一种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针的制作方法
一种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及一种用于两相流流动参数测量的传感器。
【背景技术】
[0002] 两相流现象广泛存在于石油工程、化学工程、冶金工程、核工程、航空与航天工程 等传统工业和新兴工业领域中。气液两相流是指气相与液相不相容物质的混合流动体系。 由于气液两相流中各成份之间存在着密度、粘度等物理性质上的差异，在流量、压力、重力 及管路形状等诸多因素的影响下，导致气液两相流流动参数测量十分困难。总流量和分相 流量是气液两相流工业应用系统中的重要流动参数，它的精确测量对于生产过程计量、控 制和运行可靠性都具有重要意义。
[0003] 两相流流动参数测量技术主要包括超声法，光学法，射线法，电容法，电导法等。由 于电导传感器具有原理清晰、结构简单、响应稳定等诸多优点，已广泛地应用于多相流参数 测量中。目前油井动态监测普遍使用的环形电导式传感器(ZL98250643.2)主要响应于测量 电极之间分散相平均浓度特性，该类电导传感器结构相对简单，传感器响应稳定，可完成对 油水两相流含水率测量。但是，上述环形电导式传感器灵敏场分布均匀程度不高，流动参数 测量结果受两相流流体流动结构影响较大，导致测量结果精度较低。
【发明内容】
[0004] 针对目前两相流电导传感器输出响应受流体运动结构影响明显且空间分辨率低 的缺点，本发明的目的是提供一种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针。 采用本发明的探针，由于被测流体在环形空间内与探针灵敏场充分接触，可有效提高两相 流流动参数测量空间分辨率，同时测量响应能够较好的克服气液两相流流体运动结构的影 响，对流体流动结构的依赖性较低。本发明的技术方案如下：
[0005] -种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针，包括环形空间双传感 电导探针由管道中屯、变直径绝缘插入体1，环形空间分相持率传感器2、环形空间相关测速 传感器3Ξ部分。其中，
[0006] 管道中屯、变直径绝缘插入体1固定在竖直测量管道的中屯、，迫使两相流流体在其 外表面与竖直测量管道内壁之间的环形空间内流动，变直径绝缘插入体由Ξ段构成，自下 而上依次为细径段5，过渡段6及粗径段7;
[0007] 分相持率传感器位于与变直径绝缘插入体1的粗径段7相对应的竖直测量管道内 壁上，由四对或四对W上弧形电极构成，各对弧形电极均匀分布在沿竖直测量管道内壁的 圆周上，每对弧形电极均由激励电极和测量电极构成，分别用于各自所处位置附近流体的 局部分相持率测量；
[0008] 在变直径绝缘插入体1细径段5表面固定两对环形的电极，构成环形空间相关测速 传感器。
[0009] 本发明由于采取W上技术方案，其具有W下优点：
[0010] (1)通过在管道中屯、放置可变直径的绝缘插入体，迫使流体在环形空间内流动，使 流体直接与传感器的高灵敏度检测区域接触，可有效发挥环形空间分相持率传感器对两相 流分相持率信息的高分辨特性。
[0011] (2)在绝缘插入体细径段安装的相关测速电极对与流体直接接触，对环形空间内 流体运动获取信息强，可用于实现流体相关速度测量。
[0012] (3)管道中屯、绝缘插入体采用可变直径结构设计，中间含过渡段，对流体运动的扰 动很小。该绝缘插入体的设计是构成环形空间中的分相持率及相关速度同时测量的重要部 件。
[0013] (4)两相流分相持率及相关速度结果受两相流流体运动结构影响较小。
【附图说明】
[0014] 图1是用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针
[0015] 图2是迫使流体在环形空间内流动的变直径绝缘插入体:粗径和细径段直径分别 为山和cb; Ξ段的高度分别为h，12和13
[0016] 图3是镶嵌在管段内壁的环形空间分相持率传感器:Ei，E2,&和E4为弧形激励电 极，Ml，M2，M3和M4为弧形测量电极，弧形电极张角为α，电极高度为h，电极厚度为t，电极对间 距为g
[0017] 图4是安装在插入体细径段的环形空间相关测速传感器:Es和E6为激励电极，Ms和 Ms为测量电极瓜和Ms构成上游相关测速电极，E廓Ms构成下游相关测速电极；电极间距为1， 相关间距为L
[0018] 图5是环形空间分相持率传感器的测量响应波形图
[0019] 图6是环形空间分相持率传感器的归一化电导值
[0020] 图7是气液两相流持气率测量结果
[0021 ]图8是环形空间相关测速传感器的测量响应波形图
[0022] 图9是环形空间相关测速传感器上下游信号的互相关函数
[0023] 图10是环形空间相关速度与混合速度的关系
[0024] 图11是气液两相流总流速测量结果
[0025] 图12是漂移模型中相分布系数及泡径指数的确定
[0026] 图13是气液两相流分相流速测量结果
[0027] 图中标号说明：
[0028] 1绝缘插入体；2环形空间分相持率传感器；3环形空间相关测速传感器;4测量管 道;5插入体细径段，6插入体过渡段，7插入体粗径段
【具体实施方式】
[0029] 本发明的环形空间双传感电导探针基于电学敏感原理设计，针对垂直管内两相流 非均匀分布及随机运动特征，通过在管道中屯、放置可变直径的绝缘插入体，迫使流体在环 形空间内流动。旨在利用环形空间分相持率传感器对环形空间内流体的分布式高分辨特 性，实现两相流的分相持率(分相体积与流体总体积之比）测量；同时，利用环形空间相关测 速传感器实现两相流相关速度测量;最后，基于分相持率及相关速度测量结果，建立总流量 测量模型和漂移速度模型，实现两相流总流量及分相流量测量。
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
[0031] 本发明提供一种新型的用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针结 构，如图1所示，用于测量竖直管道自下而上流过的两相流。该环形空间双传感电导探针由 管道中屯、变直径绝缘插入体1，环形空间分相持率传感器2、环形空间相关测速传感器3Ξ部 分组成。
[0032] 变直径绝缘插入体由Ξ段构成，结构如2所示，自下而上依次为细径段5,过渡段6 及粗径段7。
[0033] 环形空间分相持率传感器由两个或两个W上弧形电极对构成，其结构如图3所示， 各个电极对均匀排布在所述竖直管道的同一截面上，均固定在所述竖直管道的管壁内侧， 每个弧形电极对均由激励电极和测量电极构成，其中El，E2，E3和E4为弧形激励电极，Ml，M2， M3和M4为弧形测量电极;每个弧形电极对分别用于各自所处位置附近流体的局部分相持率 测量。
[0034] 在绝缘插入体细径段5表面安装有四个环形的电极，构成环形空间相关测速传感 器，结构如图4所示，其中Es和E6为激励电极，]?5和]?6为测量电极，Es和Ms构成上游相关测速电 极，E6和Ms构成下游相关测速电极。
[0035] 下面结合【附图说明】该两相流环形空间局部电导传感阵列的实施过程：
[0036] (1)该发明设及的一种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针中， 各电极均采用不诱钢材料加工制成，管道中屯、的绝缘插入体选用有机玻璃材料。环形空间 分相持率传感器的弧形电极张角α = 50度，电极高度为h = 2mm，电极厚度为t = lmm，电极对 间距为g = 9mm;环形空间相关测速传感器电极间距为l = 10mm，相关间距为L = 30mm ;管道中 屯、绝缘插入体的粗径和细径段直径分别为di=12mm和d2 = 8mm，粗径段、过渡段及细径段的 高度分别为li = 50mm，b = 30mm 和13 = 70mm。
[0037] (2)环形空间分相持率传感器的四个激励电极均与20kHz正弦电压信号相连，正弦 电压信号作为载波信号被流体分相持率信息所调制，四个测量电极接参考地。参考电阻及 电极对间电压信号经差分放大后，依次进行相敏解调、低通滤波、放大、调零处理，输出表征 气液两相流分相持率信息的电压信号Vm及参考电压信号Vref。另外，环形空间相关测速传感 器中的两个激励电极与20kHz正弦电压信号相连，上下游测量电极连接电流-电压转换模 块，转换电压依次进行相敏解调、低通滤波、放大、调零处理后，输出上游相关信号Vup和下游 相关?曰号VdDwn。
[0038] 通过开展垂直上升气液两相流实验，获得环形空间分相持率传感器及环形空间相 关测速传感器的测量响应。典型的气液两相流流动条件下，环形空间分相持率传感器的响 应信号如图5所示，其中Qg和Qw分别表示气相和水相的体积流量;环形空间相关测速传感器 的响应信号如同6所示，其中Usw表示水相表观速度，即水相入口体积流量与管道截面积之 比。
[0039] (3)环形空间分相持率传感器每个电极对的响应电压信号按下式计算，得到局部 无量纲电导值Ge, local:
[0040]
Π )
[0041] 其中Vref及??；分别表示空气-自来水混合液及纯水条件下的平均参考电压值，Vm及 嘴分别表示空气-自来水混合液及纯水条件下的平均测量电压值。通过计算四个局部无量 纲电导值的算术平均值，可得气液两相流的无量纲电导值Ge，如图7所示。
[0042] (4)根据气液两相流无量纲电导测量结果，利用Maxwell方程可计算气液两相流持 气率测量结果如图8所示。
[0043] (5)环形空间相关测速传感器上游及下游信号可分别表示为x(t)和y(t)，对两信 号进行互相关运算可W得到互相关函数Rxy(T)，互相关函数计算方法如下：
[0044]
C2)
[0045] 其中T表示两列波形的数据点数。典型的气液两相流流动条件下，环形空间相关测 速传感器的互相关函数如图9所示，其中το为渡越时间。可见，在气液两相流不同流型条件 下，环形空间相关测速传感器均可获得较好的相关测速结果。
[0046] (6)根据互相关函数的峰值所在位置确定渡越时间το后，可获得相关速度的。=^， 矿0 其中L为相关间距，实验中采用相关间距为30mm。气液两相流环形空间相关测速传感器测得 相关速度化C如图10所示，可见，相关速度测量结果受气液两相流流动结构影响较小，显示出 本发明设及的环形空间相关测速传感器的测量优势。
[0047] (7)根据相关速度测量结果与气液两相流总流量的关系，利用最小二乘法拟合得 到气液两相流总流速测量统计模型，多项式拟合标准差SD = 0.048m/s，拟合结果如图10中 多项式所示：
[004引
U)
[0049] 气液两相流总流速测量效果如图11所示，经计算平均相对误差为7%。
[00加](8)气液两相流漂移速度模型可用下式表示（Zuber N,Findlay A,Average volumetric concentration in two-phase flow systems,Journal of Heat Transfer 87(1965)453-468.):
[0化1 ]
(64)
[0052] 其中Usg为气相表观速度，yg为持气率，Co为气液两相流相分布系数，n为泡径指数， Um为单个气泡在水中的上升极限速度。根据Ha；rmathy(Velocity of large drops and bubbles in media of infinite or restricted extent,AIChE Journal 6(1960)281-288)给出的Uoo计算公式，代入相关参数水相密度Pw= lOOOkg/m3，气相密度化=1.29kg/m3， 表面张力〇gw= 0.075N/m,重力加速度g = 9.8m/s2，可得到恥等于0.232 Im/s。公式(4)给出了 气相表观速度与混合速度的关系，因为混合速度已由公式(3)测量得到，通过确定式中相分 布系数和泡径指数可实现气相表观速度的测量。
[0053] 公式(4)中相分布系数和泡径指数的确定方法如下:首先固定泡径指数的取值，讨 论数据点aJh/(l-yg)n，Usg/yg(l-yg))在平面上的分布情况，其中yg由环形空间分相持率传感 器测量的持气率代替，化由环形空间相关测速传感器测得的t/fe代替;如果泡径指数取 某值时，数据点?',, ^^,沿直线集中分布，此时的泡径指数取值可作为 其最终值;泡径指数确定后，将泡径指数代入公式(4)计算相分布系数Cq，相分布系数Co可作 为持气率的函数表不出来。
[0054]图12(a)给出了泡径指数为5时，数据点（Uh/(l-yg)n，Usg/yg(l-yg))的分布情况，可 见数据点密集地分布在拟合直线附近，故泡径指数可取为5;将泡径指数取值代入公式(4)， 可得到相分布系数的表达式：
[0化5]
巧).
[0056]至此，可将最终确定的泡径指数和相分布系数代入公式(4)，可得到气相表观速度 的测量表达式，可表示为：
[0化7]
[005引根据公式(6)可得到气相表观速度的测量结果，如图13所示，经计算气相表观速度 测量结果平均绝对误差为0. 〇19m/s，平均相对误差为11.087%。
【主权项】
1. 一种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针，包括环形空间双传感电 导探针由管道中心 变直径绝缘插入体，环形空间分相持率传感器、环形空间相关测速传感器三部分。其 中， 管道中心变直径绝缘插入体固定在竖直测量管道的中心，迫使两相流流体在其外表面 与竖直测量管道内壁之间的环形空间内流动，变直径绝缘插入体由三段构成，自下而上依 次为细径段，过渡段及粗径段； 分相持率传感器位于与变直径绝缘插入体的粗径段相对应的竖直测量管道内壁上，由 四对或四对以上弧形电极构成，各对弧形电极均匀分布在沿竖直测量管道内壁的圆周上， 每对弧形电极均由激励电极和测量电极构成，分别用于各自所处位置附近流体的局部分相 持率测量； 在变直径绝缘插入体细径段表面固定两对环形的电极，构成环形空间相关测速传感 器。
【专利摘要】本发明涉及一种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针，包括环形空间双传感电导探针由管道中心变直径绝缘插入体，环形空间分相持率传感器、环形空间相关测速传感器三部分。其中，管道中心变直径绝缘插入体固定在竖直测量管道的中心，迫使两相流流体在其外表面与竖直测量管道内壁之间的环形空间内流动，变直径绝缘插入体由三段构成，自下而上依次为细径段，过渡段及粗径段；分相持率传感器由四对或四对以上弧形电极构成，各对弧形电极均匀分布在沿竖直测量管道内壁的圆周上；在变直径绝缘插入体细径段表面固定两对环形的电极，构成环形空间相关测速传感器。本发明具有测量灵敏度高的优点。
【IPC分类】G01F1/56
【公开号】CN105486360
【申请号】CN201510801943
【发明人】翟路生, 金宁德, 边鹏
【申请人】天津大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月19日
【技术领域】
[0001 ]本发明设及一种用于两相流流动参数测量的传感器。
【背景技术】
[0002] 两相流现象广泛存在于石油工程、化学工程、冶金工程、核工程、航空与航天工程 等传统工业和新兴工业领域中。气液两相流是指气相与液相不相容物质的混合流动体系。 由于气液两相流中各成份之间存在着密度、粘度等物理性质上的差异，在流量、压力、重力 及管路形状等诸多因素的影响下，导致气液两相流流动参数测量十分困难。总流量和分相 流量是气液两相流工业应用系统中的重要流动参数，它的精确测量对于生产过程计量、控 制和运行可靠性都具有重要意义。
[0003] 两相流流动参数测量技术主要包括超声法，光学法，射线法，电容法，电导法等。由 于电导传感器具有原理清晰、结构简单、响应稳定等诸多优点，已广泛地应用于多相流参数 测量中。目前油井动态监测普遍使用的环形电导式传感器(ZL98250643.2)主要响应于测量 电极之间分散相平均浓度特性，该类电导传感器结构相对简单，传感器响应稳定，可完成对 油水两相流含水率测量。但是，上述环形电导式传感器灵敏场分布均匀程度不高，流动参数 测量结果受两相流流体流动结构影响较大，导致测量结果精度较低。
【发明内容】
[0004] 针对目前两相流电导传感器输出响应受流体运动结构影响明显且空间分辨率低 的缺点，本发明的目的是提供一种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针。 采用本发明的探针，由于被测流体在环形空间内与探针灵敏场充分接触，可有效提高两相 流流动参数测量空间分辨率，同时测量响应能够较好的克服气液两相流流体运动结构的影 响，对流体流动结构的依赖性较低。本发明的技术方案如下：
[0005] -种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针，包括环形空间双传感 电导探针由管道中屯、变直径绝缘插入体1，环形空间分相持率传感器2、环形空间相关测速 传感器3Ξ部分。其中，
[0006] 管道中屯、变直径绝缘插入体1固定在竖直测量管道的中屯、，迫使两相流流体在其 外表面与竖直测量管道内壁之间的环形空间内流动，变直径绝缘插入体由Ξ段构成，自下 而上依次为细径段5，过渡段6及粗径段7;
[0007] 分相持率传感器位于与变直径绝缘插入体1的粗径段7相对应的竖直测量管道内 壁上，由四对或四对W上弧形电极构成，各对弧形电极均匀分布在沿竖直测量管道内壁的 圆周上，每对弧形电极均由激励电极和测量电极构成，分别用于各自所处位置附近流体的 局部分相持率测量；
[0008] 在变直径绝缘插入体1细径段5表面固定两对环形的电极，构成环形空间相关测速 传感器。
[0009] 本发明由于采取W上技术方案，其具有W下优点：
[0010] (1)通过在管道中屯、放置可变直径的绝缘插入体，迫使流体在环形空间内流动，使 流体直接与传感器的高灵敏度检测区域接触，可有效发挥环形空间分相持率传感器对两相 流分相持率信息的高分辨特性。
[0011] (2)在绝缘插入体细径段安装的相关测速电极对与流体直接接触，对环形空间内 流体运动获取信息强，可用于实现流体相关速度测量。
[0012] (3)管道中屯、绝缘插入体采用可变直径结构设计，中间含过渡段，对流体运动的扰 动很小。该绝缘插入体的设计是构成环形空间中的分相持率及相关速度同时测量的重要部 件。
[0013] (4)两相流分相持率及相关速度结果受两相流流体运动结构影响较小。
【附图说明】
[0014] 图1是用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针
[0015] 图2是迫使流体在环形空间内流动的变直径绝缘插入体:粗径和细径段直径分别 为山和cb; Ξ段的高度分别为h，12和13
[0016] 图3是镶嵌在管段内壁的环形空间分相持率传感器:Ei，E2,&和E4为弧形激励电 极，Ml，M2，M3和M4为弧形测量电极，弧形电极张角为α，电极高度为h，电极厚度为t，电极对间 距为g
[0017] 图4是安装在插入体细径段的环形空间相关测速传感器:Es和E6为激励电极，Ms和 Ms为测量电极瓜和Ms构成上游相关测速电极，E廓Ms构成下游相关测速电极；电极间距为1， 相关间距为L
[0018] 图5是环形空间分相持率传感器的测量响应波形图
[0019] 图6是环形空间分相持率传感器的归一化电导值
[0020] 图7是气液两相流持气率测量结果
[0021 ]图8是环形空间相关测速传感器的测量响应波形图
[0022] 图9是环形空间相关测速传感器上下游信号的互相关函数
[0023] 图10是环形空间相关速度与混合速度的关系
[0024] 图11是气液两相流总流速测量结果
[0025] 图12是漂移模型中相分布系数及泡径指数的确定
[0026] 图13是气液两相流分相流速测量结果
[0027] 图中标号说明：
[0028] 1绝缘插入体；2环形空间分相持率传感器；3环形空间相关测速传感器;4测量管 道;5插入体细径段，6插入体过渡段，7插入体粗径段
【具体实施方式】
[0029] 本发明的环形空间双传感电导探针基于电学敏感原理设计，针对垂直管内两相流 非均匀分布及随机运动特征，通过在管道中屯、放置可变直径的绝缘插入体，迫使流体在环 形空间内流动。旨在利用环形空间分相持率传感器对环形空间内流体的分布式高分辨特 性，实现两相流的分相持率(分相体积与流体总体积之比）测量；同时，利用环形空间相关测 速传感器实现两相流相关速度测量;最后，基于分相持率及相关速度测量结果，建立总流量 测量模型和漂移速度模型，实现两相流总流量及分相流量测量。
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
[0031] 本发明提供一种新型的用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针结 构，如图1所示，用于测量竖直管道自下而上流过的两相流。该环形空间双传感电导探针由 管道中屯、变直径绝缘插入体1，环形空间分相持率传感器2、环形空间相关测速传感器3Ξ部 分组成。
[0032] 变直径绝缘插入体由Ξ段构成，结构如2所示，自下而上依次为细径段5,过渡段6 及粗径段7。
[0033] 环形空间分相持率传感器由两个或两个W上弧形电极对构成，其结构如图3所示， 各个电极对均匀排布在所述竖直管道的同一截面上，均固定在所述竖直管道的管壁内侧， 每个弧形电极对均由激励电极和测量电极构成，其中El，E2，E3和E4为弧形激励电极，Ml，M2， M3和M4为弧形测量电极;每个弧形电极对分别用于各自所处位置附近流体的局部分相持率 测量。
[0034] 在绝缘插入体细径段5表面安装有四个环形的电极，构成环形空间相关测速传感 器，结构如图4所示，其中Es和E6为激励电极，]?5和]?6为测量电极，Es和Ms构成上游相关测速电 极，E6和Ms构成下游相关测速电极。
[0035] 下面结合【附图说明】该两相流环形空间局部电导传感阵列的实施过程：
[0036] (1)该发明设及的一种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针中， 各电极均采用不诱钢材料加工制成，管道中屯、的绝缘插入体选用有机玻璃材料。环形空间 分相持率传感器的弧形电极张角α = 50度，电极高度为h = 2mm，电极厚度为t = lmm，电极对 间距为g = 9mm;环形空间相关测速传感器电极间距为l = 10mm，相关间距为L = 30mm ;管道中 屯、绝缘插入体的粗径和细径段直径分别为di=12mm和d2 = 8mm，粗径段、过渡段及细径段的 高度分别为li = 50mm，b = 30mm 和13 = 70mm。
[0037] (2)环形空间分相持率传感器的四个激励电极均与20kHz正弦电压信号相连，正弦 电压信号作为载波信号被流体分相持率信息所调制，四个测量电极接参考地。参考电阻及 电极对间电压信号经差分放大后，依次进行相敏解调、低通滤波、放大、调零处理，输出表征 气液两相流分相持率信息的电压信号Vm及参考电压信号Vref。另外，环形空间相关测速传感 器中的两个激励电极与20kHz正弦电压信号相连，上下游测量电极连接电流-电压转换模 块，转换电压依次进行相敏解调、低通滤波、放大、调零处理后，输出上游相关信号Vup和下游 相关?曰号VdDwn。
[0038] 通过开展垂直上升气液两相流实验，获得环形空间分相持率传感器及环形空间相 关测速传感器的测量响应。典型的气液两相流流动条件下，环形空间分相持率传感器的响 应信号如图5所示，其中Qg和Qw分别表示气相和水相的体积流量;环形空间相关测速传感器 的响应信号如同6所示，其中Usw表示水相表观速度，即水相入口体积流量与管道截面积之 比。
[0039] (3)环形空间分相持率传感器每个电极对的响应电压信号按下式计算，得到局部 无量纲电导值Ge, local:
[0040]
Π )
[0041] 其中Vref及??；分别表示空气-自来水混合液及纯水条件下的平均参考电压值，Vm及 嘴分别表示空气-自来水混合液及纯水条件下的平均测量电压值。通过计算四个局部无量 纲电导值的算术平均值，可得气液两相流的无量纲电导值Ge，如图7所示。
[0042] (4)根据气液两相流无量纲电导测量结果，利用Maxwell方程可计算气液两相流持 气率测量结果如图8所示。
[0043] (5)环形空间相关测速传感器上游及下游信号可分别表示为x(t)和y(t)，对两信 号进行互相关运算可W得到互相关函数Rxy(T)，互相关函数计算方法如下：
[0044]
C2)
[0045] 其中T表示两列波形的数据点数。典型的气液两相流流动条件下，环形空间相关测 速传感器的互相关函数如图9所示，其中το为渡越时间。可见，在气液两相流不同流型条件 下，环形空间相关测速传感器均可获得较好的相关测速结果。
[0046] (6)根据互相关函数的峰值所在位置确定渡越时间το后，可获得相关速度的。=^， 矿0 其中L为相关间距，实验中采用相关间距为30mm。气液两相流环形空间相关测速传感器测得 相关速度化C如图10所示，可见，相关速度测量结果受气液两相流流动结构影响较小，显示出 本发明设及的环形空间相关测速传感器的测量优势。
[0047] (7)根据相关速度测量结果与气液两相流总流量的关系，利用最小二乘法拟合得 到气液两相流总流速测量统计模型，多项式拟合标准差SD = 0.048m/s，拟合结果如图10中 多项式所示：
[004引
U)
[0049] 气液两相流总流速测量效果如图11所示，经计算平均相对误差为7%。
[00加](8)气液两相流漂移速度模型可用下式表示（Zuber N,Findlay A,Average volumetric concentration in two-phase flow systems,Journal of Heat Transfer 87(1965)453-468.):
[0化1 ]
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[0052] 其中Usg为气相表观速度，yg为持气率，Co为气液两相流相分布系数，n为泡径指数， Um为单个气泡在水中的上升极限速度。根据Ha；rmathy(Velocity of large drops and bubbles in media of infinite or restricted extent,AIChE Journal 6(1960)281-288)给出的Uoo计算公式，代入相关参数水相密度Pw= lOOOkg/m3，气相密度化=1.29kg/m3， 表面张力〇gw= 0.075N/m,重力加速度g = 9.8m/s2，可得到恥等于0.232 Im/s。公式(4)给出了 气相表观速度与混合速度的关系，因为混合速度已由公式(3)测量得到，通过确定式中相分 布系数和泡径指数可实现气相表观速度的测量。
[0053] 公式(4)中相分布系数和泡径指数的确定方法如下:首先固定泡径指数的取值，讨 论数据点aJh/(l-yg)n，Usg/yg(l-yg))在平面上的分布情况，其中yg由环形空间分相持率传感 器测量的持气率代替，化由环形空间相关测速传感器测得的t/fe代替;如果泡径指数取 某值时，数据点?',, ^^,沿直线集中分布，此时的泡径指数取值可作为 其最终值;泡径指数确定后，将泡径指数代入公式(4)计算相分布系数Cq，相分布系数Co可作 为持气率的函数表不出来。
[0054]图12(a)给出了泡径指数为5时，数据点（Uh/(l-yg)n，Usg/yg(l-yg))的分布情况，可 见数据点密集地分布在拟合直线附近，故泡径指数可取为5;将泡径指数取值代入公式(4)， 可得到相分布系数的表达式：
[0化5]
巧).
[0056]至此，可将最终确定的泡径指数和相分布系数代入公式(4)，可得到气相表观速度 的测量表达式，可表示为：
[0化7]
[005引根据公式(6)可得到气相表观速度的测量结果，如图13所示，经计算气相表观速度 测量结果平均绝对误差为0. 〇19m/s，平均相对误差为11.087%。
【主权项】
1. 一种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针，包括环形空间双传感电 导探针由管道中心 变直径绝缘插入体，环形空间分相持率传感器、环形空间相关测速传感器三部分。其 中， 管道中心变直径绝缘插入体固定在竖直测量管道的中心，迫使两相流流体在其外表面 与竖直测量管道内壁之间的环形空间内流动，变直径绝缘插入体由三段构成，自下而上依 次为细径段，过渡段及粗径段； 分相持率传感器位于与变直径绝缘插入体的粗径段相对应的竖直测量管道内壁上，由 四对或四对以上弧形电极构成，各对弧形电极均匀分布在沿竖直测量管道内壁的圆周上， 每对弧形电极均由激励电极和测量电极构成，分别用于各自所处位置附近流体的局部分相 持率测量； 在变直径绝缘插入体细径段表面固定两对环形的电极，构成环形空间相关测速传感 器。
【专利摘要】本发明涉及一种用于两相流流动参数测量的环形空间双传感电导探针，包括环形空间双传感电导探针由管道中心变直径绝缘插入体，环形空间分相持率传感器、环形空间相关测速传感器三部分。其中，管道中心变直径绝缘插入体固定在竖直测量管道的中心，迫使两相流流体在其外表面与竖直测量管道内壁之间的环形空间内流动，变直径绝缘插入体由三段构成，自下而上依次为细径段，过渡段及粗径段；分相持率传感器由四对或四对以上弧形电极构成，各对弧形电极均匀分布在沿竖直测量管道内壁的圆周上；在变直径绝缘插入体细径段表面固定两对环形的电极，构成环形空间相关测速传感器。本发明具有测量灵敏度高的优点。
【IPC分类】G01F1/56
【公开号】CN105486360
【申请号】CN201510801943
【发明人】翟路生, 金宁德, 边鹏
【申请人】天津大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月19日
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