一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法。該裝置包括外管、內(nèi)管、差壓變送器、LCR測(cè)試儀、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元。內(nèi)管套接在外管內(nèi)，內(nèi)管的中部為阻隔區(qū)，兩端為流通區(qū)，在內(nèi)管兩端流通區(qū)的側(cè)壁上分別開有流體流出孔和流體流入孔，待測(cè)流體自內(nèi)管的一個(gè)流通區(qū)進(jìn)入內(nèi)管，并經(jīng)流體流出孔進(jìn)入內(nèi)、外管之間的環(huán)形空間內(nèi)，再由流體流入孔進(jìn)入內(nèi)管的另一流通區(qū)，通過(guò)測(cè)量環(huán)形電容的電容值，再結(jié)合相關(guān)運(yùn)算可得出兩相流的相含率；結(jié)合流體在內(nèi)管兩端的壓力差，可求出流體總流量，最終可求出分相流量。本發(fā)明利用內(nèi)外管與中間流體形成電容，而電容值只與中間介質(zhì)有關(guān)，因此可減弱流型變化對(duì)兩相流相含率測(cè)量的影響。
【專利說(shuō)明】
一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種兩相流流量檢測(cè)裝置，具體地說(shuō)是一種氣液兩相流相含率及分相 流量檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，相含率連續(xù)在線檢測(cè)方法主要有光學(xué)法(激光、光纖）、電學(xué)法、射線法、核磁 共振法、微波法等。
[0003] 光學(xué)法又分為兩種方法:光纖探針?lè)ê凸鈴?qiáng)調(diào)制法。光纖探針?lè)ㄖ饕抢貌煌?介質(zhì)對(duì)光線有不同的折射率，當(dāng)測(cè)量介質(zhì)經(jīng)過(guò)光纖探針時(shí)，光電轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)，得到局部 截面含氣率信息。光強(qiáng)調(diào)制法是根據(jù)管道內(nèi)混合流體各相不同的吸收譜段而檢測(cè)管道內(nèi)的 相含率。
[0004] 電學(xué)法通過(guò)測(cè)量?jī)上嗷旌衔镫妼W(xué)性質(zhì)（如電導(dǎo)率與介電常數(shù)）的變化實(shí)現(xiàn)分相含 率的測(cè)量。電學(xué)法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、具有非侵入性及不干擾流場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 射線法是通過(guò)設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的X射線或者多束射線使之穿過(guò)兩相流的管壁，通過(guò) 測(cè)得射線的衰減程度最終確定管道的吸收情況，從而判別出管道內(nèi)部的流動(dòng)狀況。射線法 對(duì)于發(fā)射探頭的選擇尤為關(guān)鍵，除此之外，選擇合適的管道材料以減少管道對(duì)射線的吸收 也很重要。
[0006] 核磁共振法利用核磁共振原理測(cè)量液相部分的核磁共振吸收，可得到空隙率，并 可證明在靜態(tài)下核磁共振信號(hào)強(qiáng)度與液相含率呈線性關(guān)系，在流動(dòng)情況下仍然可以在各種 流態(tài)下精確地測(cè)量空隙率。
[0007] 微波法即在微波頻率下通過(guò)測(cè)量混合流體介電常數(shù)的變化和測(cè)量微波信號(hào)通過(guò) 流體產(chǎn)生的相位移來(lái)實(shí)現(xiàn)多相流相含率的測(cè)量，微波法具有實(shí)時(shí)性好，測(cè)量精度高，可靠性 好，抗干擾能力強(qiáng)，易操作等優(yōu)點(diǎn)，但是具有局限性，目前測(cè)量油水兩相流分相含率主要集 中在低含水率和高含水率。
[0008] 除了上述幾種測(cè)量方法外，對(duì)相含率的測(cè)量還有聲學(xué)法、熱學(xué)法、脈沖種子活化 法、放射性示蹤法、光學(xué)粒子示蹤法等。各種方法雖然在某些特定場(chǎng)合有一些應(yīng)用，但總體 來(lái)講，由于兩相流流動(dòng)的復(fù)雜性和兩相流工況的多樣性，尤其是兩相流流型的變化對(duì)相關(guān) 參數(shù)的測(cè)量存在不可忽視的影響，最終影響相含率的測(cè)量，因此，兩相流相含率、流量測(cè)量 問(wèn)題目前仍沒有得到很好的解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的之一就是提供一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置，該檢測(cè) 裝置能夠準(zhǔn)確測(cè)量氣液兩相流中各相的相含率及流量，且檢測(cè)結(jié)果受流型變化的影響很 小。
[0010] 本發(fā)明的目的之二就是提供一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)方法，采用該 方法無(wú)需對(duì)兩相流進(jìn)行分離即可準(zhǔn)確地測(cè)量氣液兩相流中各相的相含率及流量。
[0011] 本發(fā)明的目的之一是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置， 包括：
[0012] 外管，為中空的圓直管結(jié)構(gòu)；
[0013] 內(nèi)管，穿接在所述外管的內(nèi)腔中，所述內(nèi)管的軸心線與所述外管的軸心線重合，所 述內(nèi)管的兩端分別自所述外管的兩個(gè)端部伸出;所述內(nèi)管包括中部不允許氣液兩相流流過(guò) 的阻隔區(qū)以及兩端允許氣液兩相流流過(guò)的流通區(qū)，兩個(gè)流通區(qū)與所述阻隔區(qū)相接的部位均 位于所述外管內(nèi)且分別靠近所述外管的兩個(gè)端部;所述內(nèi)管兩端的流通區(qū)分別為流體流入 區(qū)和流體流出區(qū)，在所述外管內(nèi)的所述流體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上開有流體流出孔，在所述外管 內(nèi)的所述流體流出區(qū)的側(cè)壁上開有流體流入孔;在所述外管外的所述流體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上 開有第一測(cè)壓孔，在所述外管外的所述流體流出區(qū)的側(cè)壁上開有第二測(cè)壓孔;測(cè)量氣液兩 相流時(shí)，待測(cè)流體首先進(jìn)入內(nèi)管的流體流入?yún)^(qū)內(nèi)，之后經(jīng)流體流出孔進(jìn)入內(nèi)管與外管之間 的環(huán)形空間內(nèi)，最后由流體流入孔進(jìn)入內(nèi)管的流體流出區(qū)內(nèi)；流體在內(nèi)管與外管之間的環(huán) 形空間內(nèi)流動(dòng)時(shí)，內(nèi)管、外管以及兩者之間的流體共同構(gòu)成一環(huán)形電容；
[0014] LCR測(cè)試儀，分別與所述外管、所述內(nèi)管和數(shù)據(jù)采集單元相接，用于測(cè)量所述環(huán)形 電容的電容值；
[0015] 差壓變送器，分別與所述第一測(cè)壓孔、所述第二測(cè)壓孔和數(shù)據(jù)采集單元相接，用于 測(cè)量流體在內(nèi)管兩端的壓力差；
[0016] 數(shù)據(jù)采集單元，分別與所述LCR測(cè)試儀、所述差壓變送器和數(shù)據(jù)處理單元相接，用 于采集所述環(huán)形電容的電容值數(shù)據(jù)以及流體在內(nèi)管兩端的壓力差數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù) 發(fā)送至數(shù)據(jù)處理單元；以及
[0017] 數(shù)據(jù)處理單元，與所述數(shù)據(jù)采集單元相接，用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算氣液兩相 流中各相的相含率以及流量。
[0018] 所述外管的兩個(gè)端部分別通過(guò)法蘭與所述內(nèi)管的管壁相接。
[0019] 所述流體流出孔為四個(gè)，且四個(gè)流體流出孔均布在所述流體流入?yún)^(qū)側(cè)壁的同一橫 截面上;所述流體流入孔為四個(gè)，且四個(gè)流體流入孔均布在所述流體流出區(qū)側(cè)壁的同一橫 截面上。
[0020] 四個(gè)流體流出孔的孔面積之和等于或略大于所述流體流入?yún)^(qū)內(nèi)腔的截面面積；四 個(gè)流體流入孔的孔面積之和等于或略大于所述流體流出區(qū)內(nèi)腔的截面面積。
[0021] 所述內(nèi)管的阻隔區(qū)為實(shí)心結(jié)構(gòu)或兩端具有阻隔板的中空結(jié)構(gòu)。
[0022] 在所述外管的內(nèi)壁設(shè)置有絕緣層。
[0023]本發(fā)明通過(guò)設(shè)置相互套接的內(nèi)管和外管，使流體自內(nèi)管的一端流入，再由內(nèi)管側(cè) 壁的流體流出孔流入內(nèi)管與外管之間的環(huán)形空間內(nèi)，之后由內(nèi)管側(cè)壁的流體流入孔流回到 內(nèi)管中，并由內(nèi)管的另一端流出。內(nèi)管、外管以及兩者之間的流體構(gòu)成一環(huán)形電容;具體是： 內(nèi)管和外管構(gòu)成兩個(gè)電極，并在兩個(gè)電極之間形成檢測(cè)靜電場(chǎng)，當(dāng)兩相流流體通過(guò)兩個(gè)電 極之間的靜電場(chǎng)時(shí)，由于氣相與液相介電常數(shù)不同，因此相濃度發(fā)生變化時(shí)兩相流體等效 介電常數(shù)也隨之改變;介電常數(shù)的變化，直接影響最終電容的測(cè)量值。通過(guò)測(cè)量環(huán)形電容的 電容值，可計(jì)算出流體的介電常數(shù)，進(jìn)而可得出流體中各相的相含率。再由流體在內(nèi)管兩端 的壓力差，可計(jì)算出流體總流量。結(jié)合流體總流量和相含率，可求出各分相流量。
[0024]本發(fā)明利用內(nèi)外管道與中間流體形成電容，而電容值只與中間介質(zhì)（即兩相流流 體)有關(guān)，因此減弱了流型變化對(duì)兩相流相含率測(cè)量的影響，為氣液兩相流相含率的測(cè)量提 供了一種新的思路。
[0025] 本發(fā)明的目的之二是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)方法， 包括如下步驟：
[0026] a、在外管內(nèi)設(shè)置內(nèi)管;所述外管為中空的圓直管結(jié)構(gòu)，所述外管的軸心線與所述 內(nèi)管的軸心線重合，所述內(nèi)管的兩端分別自所述外管的兩個(gè)端部伸出；所述內(nèi)管包括中部 不允許氣液兩相流流過(guò)的阻隔區(qū)以及兩端允許氣液兩相流流過(guò)的流通區(qū)，兩個(gè)流通區(qū)與所 述阻隔區(qū)相接的部位均位于所述外管內(nèi)且分別靠近所述外管的兩個(gè)端部;所述內(nèi)管兩端的 流通區(qū)分別為流體流入?yún)^(qū)和流體流出區(qū)，在所述外管內(nèi)的所述流體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上開有流 體流出孔，在所述外管內(nèi)的所述流體流出區(qū)的側(cè)壁上開有流體流入孔;在所述外管外的所 述流體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上開有第一測(cè)壓孔，在所述外管外的所述流體流出區(qū)的側(cè)壁上開有第 二測(cè)壓孔；
[0027] b、使待測(cè)流體首先進(jìn)入內(nèi)管的流體流入?yún)^(qū)內(nèi)，之后經(jīng)流體流出孔進(jìn)入內(nèi)管與外管 之間的環(huán)形空間內(nèi)，最后由流體流入孔進(jìn)入內(nèi)管的流體流出區(qū)內(nèi)；流體在內(nèi)管與外管之間 的環(huán)形空間內(nèi)流動(dòng)時(shí)，內(nèi)管、外管以及兩者之間的流體共同構(gòu)成一環(huán)形電容；
[0028] c、由LCR測(cè)試儀測(cè)量環(huán)形電容的電容值，所測(cè)電容值經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送至數(shù)據(jù) 處理單元；
[0029] d、由差壓變送器測(cè)量流體在內(nèi)管兩端的壓力差，所測(cè)壓力差經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送 至數(shù)據(jù)處理單元；
[0030] e、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算氣液兩相流中各相的相含率以及流量。 [0031 ] 步驟e具體是：
[0032] el、首先根據(jù)流體在內(nèi)管兩端的壓力差計(jì)算流體的總流量，計(jì)算公式如下：
[0033]
?!)
[0034] 式（1)中，Qv為管道內(nèi)的流體總流量，K為流出系數(shù)，Sa為內(nèi)管內(nèi)腔的截面面積，Δ P 為流體在內(nèi)管兩端的壓力差，P為流體密度；
[0035] e2、其次根據(jù)環(huán)形電容的電容值求解氣液兩相流的復(fù)合介電常數(shù);環(huán)形電容的電 容值與流體的復(fù)合介電常數(shù)之間的關(guān)系式為：
[0036]
(2)
[0037] 式(2)中，C為所測(cè)的環(huán)形電容的電容值，ε為流體的復(fù)合介電常數(shù)，ε〇為真空介電 常數(shù)，L為外管的長(zhǎng)度，R為外管的內(nèi)半徑，r為內(nèi)管的外半徑；
[0038] e3、根據(jù)流體的復(fù)合介電常數(shù)ε，計(jì)算流體中各相的相含率，計(jì)算公式如下：
[0039] ε =mei0i+neg0g (3)
[0040] βι+β8=1 (4)
[0041] 式(3)和式(4)中，βι為液相相含率，知為氣相相含率，ει為純液體時(shí)流體的介電常 數(shù)，eg為純氣體時(shí)流體的介電常數(shù)，m和η為系數(shù)；
[0042] e4、根據(jù)如下兩個(gè)公式計(jì)算流體中各分相的流量；
[0043] Qg = QvXPg (5)
[0044] Qi = QvXPi (6)
[0045] 式(5)中Qg為流體中氣相的流量，式(6)中Qi為流體中液相的流量。
[0046] 本發(fā)明利用內(nèi)外管流量計(jì)與電容相關(guān)原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩相流的本身進(jìn)行測(cè)量、不 干擾流體自身的流場(chǎng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。運(yùn)用內(nèi)外管道與中間流體可以形成電容，另 外液相與氣相介電常數(shù)存在差異，利用流體介電常數(shù)的差異獲得不同的電容信號(hào)，再利用 相關(guān)運(yùn)算可以得到兩相流的相含率，為氣液兩相流相含率、流量的測(cè)量提供了一種新方法。
【附圖說(shuō)明】
[0047] 圖1是本發(fā)明中氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048] 圖2是圖1內(nèi)管上所開的四個(gè)流體流出孔的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 實(shí)施例1，一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置。
[0050] 如圖1所示，本發(fā)明所提供的氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置具體包括外 管1、內(nèi)管2、LCR測(cè)試儀、差壓變送器、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元。
[0051] 外管1為中空的圓直管結(jié)構(gòu)；內(nèi)管2穿接在外管1的內(nèi)腔中，內(nèi)管2的軸心線與外管1 的軸心線相重合；內(nèi)管2的長(zhǎng)度大于外管1的長(zhǎng)度，且內(nèi)管2的兩端分別自外管1的兩個(gè)端部 伸出。內(nèi)管2的外徑小于外管1的內(nèi)徑，從而在內(nèi)管2的外側(cè)壁與外管1的內(nèi)側(cè)壁之間形成環(huán) 形的空腔。外管1的兩個(gè)端部分別通過(guò)法蘭與內(nèi)管2的外側(cè)壁相接。
[0052]內(nèi)管2包括中部的阻隔區(qū)以及兩端的流通區(qū)，阻隔區(qū)是不允許氣液兩相流流過(guò)的 區(qū)域，流通區(qū)是允許氣液兩相流流過(guò)的區(qū)域。內(nèi)管2的阻隔區(qū)可以設(shè)置為實(shí)心結(jié)構(gòu)，也可以 設(shè)置為兩端具有阻隔板的中空結(jié)構(gòu)。內(nèi)管2的流通區(qū)為中空的管狀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)流通區(qū)均有 一個(gè)開口端，另一端與阻隔區(qū)相接。兩個(gè)流通區(qū)的開口端分別伸到外管1的外部，兩個(gè)流通 區(qū)與阻隔區(qū)相接的部位均位于外管1內(nèi)且分別靠近外管1的兩個(gè)端部，也就是說(shuō):阻隔區(qū)的 長(zhǎng)度小于外管1的長(zhǎng)度，阻隔區(qū)全部位于外管1內(nèi)，且阻隔區(qū)的兩端分別靠近外管1的兩個(gè)端 部，一般情況下，通過(guò)設(shè)置使阻隔區(qū)的中心與外管1的中心重合。
[0053]內(nèi)管2兩端的流通區(qū)分別為流體流入?yún)^(qū)（圖中內(nèi)管2左端區(qū)域)和流體流出區(qū)（圖中 內(nèi)管2右端區(qū)域）。在外管1內(nèi)的流體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上開有四個(gè)流體流出孔3,四個(gè)流體流出 孔3均布在流體流入?yún)^(qū)側(cè)壁的同一橫截面上，如圖2所示，圖2中示出了同一橫截面上的四個(gè) 流體流出孔的分布情況;在外管1內(nèi)的流體流出區(qū)的側(cè)壁上開有四個(gè)流體流入孔4,四個(gè)流 體流入孔均布在流體流出區(qū)側(cè)壁的同一橫截面上。流體流出孔3距阻隔區(qū)一端（即距流體流 出孔3較近的一端）的距離與流體流入孔4距阻隔區(qū)另一端（即距流體流入孔4較近的一端） 的距離相等，兩者均可以為20mm~30mm，這樣既可以保證流體流出孔3和流體流入孔4處不 會(huì)因大量積存流體而造成漩渦，又可減小內(nèi)管2管壁所受壓力。四個(gè)流體流出孔3的孔面積 均相等，四個(gè)流體流入孔4的孔面積也相等，且單個(gè)流體流出孔3的孔面積與單個(gè)流體流入 孔4的孔面積相等。流體流入?yún)^(qū)的內(nèi)徑與流體流出區(qū)的內(nèi)徑相同，四個(gè)流體流出孔3的孔面 積之和等于或略大于流體流入?yún)^(qū)內(nèi)腔的截面面積（即橫截面面積），四個(gè)流體流入孔4的孔 面積之和等于或略大于流體流出區(qū)內(nèi)腔的截面面積，以防止在測(cè)量流體相含率的過(guò)程中破 壞流體模型。
[0054] 測(cè)量氣液兩相流時(shí)，首先使待測(cè)流體自流體流入?yún)^(qū)開口端進(jìn)入內(nèi)管2的流體流入 區(qū)內(nèi)（流體流動(dòng)方向如圖中箭頭所示方向），之后經(jīng)流體流出孔3進(jìn)入內(nèi)管2與外管1之間的 環(huán)形空間內(nèi)，在環(huán)形空間內(nèi)向前流動(dòng)，最后由流體流入孔4進(jìn)入內(nèi)管2的流體流出區(qū)內(nèi)，由流 體流出區(qū)的開口端流出內(nèi)管2。流體在內(nèi)管2與外管1之間的環(huán)形空間內(nèi)流動(dòng)時(shí)，內(nèi)管2、外管 1以及兩者之間的流體共同形成一環(huán)形電容。在外管1的內(nèi)壁設(shè)置有一定厚度的絕緣層，以 防止外界電場(chǎng)對(duì)電容的干擾。由于氣相和液相的介電常數(shù)不同，因此，流體中氣相和液相兩 者比例的變化（即相含率的變化)會(huì)導(dǎo)致流體的復(fù)合介電常數(shù)不同，而流體的復(fù)合介電常數(shù) 又直接影響環(huán)形電容的電容值，因此，在流體相含率不同的情況下所測(cè)得的電容值也不同。 通過(guò)測(cè)量電容信號(hào)即可得到相應(yīng)的氣液兩相流的相含率。LCR測(cè)試儀的兩個(gè)測(cè)試探頭分別 與外管1外側(cè)壁和內(nèi)管2外側(cè)壁相接(在與內(nèi)管2外側(cè)壁相接時(shí)，可與位于外管1外部的內(nèi)管2 外側(cè)壁相接），LCR測(cè)試儀通過(guò)兩個(gè)測(cè)試探頭測(cè)量環(huán)形電容的電容值，并將測(cè)量結(jié)果發(fā)送至 數(shù)據(jù)采集單元。
[0055] 在外管1外的流體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上開有第一測(cè)壓孔5,在外管1外的流體流出區(qū)的 側(cè)壁上開有第二測(cè)壓孔6;第一測(cè)壓孔5和第二測(cè)壓孔6均開在內(nèi)管2側(cè)壁的正上端面。差壓 變送器分別與第一測(cè)壓孔5、第二測(cè)壓孔6和數(shù)據(jù)采集單元相接，差壓變送器通過(guò)第一測(cè)壓 孔5和第二測(cè)壓孔6采集、測(cè)量流體在內(nèi)管2兩端的壓力差。通過(guò)流體在內(nèi)管2兩端的壓力差， 再結(jié)合相關(guān)公式即可得出氣液兩相流的總流量。
[0056]數(shù)據(jù)采集單元分別與LCR測(cè)試儀、差壓變送器和數(shù)據(jù)處理單元相接，數(shù)據(jù)采集單元 用于采集環(huán)形電容的電容信號(hào)以及流體在內(nèi)管2兩端的壓力差信號(hào)，并將采集到的信號(hào)發(fā) 送至數(shù)據(jù)處理單元。
[0057]數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)采集單元相接，數(shù)據(jù)處理單元用于根據(jù)接收到的流體在內(nèi)管 兩端的壓力差信號(hào)計(jì)算氣液兩相流的總流量，并根據(jù)接收到的電容信號(hào)計(jì)算氣液兩相流中 各相的相含率，結(jié)合總流量以及相含率可計(jì)算出各分相流量。具體計(jì)算公式可參見下面實(shí) 施例中所描述。
[0058]實(shí)施例2,一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)方法。
[0059] 如圖1所示，本發(fā)明所提供的氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)方法包括如下步 驟：
[0060] a、在外管1內(nèi)設(shè)置內(nèi)管2。外管1為中空的圓直管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管2置于外管1內(nèi)，內(nèi)管2的 長(zhǎng)度大于外管1的長(zhǎng)度，內(nèi)管2的兩端分別自外管1的兩個(gè)端部伸出；內(nèi)管2的軸心線與外管1 的軸心線重合。內(nèi)管2包括中部不允許氣液兩相流流過(guò)的阻隔區(qū)以及兩端允許氣液兩相流 流過(guò)的流通區(qū)，兩個(gè)流通區(qū)與阻隔區(qū)相接的部位均位于外管1內(nèi)且分別靠近外管1的兩個(gè)端 部。內(nèi)管2兩端的流通區(qū)分別為流體流入?yún)^(qū)和流體流出區(qū)，在外管1內(nèi)的流體流入?yún)^(qū)側(cè)壁的 同一橫截面上均勻開有四個(gè)流體流出孔3,在外管1內(nèi)的流體流出區(qū)側(cè)壁的同一橫截面上均 勻開有四個(gè)流體流入孔4;流體流出孔3距阻隔區(qū)一端的距離與流體流入孔4距阻隔區(qū)另一 端的距離相等。在外管1外的流體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上開有第一測(cè)壓孔5,在外管1外的流體流出 區(qū)的側(cè)壁上開有第二測(cè)壓孔6。
[0061] b、如圖1中箭頭所示，使待測(cè)流體首先進(jìn)入內(nèi)管2的流體流入?yún)^(qū)內(nèi)，之后經(jīng)流體流 出孔3進(jìn)入內(nèi)管2與外管1之間的環(huán)形空間內(nèi)，最后由流體流入孔4進(jìn)入內(nèi)管2的流體流出區(qū) 內(nèi)。流體在內(nèi)管2與外管1之間的環(huán)形空間內(nèi)流動(dòng)時(shí)，內(nèi)管2、外管1以及兩者之間的流體共同 構(gòu)成一環(huán)形電容。
[0062] c、由LCR測(cè)試儀通過(guò)外管1和內(nèi)管2的側(cè)壁測(cè)量環(huán)形電容的電容值，所測(cè)電容值經(jīng) 數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送至數(shù)據(jù)處理單元。
[0063] d、由差壓變送器通過(guò)第一測(cè)壓孔5和第二測(cè)壓孔6測(cè)量流體在內(nèi)管2兩端的壓力 差，所測(cè)壓力差經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送至數(shù)據(jù)處理單元。
[0064] e、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算氣液兩相流中各相的相含率以及流量，具 體計(jì)算過(guò)程如下：
[0065] el、首先根據(jù)流體在內(nèi)管2兩端的壓力差計(jì)算流體的總流量，計(jì)算公式如下：
[0066]
(1)
[0067]式（1)中，Qv為管道內(nèi)的流體總流量(單位:m3/s )，K為流出系數(shù)，Sa為內(nèi)管2內(nèi)腔的 截面面積(單位:m2)，AP為流體在內(nèi)管2兩端的壓力差(單位:Pa)，P為流體密度(單位:kg/ m3) 〇
[0068] K為通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)先確定的值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為:使已知相含率、流量的氣液兩相流流入 本發(fā)明的檢測(cè)裝置中，具體是：由一路管道內(nèi)的氣體和一路管道內(nèi)的液體匯聚到一起，形成 氣液兩相流，在氣體管道和液體管道上分別安裝流量檢測(cè)表(屬于標(biāo)準(zhǔn)表），調(diào)節(jié)氣體管道 和液體管道上的閥門使氣體、液體至一定的流速，通過(guò)差壓變送器采集流體在內(nèi)管兩端的 壓力差ΛΡ(可測(cè)多組），同時(shí)通過(guò)管道上安裝的流量檢測(cè)表來(lái)讀取所對(duì)應(yīng)的體積流量，可獲 得內(nèi)管內(nèi)兩相流的體積總流量Q v(也可通過(guò)在內(nèi)管上安裝標(biāo)準(zhǔn)表來(lái)測(cè)量）。實(shí)驗(yàn)中內(nèi)管內(nèi)腔 的橫截面33已知，被測(cè)兩相流流體的密度P已知，結(jié)合多組壓力差ΛΡ、總流量Q v，通過(guò)數(shù)據(jù)擬 合可得出流出系數(shù)K。
[0069] e2、其次根據(jù)環(huán)形電容的電容值求解氣液兩相流的復(fù)合介電常數(shù);環(huán)形電容的電 容值與流體的復(fù)合介電常數(shù)之間的關(guān)系式為：
[0070]
(2)
[0071] 式(2)中，C為所測(cè)的環(huán)形電容的電容值，ε為流體的復(fù)合介電常數(shù)，ε〇為真空介電 常數(shù)，L為外管的長(zhǎng)度，R為外管的內(nèi)半徑，r為內(nèi)管的外半徑。
[0072] e3、根據(jù)流體的復(fù)合介電常數(shù)ε，計(jì)算流體中各相的相含率，計(jì)算公式如下：
[0073] ε =mei0i+neg0g (3)
[0074] βι+β8=1 (4)
[0075] 式(3)和式(4)中，為液相相含率,?為氣相相含率，ε?為純液體時(shí)流體的介電常 數(shù)，eg為純氣體時(shí)流體的介電常數(shù)，m和η為系數(shù)。
[0076] 流體中氣相和液相的介電常數(shù)具有較大差異，因此，可以先通過(guò)全液、全氣實(shí)驗(yàn)， 確定液相與氣相的具體介電常數(shù)。
[0077] 公式(3)中系數(shù)m和η是通過(guò)實(shí)驗(yàn)擬合得到的，具體擬合過(guò)程為:使已知相含率、流 量的氣液兩相流流入本發(fā)明的檢測(cè)裝置中，由LCR測(cè)試儀采集、測(cè)量環(huán)形電容的電容值，數(shù) 據(jù)處理單元根據(jù)測(cè)得的電容值，再結(jié)合公式(2)可求出流體的復(fù)合介電常數(shù)ε，純液體時(shí)流 體的介電常數(shù)ει已知(根據(jù)純液實(shí)驗(yàn)測(cè)得），純氣體時(shí)流體的介電常數(shù)eg也已知(根據(jù)純氣實(shí) 驗(yàn)測(cè)得），同時(shí)已知?dú)庀?、液相的相含率（即仇和比均已知），通過(guò)流體的復(fù)合介電常數(shù)ε、純液 體時(shí)流體的介電常數(shù)ει、純氣體時(shí)流體的介電常數(shù)^、液相相含率P 1和氣相相含率五個(gè) 量，可擬合出相應(yīng)的計(jì)算公式，得到m和η的具體值。
[0078] e4、根據(jù)如下兩個(gè)公式計(jì)算流體中各分相的流量；
[0079] Qg = QvXPg (5)
[0080] Qi = QvXPi (6)
[0081 ]式(5)中Qg為流體中氣相的流量，式(6)中Qi為流體中液相的流量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置，其特征是，包括： 外管，為中空的圓直管結(jié)構(gòu)； 內(nèi)管，穿接在所述外管的內(nèi)腔中，所述內(nèi)管的軸心線與所述外管的軸心線重合，所述內(nèi) 管的兩端分別自所述外管的兩個(gè)端部伸出；所述內(nèi)管包括中部不允許氣液兩相流流過(guò)的阻 隔區(qū)以及兩端允許氣液兩相流流過(guò)的流通區(qū)，兩個(gè)流通區(qū)與所述阻隔區(qū)相接的部位均位于 所述外管內(nèi)且分別靠近所述外管的兩個(gè)端部;所述內(nèi)管兩端的流通區(qū)分別為流體流入?yún)^(qū)和 流體流出區(qū)，在所述外管內(nèi)的所述流體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上開有流體流出孔，在所述外管內(nèi)的 所述流體流出區(qū)的側(cè)壁上開有流體流入孔;在所述外管外的所述流體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上開有 第一測(cè)壓孔，在所述外管外的所述流體流出區(qū)的側(cè)壁上開有第二測(cè)壓孔;測(cè)量氣液兩相流 時(shí)，待測(cè)流體首先進(jìn)入內(nèi)管的流體流入?yún)^(qū)內(nèi)，之后經(jīng)流體流出孔進(jìn)入內(nèi)管與外管之間的環(huán) 形空間內(nèi)，最后由流體流入孔進(jìn)入內(nèi)管的流體流出區(qū)內(nèi)；流體在內(nèi)管與外管之間的環(huán)形空 間內(nèi)流動(dòng)時(shí)，內(nèi)管、外管以及兩者之間的流體共同構(gòu)成一環(huán)形電容； LCR測(cè)試儀，分別與所述外管、所述內(nèi)管和數(shù)據(jù)采集單元相接，用于測(cè)量所述環(huán)形電容 的電容值； 差壓變送器，分別與所述第一測(cè)壓孔、所述第二測(cè)壓孔和數(shù)據(jù)采集單元相接，用于測(cè)量 流體在內(nèi)管兩端的壓力差； 數(shù)據(jù)采集單元，分別與所述LCR測(cè)試儀、所述差壓變送器和數(shù)據(jù)處理單元相接，用于采 集所述環(huán)形電容的電容值數(shù)據(jù)以及流體在內(nèi)管兩端的壓力差數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送 至數(shù)據(jù)處理單元；以及 數(shù)據(jù)處理單元，與所述數(shù)據(jù)采集單元相接，用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算氣液兩相流中 各相的相含率以及流量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置，其特征是，所述外管 的兩個(gè)端部分別通過(guò)法蘭與所述內(nèi)管的管壁相接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置，其特征是，所述流體 流出孔為四個(gè)，且四個(gè)流體流出孔均布在所述流體流入?yún)^(qū)側(cè)壁的同一橫截面上;所述流體 流入孔為四個(gè)，且四個(gè)流體流入孔均布在所述流體流出區(qū)側(cè)壁的同一橫截面上。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置，其特征是，四個(gè)流體 流出孔的孔面積之和等于或略大于所述流體流入?yún)^(qū)內(nèi)腔的截面面積；四個(gè)流體流入孔的孔 面積之和等于或略大于所述流體流出區(qū)內(nèi)腔的截面面積。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置，其特征是，所述內(nèi)管 的阻隔區(qū)為實(shí)心結(jié)構(gòu)或兩端具有阻隔板的中空結(jié)構(gòu)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)裝置，其特征是，在所述外 管的內(nèi)壁設(shè)置有絕緣層。7. -種氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)方法，其特征是，包括如下步驟： a、在外管內(nèi)設(shè)置內(nèi)管;所述外管為中空的圓直管結(jié)構(gòu)，所述外管的軸心線與所述內(nèi)管 的軸心線重合，所述內(nèi)管的兩端分別自所述外管的兩個(gè)端部伸出；所述內(nèi)管包括中部不允 許氣液兩相流流過(guò)的阻隔區(qū)以及兩端允許氣液兩相流流過(guò)的流通區(qū)，兩個(gè)流通區(qū)與所述阻 隔區(qū)相接的部位均位于所述外管內(nèi)且分別靠近所述外管的兩個(gè)端部;所述內(nèi)管兩端的流通 區(qū)分別為流體流入?yún)^(qū)和流體流出區(qū)，在所述外管內(nèi)的所述流體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上開有流體流 出孔，在所述外管內(nèi)的所述流體流出區(qū)的側(cè)壁上開有流體流入孔;在所述外管外的所述流 體流入?yún)^(qū)的側(cè)壁上開有第一測(cè)壓孔，在所述外管外的所述流體流出區(qū)的側(cè)壁上開有第二測(cè) 壓孔； b、 使待測(cè)流體首先進(jìn)入內(nèi)管的流體流入?yún)^(qū)內(nèi)，之后經(jīng)流體流出孔進(jìn)入內(nèi)管與外管之間 的環(huán)形空間內(nèi)，最后由流體流入孔進(jìn)入內(nèi)管的流體流出區(qū)內(nèi)；流體在內(nèi)管與外管之間的環(huán) 形空間內(nèi)流動(dòng)時(shí)，內(nèi)管、外管以及兩者之間的流體共同構(gòu)成一環(huán)形電容； c、 由LCR測(cè)試儀測(cè)量環(huán)形電容的電容值，所測(cè)電容值經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送至數(shù)據(jù)處理 單元； d、 由差壓變送器測(cè)量流體在內(nèi)管兩端的壓力差，所測(cè)壓力差經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送至數(shù) 據(jù)處理單元； e、 數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算氣液兩相流中各相的相含率以及流量。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣液兩相流相含率及分相流量檢測(cè)方法，其特征是，步驟e具 體是： el、首先根據(jù)流體在內(nèi)管兩端的壓力差計(jì)算流體的總流量，計(jì)算公式如下：(1) 式（1)中，Qv為管道內(nèi)的流體總流量，K為流出系數(shù)，Sa為內(nèi)管內(nèi)腔的截面面積，△ P為流 體在內(nèi)管兩端的壓力差，P為流體密度； e2、其次根據(jù)環(huán)形電容的電容值求解氣液兩相流的復(fù)合介電常數(shù);環(huán)形電容的電容值 與流體的復(fù)合介電常數(shù)之間的關(guān)系式為：(2) 式(2)中，C為所測(cè)的環(huán)形電容的電容值，ε為流體的復(fù)合介電常數(shù)，ε〇為真空介電常數(shù)，L 為外管的長(zhǎng)度，R為外管的內(nèi)半徑，r為內(nèi)管的外半徑； e3、根據(jù)流體的復(fù)合介電常數(shù)ε，計(jì)算流體中各相的相含率，計(jì)算公式如下： ε =mei0i+neg0g (3) βι+β8= I (4) 式(3)和式(4)中，βι為液相相含率，知為氣相相含率，ει為純液體時(shí)流體的介電常數(shù)，eg 為純氣體時(shí)流體的介電常數(shù)，m和η為系數(shù)； e4、根據(jù)如下兩個(gè)公式計(jì)算流體中各分相的流量； Qg 一 Qv X Pg (5) Qi = QvXPi (6) 式(5)中Qg為流體中氣相的流量，式(6)中Qi為流體中液相的流量。
【文檔編號(hào)】G01F7/00GK105890693SQ201610383855
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月1日
【發(fā)明人】方立德, 李婷婷, 韋子輝, 劉霜
【申請(qǐng)人】河北大學(xué)