CN113917181B - 基于电解质示踪法的螺旋液膜速度测量传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电解质示踪法的螺旋环状流液膜速度测量传感器，包括：测量管道，固定在测量管道内壁的上游电极组和下游电极组和电解质注射孔，其中，测量管道为非导电测量管道，上游电极组和下游电极组分别包含多个分布在测量管道周边的电极对，每对电极分为激励端和接收端，用于检测局部液膜的电阻率变化；电解质注射孔设置在靠近上游电极组的位置。本发明同时提供采用所述的传感器实现的基于电解质示踪法的螺旋液膜速度测量方法。

Description

基于电解质示踪法的螺旋液膜速度测量传感器及方法

技术领域

本发明属于气液两相流测量技术领域，涉及一种螺旋环状流液膜速度测量装置和方法。

背景技术

螺旋环状流常见于涡轮机，分离器，燃烧室等诸多工业领域中。近年来，螺旋环状流也被应用于石油天然气井口测量中。螺旋环状流同直管环状流相似，都是液膜在管壁流动，管道中心为高速流动的气核。与直管环状流相比，螺旋环状流具有更少的夹带液滴，螺旋液膜即具有轴向速度，又具有切向速度分量。螺旋环状流在流出螺旋流发生装置后，具有衰减特性，即随着流动距离变化，切向速度会随着两相流动而逐渐衰减，有恢复为直管流动的趋势。基于以上因素，螺旋液膜速度的测量复杂度要远难于直管液膜速度。直管环状流中常用的测量液膜速度的方法有电学法，超声法，高速摄像法，激光诱导荧光成像法(PLIF)等，再通过液膜波动的相似性，采用示踪或互相关等信号处理技术来测量液膜速度。

相较于直管环状流液膜速度测量，螺旋液膜速度测量的技术难点有三：

一：由于离心力的存在，螺旋环状流液膜界面扰动波会受到一定程度的抑制，使其不如直管液膜扰动波明显；

二：非受迫型螺旋环状流的切向动量会随着流动距离的增加而衰减，即螺旋液膜的流动方向随位置变化而变化，使得采用上下游信号互相关法测量液膜流速很难实现；

三：由于螺旋环状流并非一种充分发展的流动，故其气液湍动较强，当气液流速较高时，波动的界面及混入的小气泡等会形成螺旋流线，导致螺旋液膜的透明性极差，如图1所示。

基于螺旋液膜的复杂性，同时测量环状流的轴向流速和切向流速的方法研究十分稀少。已公开发明专利CN 107101681 A通过高速摄像法，将液膜中混入气相小气泡作为天然示踪粒子，将高速相机所拍摄的气泡轨迹长度及曝光时间来测量气泡流速，并将其视为螺旋液膜流速。显然，当气液两相流速度较高时，气泡的示踪效果会变差，液膜中的微小气泡很难被高速相机所捕捉。已公开发明专利CN104121955A采用不同超声探头分布方法来测量液液螺旋流液膜平均流速及总流量。但声波的传播会受到温度的影响，且同样当液膜表面湍动较强时，相界面的反射的超声信号也会具有较强的噪声，这些误差难以进行补偿修正。

发明内容

为克服上述测量目标及现存技术方法不足，本发明提出一种基于电导法的螺旋液膜速度测量装置及方法，为实现螺旋液膜轴向速度及切向速度的同时测量，采用电解质示踪法及周向多电极分布方案。技术方案如下：为达到上述目的，本发明具体采用以下技术方案：

一种用于电解质示踪法的螺旋环状流液膜速度测量传感器，包括：测量管道，固定在测量管道内壁的上游电极组和下游电极组和电解质注射孔，其中，测量管道为非导电测量管道，上游电极组和下游电极组分别包含多个分布在测量管道周边的电极对，每对电极分为激励端和接收端，用于检测局部液膜的电阻率变化；电解质注射孔设置在靠近上游电极组的位置。

进一步地，设D为测量管道内径，上游电极组U与下游电极组D中心线距为L_x，L_x在0.5D-10D之间。

进一步地，每个电极宽度W为0.002m～0.010m；每个电极对激励端和接收端中线距离L’为0.003m～0.020m。

本发明同时提供所述的传感器实现的基于电解质示踪法的螺旋液膜速度测量方法，在上游电极组的某个电极对前端注射孔注入电解质溶液，注入后，上游电极组的此电极对所测量的信号将发生突变，随着螺旋环状流液膜流动，找到下游电极组中信号也随之发生突变且变化幅度最大的电极对，两次信号突变的时间差即液膜运动的时间，螺旋环状流液膜的轴向速度和切向速度由下求得：

u_l＝L_x/Δt

w_l＝L_θ/Δt

式中，Lx、L_θ分别表示为流体流过测速传感器的轴向距离和周向距离,m；Δt表示流体流过螺旋环状流液膜速度测量传感器测得的液膜运动的时间,s。轴向速度u_l和切向速度w_l的单位均为m/s。

附图说明

图1为高速相机下的螺旋环状流液膜，其工况条件为气相表观流速U_SG＝15m/s，体积含液率LVF＝1％。

图2为螺旋环状流速度测量传感器示意图，传感器本身采用非导电材质。

附图标记：1-注射孔；2-上游电极组；3-下游电极组；4-非导电的测量管道

图3为所述螺旋环状流速度测量系统构成示意图，主要分为激励模块，接收模块，信号转换模块，信号调理模块，上位机，数据采集模块构成。

图4为所述螺旋环状流速度测量装置信号处理流程图。

图5为所述螺旋环状流速度测量装置采集原始信号图。

(图5实验条件：压力0.1MPa；体积含水率2％；气相表观流速：10m/s，共注射三次电解质溶液)

图6为注射电解质后上下游信号突变时间差。

图7为气相表观流速为12m/s，体积含液率由0-3％范围内变化时，螺旋环状流速度测量系统在管道不同位置测量液膜轴向平均速度结果。X＝nR为距起旋器尾端的距离为n*R，n为正实数，R为管道半径。

图8为气相表观流速为12m/s，体积含液率由0-3％范围内变化时，螺旋环状流速度测量系统在管道不同位置测量液膜切向平均速度结果。

图9为气相表观流速为12m/s，体积含液率由0-3％范围内变化时，螺旋环状流速度测量系统在距离起旋器尾端4倍管道直径位置处所测量液膜轴向平均速度三次不同测量结果与平均值的差异性，即为轴向液膜平均速度的重复性测量结果。

图10为气相表观流速为12m/s，体积含液率由0-3％范围内变化时，螺旋环状流速度测量系统在距离起旋器尾端4倍管道直径位置处所测量液膜切向平均速度三次不同测量结果与平均值的差异性，即为切向液膜平均速度的重复性测量结果。

具体实施方式

下面参照附图对本发明做进一步详述。

本发明为应用于工业中螺旋环状流的液膜速度测量装置。区别于以往液膜速度测量装置及方法，通过电解质示踪法及多电极设计，解决了同时测量螺旋液膜的轴向流速及切向流速这一难题，且设计原理简单，便于安装，无需复杂的算法补偿，具有更广泛的适用性。

本发明基本原理为：高浓度电解质溶液会使液膜的局部电导率发生剧烈变化。根据高浓度电解质溶液来标记液膜在轴向和切向上的流动距离，并根据被标记流体经历上下游传感器时间差来计算液膜速度。

传感器原理示意图如图2所示，螺旋环状流液膜速度测量传感器主要分为1-上游电极组(U)，2-下游电极组(D)，3-注射孔，4-非导电的测量管道。测量管道内壁嵌入多组电导电极，来感知电导率变化，注入电解质后，由于液膜局部电阻率发生变化，其流经的发射电极及接受电极间的电信号会发生突变。本发明所提出的测速方法原理简单，不涉及软场效应，无需考虑光波，声波等信号反射、折射问题，在气液两相流速较高，湍动较强时，仍能实现液膜轴向流速、切向流速的准确测量。

本发明的螺旋环状流速度测量装置安装方式可采用水平安装，即气液两相流流经起旋器后形成具有轴向速度分量及切向速度分量的螺旋环状流，通过测速传感器后可获得测量结果。多组螺旋环状流速度测量装置串联安装，即可通过不同的传感器长度及多个传感器组合安装的方式测量管段内任一位置的螺旋环状流液膜速度。本发明所提出的螺旋环状流速度测量装置可适用于水平安装，竖直安装，倾斜安装等多种安装方式的螺旋液膜速度测量。

本发明所提出的螺旋环状流速度测量装置主要分主要分为激励源，速度测量传感器，信号转换模块，信号调理模块，上位机，数据采集模块构成,如图3所示。通过上游电极U1前端注射孔3注入一定浓度的电解质溶液，注入后，上游电极所测量的信号将发生突变，随着液膜流动，紧接着下游电极D2某一电极对信号发生突变。两次信号突变的时间差即液膜运动的时间Δt。液膜所流动的轴向距离为上下游电极对中线距离L_x，周向距离可根据注射点下方所对应上游电极与下游电极的周向距离L_θ。本次实验所采取的传感器上游共有12对均匀分布的电极U₁～U₁₂，每对电极中线间隔30°，下游共有18对均匀分布的电极，D₁～D₁₈，，每对电极中线间隔20°。在U₁正上方注射孔注射电解质溶液，图5为选取了下游D组电极的几组电导贴片的电压信号，D8、D9、D10、D11电极的信号都产生突变，D8电极的变化幅度最大。这种现象主要是由于电解质溶液中电解质浓度明显高于被测液体，会发生一定程度的扩散。大量实流实验证明，虽然会有扩散现象发生，但一定会有某一电极测量结果明显高于相邻电极。L_θ应为：

由于液膜本身具有波动性，加上注射一定量的电解质需要一定的时间，所以当注射电解质时信号上升沿具有一定波动，为避免此问题引入的时间误差，应采用图4所述信号处理方法，对信号进行预处理，处理后的信号如图6所示，时间差Δt为上下游的非零起始点时间之差：

Δt＝t₂-t₁

由此螺旋环状流液膜的轴向速度和切向速度可以由下式求得：

u_l＝L_x/Δt

w_l＝L_θ/Δt

图7和图8分别为常压，气相表观流速12m/s时，不同体积含液率下螺旋环状流在流经起旋器出口不同位置时的液膜轴向平均流速和液膜切向平均流速。如图所示，在固定气相表观流速下，轴向速度和切向速度都会随着体积含液率的增加而有增加的趋势。而当流动距离逐渐增加时，由于摩擦带来的动量损耗以及重力的影响导致在流动方向的切向速度逐渐减小，而轴向速度逐渐增加，这是由于重力势能以及部分旋转动能转化为轴向动能，螺旋流的切向动量不断衰减的结果。

在本实验中，为保证实验数据的可靠性，每个实验工况点下，数据采集三次，测量结果的重复性如图9和图10所示。根据如下公式计算测量的重复性：

式中S表示每个实验工况点的重复性(S只在本式中表示重复性)，N表示数据测量的次数，本文中N＝3，x_i表示每次测量值，表示每个实验点的平均值。实流实验中，整个测量的重复性取所有实验点钟的重复性最大值，本次实验中，测量的重复性为0.035m/s。

此外，值得注意的是，由于上下游的小电导电极本身具有一定的长度和宽度，故必然会在测量长度上引入一定的误差，以及最不理想实验结果即由两个或三个下游电极的信号突变值相当，无法获得真实的下游接收端信号点的位置，造成切向速度的测量偏差。下面将举例说明此时将造成的测量误差。以气相表观流速为20m/s体积含液率3％工况点为例，三次测量时间差分别为30ms，30ms，26ms，我们取三次测量平均时间差Δt为28.67ms。如图2所示，假设上游由U₁电极接收到信号，下游被电解质示踪的流体微团真实位置为D₁₃电极中心，如若测量接收因电解质扩散严重无法分辨最终误判为D₁₂或D₁₄，那么此时所引入的误差为：

真实液膜切向流速为：

若接收下游电极被误判为D₁₂，液膜切向流速为：

若接收上游电极被误判为D₁₄，液膜切向流速为：

故误判电极后切速度测量的相对误差为，误判为D₁₂，液膜切向流速相对误差为：8％，，误判为D₁₄，液膜切向流速相对误差为：8.27％。因此，即使发生最差测量结果，即无法预判相邻电极对，切向速度测量相对偏差仍可保证在10％以内，大量实验证明，当电解质溶液浓度合适时，这种测量结果几乎不会发生。

以上证明了本专利申请保护的电解质示踪法的螺旋环状流液膜速度测量装置以及方法的可行性。

Claims (4)

1.一种用于电解质示踪法的螺旋环状流液膜速度测量传感器，包括：测量管道，固定在测量管道内壁的上游电极组和下游电极组和电解质注射孔，其中，测量管道为非导电测量管道，上游电极组和下游电极组分别包含多个分布在测量管道周边的电极对，每对电极分为激励端和接收端，用于检测气液两相螺旋环状流局部液膜的电阻率变化，电解质注射孔设置在靠近上游电极组的位置；在上游电极组的某个电极对前端注射孔注入电解质溶液，注入后，上游电极组的此电极对所测量的信号将发生突变，随着螺旋环状流液膜流动，找到下游电极组中信号也随之发生突变且变化幅度最大的电极对，两次信号突变的时间差即液膜运动的时间，进而求得螺旋环状流液膜的轴向速度和切向速度。

2.根据权利要求1所述的螺旋环状流液膜速度测量传感器，其特征在于，设D为测量管道内径，上游电极组U与下游电极组D中心线距为L_x，L_x在0.5D-10D之间。

3.根据权利要求1所述的螺旋环状流液膜速度测量传感器，其特征在于，每个电极宽度W为0.002m～0.010m；每个电极对激励端和接收端中线距离L’为0.003m～0.020m。

4.采用权利要求1-3任意一项所述的传感器实现的基于电解质示踪法的螺旋液膜速度测量方法，螺旋环状流液膜的轴向速度和切向速度由下求得：

u_l＝L_x/Δt

w_l＝L_θ/Δt

式中，Lx、L_θ分别表示为流体流过测速传感器的轴向距离和周向距离，单位为m；Δt表示流体流过螺旋环状流液膜速度测量传感器测得的液膜运动的时间，单位为s；轴向速度u_l和切向速度w_l的单位均为m/s。