一种界面波动含气液膜厚度实时测量装置及测量方法

摘要

本发明涉及一种界面波动含气液膜厚度实时测量装置及测量方法。所述的装置包括有电源、单头电导探针探测器、夹持位移器和数据采集分析器，其中数据采集分析器包括有串联在电源和单头电导探针探测器之间的外置电阻和测量外置电阻两端电压的采集板卡，上述的单头电导探针探测器包括有穿过金属套管的探针，在探测部分金属套管和探针为L型，探针和金属套管之间绝缘，且分别连接到电源的正负极上。测量时以0％含气率层面时探针针尖的绝对位置与探针针尖位于管底部时的绝对位置之差为液膜的厚度。本发明通过单头电导探针技术测量气液分层流和环状流动波动和含气液膜气液界面的含气率与气泡频率沿界面垂线方向的变化情况，从而精确测量液膜厚度。

说明书

技术领域

本发明属于气液分层或环状流波动含气液膜厚度实时测量技术领域，具体涉及一种界面波动含气液膜厚度实时测量装置及测量方法，即利用点测量的单头电导探针分辨气液界面，可应用于管内气液分层流或环状流等流型液膜厚度以及明渠高速水流气液界面的测量。

背景技术

在目前的石油多相管流输送、动力工程等领域内，气液分层流和环状流是常见的流型，在这些流型中液膜厚度是一个重要的参数，有必要对其进行实时精确的测量，从而对截面相分布，压降等参数进行准确计算。

目前有很多分层流和环状流液膜厚度的测量方法，例如：光学法、射线法、高速摄像法、电学法等。在这些方法中，光学法和射线法测量精度比较高，但由于设备价格昂贵、体积庞大、操作复杂等因素，其使用受到了很大的限制。高速摄影法能够以很高的速度对界面进行动态记录，所以能够给出有关界面波动的更细致的结构，但这种方法对操作者要求很高，而且需要解决有关照明、聚焦等光学问题，适用范围也受到了限制。

电学法可以分为电导法和电容法两类，其具有价格低廉、设备简单、操作方便等优点，在近年来多相流领域液膜厚度及截面含气率测量中得到了广泛研究。如中国专利申请文本《实时测量多相管流中相含率和相界面的电导探针测量系统》(公开日2006年10月18日，公开号CN 1847836A，申请日2006年3月27日)公开了一种测量圆管内分层流液膜厚度的电导探针系统，采用双环电导探针或双平行电导探针，可以对多相管流中相含率和相界面进行在线测量和显示，该专利即采用了电导法，其基本测量原理是安装在管段上的两电极之间的电导与液膜厚度有一定的联系。但是这种方法有一些不足之处：首先两电极之间的电导受到液相温度和液相中杂质成分等因素的影响，而且双平行探针的尾涡卷吸气体会造成探针下游局部区域与气体接触，从而对液膜厚度的测量造成较大误差；其次需要通过标定在液膜厚度与输出信号之间建立一种函数关系，而由于标定环境和测量环境之间的差别以及信号受噪声影响等因素，在标定与使用过程中会带来一些误差；另外这种方法仅适用于静止或缓流液膜厚度的测量，在液膜高速运动时，其表面受气体携带影响会产生波动与充气，此时并不存在泾渭分明的气液界面，因此不能给出准确的界面气液分布变化规律。中国专利申请文本《多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统》(公开日2006年11月22日，公开号CN 1865966A，申请日2006年5月11日)公开了一种测量圆管内分层流液膜厚度的单丝电容探针系统，此专利采用了电容法测量液膜厚度，测量结果不受流体温度和杂质成分的影响，可以对多相管流中相含率和相界面进行连续实时在线测量。但这种方法同样需要标定，而且不能给出波动和含气液膜情况下液膜界面处的气液分布变化规律。另外中国专利申请文本《导电基板上液膜厚度的测量方法》(公开日2008年4月9日，公开号CN101159225A，申请日2007年11月7日)公开了一种导电基板上静止的薄液膜厚度的测量方法，其主要思想是利用可移动的导电探针探测液膜表面和液膜底面的位置，可以进行较精细液膜厚度的测量，但这种方法适用范围较窄，难以应用到动态流动含气液膜厚度测量中。

一些研究者使用超声波法探测气液界面，如Murzyn等2007年在报告CH63/07《Free Surface，Bubbly flow and Turbulence Measurements in Hydraulic Jumps》中使用了超声波位移计来探测水跃中波动含气的气液界面，其基本原理是声波在空气中的传播速度一定，通过测量其从发射装置传播到气液界面后反射进入接收装置的时间可以推导出声波运动的距离，从而确定气液界面的位置。研究发现在界面波动含气时，超声波法测量的界面位置含气率大约为50％-60％。这种方法对气液相性质要求较低，而且可以对波动含气液膜的大概界面位置进行判断，但其装置复杂，难以应用在小直径管道中，而且不能给出气液界面区域含气率随位置变化的关系，只能粗略判断界面位置。

综上所述，目前这些液膜厚度测量方法有一定局限性，不能给出液膜界面处的气液分布变化规律，难以实现管内波动含气液膜厚度的高精度实时测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种界面波动含气液膜厚度实时测量装置及测量方法，即提供一种点测量的单头电导探针技术，通过准确测量液膜气液界面区域的含气率与气泡频率变化来确定液膜的厚度，还可以给出精确的界面附近气液分布变化规律，而且无需标定，克服气液界面波动和充气状态下液膜厚度难以精确测量的困难，弥补了现有技术的不足。

本发明的界面波动含气液膜厚度实时测量装置包括有电源、单头电导探针探测器、控制探针检测位置的夹持位移器和数据采集分析器，其中数据采集分析器包括有串联在电源和单头电导探针探测器之间的外置电阻和测量外置电阻两端电压的采集板卡，其特征在于，上述的单头电导探针探测器包括有穿过金属套管的探针，在探测部分金属套管和探针为L型，探针和金属套管之间绝缘，且分别连接到电源的正负极上。

上述的探针为金属丝，直径为0.2mm，检测部分为圆锥针尖状。金属套管的直径为1mm，为了保证金属套管始终与液相接触，其外壁连接有导线，与液面始终接触。

上述的探针和金属套管之间绝缘是指探针除针尖探测部分和尾部外都具有绝缘层或是探针和金属套管间填充有绝缘材料，其中针尖探测部分用来探测气泡，尾部用来连接电路。为了获得更精确的测量数据，探针的针尖处有40～80μm的导电区域。为了更好的获得绝缘效果，在金属套管的两端用胶团密封，防止液体渗入套管内。

上述的探针连接到直流电源的负极，金属套管连接到直流电源的正极，直流电源为4.5v直流电源。

所述的控制探针检测位置的夹持位移器可以是微步进控制仪器，通过微步进控制仪器来调节探针和金属套管的位置，并将信号传递给数据采集分析器的采集板卡，经计算机处理程序计算可以得到探针针尖距管底的高度。

所述的夹持位移器还可以包括有数显游标卡尺和探针游标固定块组成，探针游标固定块将金属套管、探针和数显游标卡尺固定在一起，可随着游标的上下移动而改变针尖在管内的径向位置，同时数显卡尺显示器就地显示出游标的位置并将信号远传至采集板卡。

所述的夹持位移器通过密封固定装置来安装在要测量的管道上。

所述的外置电阻为5兆欧，采集板卡是NI PCI-6143 S系列同步采集卡，采集板卡将收集的数据传到计算机，由Labview图形化数据采集分析软件记录，结合微步进控制仪器或数显游标卡尺记录的探针位移数据进行含气液膜厚度的分析。

本发明的装置用于导电液体波动含气液膜厚度的测量。

本发明装置的电源正负极分别连接在单头电导探针探测器的探针和金属套管上，优选正极连接到金属套管上，负极连接到探针上，这样构成了一个电路。但探针和金属套管之间做了绝缘处理，因此，只有当金属套管和探针都接触到导电液体的时候，电路才会联通，此时采集板卡测量外置电阻为高电平；当探针的针尖向上移动到气液界面附近时，由于界面的波动和充气，针尖时而处于气相，时而处于液相，输出信号在高低电平之间不断变换；当针尖继续向上移动脱离液相进入气相时，信号显示低电平。通过与采集板卡相连的Labview图形化数据采集分析软件进行信号分析，计算不同针尖位置处的含气率，其中含气率为电平数据处于低电平的时间总和占采集时间的比例。

本发明的界面波动含气液膜厚度实时测量方法，是先将探针端部放入待测导电液体中，使针尖朝向来流方向，再用夹持位移器来控制探针针尖在管内的位置，首先使探针针尖紧贴管道下壁面，记录探针针尖位于管底部时的绝对位置，然后使探针从导电液体的液面向气液界面移动，同时通过采集板卡记录不同层面外置电阻两端的电平和检测时间，以及探针的绝对位置数据，将不同层面电平数据转为层面的含气率，20～90％含气率层面时探针针尖的绝对位置与探针针尖位于管底部时的绝对位置之差为液膜的厚度。

上述的液膜的厚度是50％含气率层面时探针针尖的绝对位置与探针针尖位于管底部时的绝对位置之差。

本发明通过点测量的单头电导探针技术测量气液分层流和环状流动波动和含气液膜气液界面的含气率与气泡频率沿界面垂线方向的变化情况，从而精确测量液膜厚度。同其他测量方法相比具有以下特点：无需标定；不受介质的电导率、温度等参数影响，当液相电导率较小时，可通过改变外置电阻阻值使输出信号高低电平差异显著，也可以通过加入电解质来改变液体导电性；可以给出液膜界面处的气液分布变化规律。

附图说明：

图1是本发明单头电导探针探测器示意图；

图2是本发明测量装置的整体结构图；

图3是某一工况下探针原始信号(Raw Signal)、标准化处理后的信号(Normalized Signal)和理想方波信号(Square Signal)的对比；

图4是探针针尖处于气液界面以下时的输出电压信号，处理得到含气率为3％；

图5是探针针尖处于气液界面附近时的输出电压信号，处理得到含气率为50％；

图6是探针针尖处于气液界面以上时的输出电压信号，处理得到含气率为90％；

图7是探针测量的含气率和气泡频率随气液界面垂线方向变化的曲线图；其中：1、探针 2、绝缘漆 3、胶团 4、金属套管 5、管道 6、密封固定装置 7、数显游标卡尺 8、探针游标固定块 9、单头电导探针探测器 10、外置电阻 11、电源 12、接地端 13、采集板卡 14、计算机。

具体实施方式：

下面将结合附图详述本发明的装置和应用方法：

一、电导探针的制作方法

如图1，本发明的单头电导探针探测器9主要由探针1和金属套管4组成。其中探针1的制作过程如下：首先采用电化学腐蚀的方法将电导探针1的电极制成锋利的针尖状，随后在电导探针1表面涂覆绝缘漆2并烘烤，上漆完成后，需要将探针尖端进行打磨，使其暴露出40～80μm的导电区域。针尖电极制作完成后，将其装入中空的金属套管4中，在针尖一端露出一定长度，保证探针1和金属套管4之间绝缘，在金属套管4距端部2cm左右位置处，将金属套管4连同探针1弯成90°，使单头电导探针探测器9为L型。为了防止金属套管4中进入导电液体影响绝缘效果，使用高强度胶团3封住金属套管4两端并将探针1固定住。

另外，探针1穿过金属套管4的部分可以填充绝缘材料，例如不导电的硅胶等，这样既可以使探针1和金属套管4绝缘，又可以使探针1固定在金属套管4的内部。

上述的探针1为导电金属制成的金属丝，例如不锈钢丝、铂丝、铜丝等，探针1的直径为0.2mm，检测部分为圆锥针尖状。金属套管由导电的金属材料制成，例如不锈钢、铜等，其直径为1mm。为了保证金属套管4始终与液相接触，其外壁连接有与液面始终接触的导线。

二、液膜厚度测量装置系统组成及测量方法

如图2，本发明的测量装置包括有电源11、单头电导探针探测器9、控制探针检测位置的夹持位移器和数据采集分析器，其中数据采集分析器包括有串联在电源11和单头电导探针探测器9之间的外置电阻10和测量外置电阻10两端电压的采集板卡13以及计算机数据采集处理软件系统，其特征在于，上述的单头电导探针探测器9包括有穿过金属套管4的探针1，在探测部分金属套管4和探针1为L型，探针1和金属套管4之间绝缘，且分别连接到电源11的正负极上。金属套管4和探针1为L型，这样测量的时候，L型的探针可以更有效的测量液面上的气泡。

组装时，将单头电导探针探测器9和控制探针移动距离的夹持位移器组装在一起，单头电导探针探测器9穿过所要检测的管道5上壁的小孔伸入管内，再通过密封固定装置6安装在管道5上。其中夹持位移器可以是现有的微步进控制仪器，还可以由数显游标卡尺7和探针游标固定块8组成，其中探针游标固定块8将单头电导探针探测器9和数显游标卡尺7的游标固定在一起，可随着游标的上下移动而改变针尖在管内的径向位置，数显游标卡尺7可以实现单头电导探针探测器9的探针1针尖绝对位置的高精度测量、就地显示以及数据远传，采集板卡13采用NI PCI-6143 S系列同步采集卡，将采集的针尖绝对位置数据传递到计算机14。

本发明提供的波动含气液膜的测量装置实质上构成了一个电路，该电路包括单头电导探针探测器9的探针1和金属套管4、5兆欧的外置电阻10和4.5V直流电源11。其中单头电导探针探测器9的探针1与外置内阻10、电源11依次串联，4.5V直流电源11的正极连接在探针金属套管4外壁上，并与接地端12相连，负极与单头电导探针探测器9的探针1相连。采集板卡13以10-40KHz的采样率对外置电阻10两端的电压进行采集，并将数据传递给计算机14。

本发明的装置用于导电液体波动含气液膜厚度的测量，其测量原理是基于气液相电阻的不同，气相电阻远大于液相。由于单头电导探针探测器9的探针1和金属套管4之间做了绝缘处理，因此，只有当金属套管4和探针1针尖都接触到导电液体的时候，电路才会联通；当探针1针尖接触到气相或液相中的小气泡时，电路断开。将探针1端部放入界面波动含气液膜中，使针尖朝向来流方向，在混合流体中液相为连续相，气体以小气泡的形式分散在液相中，金属套管4始终与连续的水相接触。当探针1针尖接触到液相时，电流将会流过探针1和金属套管4，由于外置电阻远大于水与导线电阻，而采集板卡13测量的是外置电阻10两端的电压，故信号输出高电平；当接触到混合流体中的小气泡或液膜波动界面的波谷气体时，探针1无法与金属套管4导通，电路断开，外置电阻10两端电压接近零，信号输出低电平。上下移动数显卡尺7的游标，与之相连的探针1随之移动，当其针尖接触气液界面之下时，信号输出高电平；当针尖向上移动到气液界面附近时，由于界面的波动和充气，针尖时而处于气相，时而处于液相，输出信号在高低电平之间不断变换；当针尖继续向上移动脱离液相进入气相时，信号显示低电平。采集板卡13将采集到的探针1的信号以及数显游标卡尺7的信号传递到计算机14，采用专门编制的Labview图形化数据采集分析软件对信号进行分析处理，计算出各个采集点处探针针尖的绝对位置以及此处的局部时均含气率和气泡频率，进行数据存储并在计算机显示器上实时显示。

另外，在测量的时候也可以使探针1先处于空气界面中，然后向下移动，直至到管道的最底部。

三、测量装置信号处理方法

计算机14上运行的Labview图形化数据采集分析软件采用双线程并行处理技术来实现实时采集与探针位移和含气率对应关系的计算，其中一个线程采集探针信号，另一个线程进行信号分析处理显示。在气液界面附近以较高的采样率采集一段时间(如2秒)后，可以得到一组随时间变化的原始电压信号，其中高电平时为液相，低电平时为气相。信号处理时，首先要对原始信号进行滤波，去除信号中的高频干扰噪声，这里采用的是五点光滑滤波。由于不同流动条件下水相的电阻率略有不同，这使得双头电导探针输出信号的基础电压，以及电压信号的变化幅度会存在一定差别，因此需要对双头电导探针的原始输出信号进行标准化处理，将原始信号转化为0-1之间的信号，消除原始信号中基础电压和电压信号的变化幅度不稳定的问题。另外由于探针端部尺寸有限，界面对探针的润湿/干燥需要一定时间，探针和电路系统需要一定的反应时间等原因，得到的原始信号并不是严格的方波信号，需要通过阈值处理将信号变成方波信号，然后才能进行参数的计算。

单头电导探针在气液流动测量时一般采用单阈值技术，即信号值大于阈值时设为高电平，小于阈值时设为低电平，在这里我们采用了高低电平差的50％作为阈值。

图3给出了某一工况下原始信号(Raw Signal)、标准化处理后的信号(Normalized Signal)和理想方波信号(Square Signal)的对比。通过对方波信号进行处理，可以得到局部时均含气率和气泡频率的值。其中局部时均含气率C表示为单头电导探针电极处于气相的时间累加值除以总的采样时间的比率：

$>C=\frac{1}{\mathrm{\Delta T}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(t_{\mathrm{TF}}-t_{\mathrm{TR}})}_j$>

其中AT是总的采样时间，N是采样时间内双头电导探针上游电极测量到的气泡总数，(t_TF-t_TR)_j是指第j个气泡的低电平持续时间。

气泡频率F是指单头电导探针单位时间内探测到的气泡数目，可直接对理想方波信号中的脉冲进行计数得到，其计算方法为：

$>F=\frac{N}{\mathrm{\Delta T}}$>

其中ΔT是总的采样时间，N是采样时间内双头电导探针上游电极测量到的气泡总数。

四、含气液膜厚度测量实施例

在内径50mm、外径70mm的有机玻璃管中使用此测量装置进行了空气-水分层流波动含气液膜厚度的测量，首先使探针针尖紧贴管道下壁面，记录探针针尖位于管底部时的绝对位置为0.00mm，并将探针1的L型迎向导电液体的流向，这样更容易测量到气泡，同直线型的探针相比，本发明装置的形状，以及测量时摆放的方向能够更加准确的测定液膜厚度。然后滑动探针游标固定块8，使单头电导探针探测器9的探针针尖位于气液界面区域以下的纯液相区域，此时由于水的导通作用，电流将会流过探针1和金属套管4，使得采集电路导通，信号持续输出高电平，此时含气率为0。缓慢向上滑动探针游标固定块8，使得探针针尖向上移动进入气液界面区域，此时由于液膜表面的波动和含气，针尖时而处于气相，时而处于液相，信号输出在高低电平之间变动，通过计算机14上的Labview图形化数据采集分析程序进行信号分析，计算出此处的局部时均含气率和气泡频率。在气液界面区域每隔一段微小距离测量一次含气率和气泡频率，当探针针尖刚进入气液界面区域时，输出信号以持续的高电平为主，偶尔因夹带的小气泡出现低电平(见附图4，此时含气率为3％)；向上移动探针针尖到新的位置，输出信号中低电平的数目逐渐增多(见附图5，此时含气率为50％)；继续向上移动探针针尖，输出信号中高电平变得稀少，以低电平为主(见附图6，此时含气率为90％)。继续向上移动游标，使探针针尖离开气液界面区域进入气相，此时由于电路断开，信号持续输出低电平，此时含气率为100％。

如此上下移动探针针尖取多点进行测量，数据采集分析程序计算的探针位移与局部含气率、气泡频率实时显示在屏幕上，且可以存储在硬盘上，从而实时检测位移与含气率的关系，得到含气率和气泡频率沿界面垂线方向位移变化的关系曲线(见附图7)，从而判断液膜厚度。例如可取50％含气率时探针的绝对位置为13.15mm，此对应位置为气液界面，从图7中可以看出50％含气率位置正好对应最大气泡频率位置，此处为气液过渡的正中间位置，可以认为是气液界面位置，以此标准得到附图7中的液膜厚度为13.15mm。如果选择90％含气率时探针1的绝对位置与探针1位于管底部时的绝对位置之差为液膜的厚度时，所获得的液膜厚度为13.78mm。