傳感器的標定結(jié)果進行插值運算，最終獲得測量點的兩相流的三維速度分量和氣體成分的含量。本發(fā)明的優(yōu)點利用本發(fā)明提供的傳感器可以直接測量氣液兩相流的流動狀態(tài)，同時獲得兩相流的壓力、三維速度分量和氣液兩相的含量之比等信息。本發(fā)明的傳感器將多孔壓力探頭和金屬電極緊湊地安置稱為一個整體，保證了測量的空間精度，而且對流場擾動小、測量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、使用方便?？梢杂脕頊y量一些流體機械，如水輪機轉(zhuǎn)子周圍的空氣-水的兩相流流動、輸油管道中的兩相流流動。


圖1測量探頭的測量端的外觀圖；圖中，1測量探頭、2塑料絕緣塞子、3導(dǎo)電電極、4動壓孔，5靜壓孔。圖2測量探頭的測量端的頂視圖；圖中，1測量探頭、2塑料絕緣塞子、3靜壓孔、4動壓孔、5導(dǎo)電電極。圖3圖2的A_A剖視圖；圖中，1測量探頭、2塑料絕緣塞子、3導(dǎo)電電極、4動壓孔、5圓錐臺外角、6靜壓孔。圖4測量探頭測量端的壓力孔和電極孔的編號策略；圖中，1是El、2是孔3、3是E2、4是孔1、5是孔4、6是E37、是孔2。圖5氣-水兩相流的成分與速度的傳感器的結(jié)構(gòu)方案圖；圖中，1測量探頭、2動壓孔、3靜壓孔、4基于壓力信號的電極對選擇電路、5導(dǎo)線、6鉬金導(dǎo)電電極、7不銹鋼連接管、8四個壓力傳感器、9壓力傳感器背壓平衡器。圖6壓力傳感器背壓平衡器的原理圖。圖中，1四個壓力孔連接管、2四個背壓平衡管、3提供水壓的水頭、5四個流量計、4 電控節(jié)流閥。
具體實施例方式以一個具體實施方案進一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和原理。具體是測量空氣-水兩相流的速度和空氣含量的傳感器。圖5是氣-水兩相流的速度和空氣含量的傳感器的結(jié)構(gòu)方案圖。該傳感器包括一個由不銹鋼材料制成的、外形呈長圓柱形、其端部呈圓錐臺形狀的測量探頭。其外觀與圖1所示一致。沿著測量探頭的中心軸線，在測量端，也就是端部呈圓錐臺形狀的一端，有一個動壓孔，沿著圓周方向均勻地分布著另外六個間隔60°的孔，其中三個是靜壓孔，三個是電極孔。靜壓孔和電極孔彼此交錯分布。所有孔的直徑為0.8mm至1mm，測量探頭直徑為5mm。意味著測量的空間精度為 5mm,同時意味著在測量時需要假設(shè)在這個空間精度范圍內(nèi)，兩相流是均質(zhì)的。這樣的結(jié)構(gòu)使任意兩個電極孔的中心距離不超過3mm。圖2、圖3也分別表示了這個具體實施方案中的測量探頭測量端的頂視圖以及A-A剖視圖。此時，圖3中圓錐臺外角為30°。此角度過小會使動壓孔和靜壓孔的壓差值不明顯，喪失測量精度，而過大會增大測量探頭端部的體積， 失去空間精度。本實施方案中，四個壓力孔通過細不銹鋼連接管接到遠處的四個壓力傳感器。本實施方案不采用壓力傳感器和壓力孔近距離相連的方法。因為那樣必須將壓力傳感器包含在測量探頭里，會使測量端體積過大，即使是體積微小的壓力傳感器，會使小尺度空間的測量無法進行。此外，本實施方案也不采用柔性連接管，以防止柔性連接管對壓力傳播的阻尼，是壓力信號衰減。三個鉬金導(dǎo)電電極直徑為0. 4為mm，由絕緣塑料塞子固定在三個電極孔中，電極伸出圓錐表面，與探頭的圓錐臺頂部齊平。伸出的鉬金電極可以接觸到附著在測量探頭測量端上的、來自任何方向的流體，因而，兩相流中的空氣會接觸到電極，使電極的輸出電壓發(fā)生變化。電極的另一端與一個基于壓力信號的電極對選擇電路相連。測量探頭測量端的壓力孔和電極孔的編號策略與圖4 一致。三個編號為2，3，4的靜壓孔均勻地分布在編號為1的動壓孔周圍，可以在感受到因來流方向不同而產(chǎn)生的不同壓力。利用四個孔的壓差值可以獲得兩相流三維速度分量。利用四孔、五孔、七孔的壓差值獲得單相流體的三維速度的方法是公知的，這里不再敘述。但針對這個兩相流的壓力測量的具體實施例子，需要對壓力傳感器和壓力孔的連接作改進。因為壓力孔和不銹鋼金屬連接管的直徑都很細，兩相流進入金屬連接管后，如果兩相流中空氣的成分較多，空氣氣泡可能會在細管內(nèi)聚集，或者粘連在壁面，甚至堵塞細管。這一切都會使兩相流的壓力測量失敗。為解決上述問題，本發(fā)明提出一個壓力傳感器的背壓平衡器，其原理圖見圖6。金屬連接管在連接壓力傳感器時，同時接上另外四個背壓平衡管，再連接四個流量計和電控節(jié)流閥，再連接到一個提供水壓的水頭。背壓平衡管中的壓力由節(jié)流閥和流量計控制。這樣，金屬連接管內(nèi)始終充滿已知壓力的水，形成背壓，使得來自測量探頭測量端的兩相流中的氣泡不能進入連接管，保證了兩相流壓力的測量的可靠性。四個壓力傳感器感受到的是壓力孔和靜壓孔內(nèi)的動壓和靜壓與背壓平衡管中的背壓的差，因而可以用和利用四孔的壓差值獲得單相流體的三維速度的同樣的方法求得兩相流的三維速度分量。背壓平衡器在氣體含量較大時使用。三個編號為El，E2，E3的導(dǎo)電電極，連接到一個基于壓力信號的電極對選擇電路， 其作用是根據(jù)測量過程中選擇具有最大壓力值的靜壓孔相鄰的兩個導(dǎo)電電極為一對可用電極對。例如，如果靜壓孔4中的壓力值最大，說明流體主要是附著在孔4附近，意味著兩相流來流方向在孔4的方向傾斜，所以選擇孔4最近的兩個電極El和E2，被啟用為電極對。 如果動壓孔中的壓力在四個壓力孔中最大，說明流動是沿著測量探頭的軸向而來，則隨機選擇兩個電極為電極對。隨后，電極對接入交流電。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)在基于Windows XP系統(tǒng)下的LabView開發(fā)環(huán)境中運行的。硬件部分還包括信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集板等。每個測量點的采樣時間足夠長以保證數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)指揮運行基于壓力信號的電極對選擇電路。使用該傳感器之前，需要對其進行標定，獲得四個壓力孔的壓力系數(shù)和流動方向 (以繞測量探頭軸向的轉(zhuǎn)動角度α°和繞與測量探頭軸線垂直的軸線的轉(zhuǎn)動角度表示)的關(guān)系數(shù)據(jù)表，以及分別以El和Ε2、Ε2和Ε3、El和Ε3為電極對的輸出電壓值與氣體含量(范圍從5%至80%)之間的三條關(guān)系曲線。將測量探頭放入流場中，通過三個靜壓孔和動壓孔的三個壓差值可以求得當?shù)厝S兩相流流動速度大小和方向；電極對的電壓值變化量可以測量兩相流中的空氣成分的含量。
權(quán)利要求
1.一種氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器，包括一個的外形呈長圓柱形、端部呈圓錐臺形狀的測量探頭、四個壓力傳感器、一個壓力傳感器的背壓平衡器、三個導(dǎo)電電極、 一個基于壓力信號的電極對選擇電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器，其特征在于沿著所說的測量探頭中心軸線，在測量端，即呈圓錐臺一端，有一個中心孔，也稱作動壓孔，沿著圓周方向均勻地分布著三個間隔120°的靜壓孔和三個間隔也是120°的電極孔，動壓孔和靜壓孔是壓力孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器，其特征在于四個壓力孔用于測量兩相流的速度大小和方向，導(dǎo)電電極用于測量兩相流中的氣體含量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中心孔和其余三個壓力孔通過柔性或剛性連接管與權(quán)利要求1中所述的四個壓力傳感器相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器，其特征在于所述的三個導(dǎo)電電極由絕緣塑料塞子固定在權(quán)利要求2所述的電極孔中，并與權(quán)利要求1中所述的基于壓力信號的電極選擇電路相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器，其特征在于所說的壓力傳感器的背壓平衡器用于兩相流中氣體含量較高的情況；包括一個提供液體壓力的壓頭，通過四個獨立控制的電控節(jié)流閥和流量計，連接到權(quán)利要求1中所述的四個壓力傳感器和權(quán)利要求4中所述的柔性或剛性連接管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液兩相流的成分與速度傳感器，其特征在于所說的基于壓力信號的電極選擇電路的作用是根據(jù)測量過程中四個壓力孔中的壓力值在三個導(dǎo)電電極中選擇兩個作為可用的電極對。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于壓力信號的電極選擇電路，其特征在于具有接受來自權(quán)利要求1中所述的四個壓力傳感器的壓力值的接口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器。包括一個外形呈長圓柱形、測量端部呈圓錐臺形狀的測量探頭、四個壓力傳感器、一個用于壓力傳感器的背壓平衡器、三個導(dǎo)電電極、一個基于壓力信號的電極對選擇電路和數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)。沿著測量探頭中心軸線，在測量端有一個中心孔，沿著圓周方向均勻地分布著另外六個孔，中心孔和其中三個孔是壓力孔，另外三個是電極孔。利用四個壓力孔的壓差值可以確定兩相流體的三維流動速度和方向，同時利用導(dǎo)電電極可以測量兩相流中氣體的含量。
文檔編號G01N27/60GK102411062SQ20111020847
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月25日
發(fā)明者路明 申請人:天津空中代碼工程應(yīng)用軟件開發(fā)有限公司