專(zhuān)利名稱(chēng)：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)明屬于流體測(cè)量領(lǐng)域，涉及氣液兩相流的流動(dòng)速度、方向和氣體含量的測(cè)量工具，是一種同時(shí)測(cè)量氣液兩相流的速度、方向與氣體含量的傳感器。
背景技術(shù)：
氣液兩相流的流動(dòng)是工程上最常見(jiàn)的復(fù)雜現(xiàn)象，例如水輪機(jī)械中的轉(zhuǎn)子周?chē)牧黧w流動(dòng)、輸油管道中的流體的流動(dòng)等等。設(shè)計(jì)、分析這類(lèi)流體機(jī)械需要兩相流流場(chǎng)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(kāi)發(fā)出多種測(cè)量?jī)上嗔髁鲃?dòng)速度和氣、液各相含量的實(shí)驗(yàn)方法和工具。例如，粒子成像技術(shù)(PIV)、激光多普勒測(cè)速技術(shù)(LDV)、熱膜測(cè)量技術(shù)、雙頭光纖測(cè)量技術(shù)等。但是這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅價(jià)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(cè)量在兩相流標(biāo)定上有困難，精度低；而光纖測(cè)量一般只能用于已知速度方向的前提下的速度大小的測(cè)量。一類(lèi)使用壓力傳感器和導(dǎo)電電極同時(shí)測(cè)量?jī)上嗔鞯乃俣扰c氣體含量的方法是一種實(shí)用、有效、簡(jiǎn)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(gè)整體的傳感器，利用壓力探頭測(cè)量?jī)上嗔鞯牧魉俸头较?，用?dǎo)電電極測(cè)量氣體的含量。但此項(xiàng)技術(shù)目前多見(jiàn)于氣液兩相流二維流速的測(cè)量。此外，因?yàn)橐粋€(gè)整體的傳感器的測(cè)量端需要包含同時(shí)測(cè)量?jī)上嗔魉俣扰c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(lèi)傳感器的測(cè)量端的體積過(guò)大，無(wú)法保證測(cè)量的空間精度，對(duì)流場(chǎng)也有明顯擾動(dòng)。眾所周知，大量流體機(jī)械，包括水輪機(jī)轉(zhuǎn)子中的流動(dòng)的流動(dòng)等都是高度三維的流動(dòng)，所以急需一種能夠精確測(cè)量氣液兩相流的三維流動(dòng)速度，同時(shí)能夠精確測(cè)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(gè)外形呈長(zhǎng)圓柱形、端部呈圓錐臺(tái)形狀的測(cè)量探頭、四個(gè)壓力傳感器、三個(gè)導(dǎo)電電極、一個(gè)壓力傳感器的背壓平衡器、一個(gè)基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路。上述部件的連接關(guān)系是:測(cè)量探頭上的四個(gè)壓力孔通過(guò)管路連接到四個(gè)壓力傳感器的一端；四個(gè)壓力傳感器的另一端連接到一個(gè)壓力傳感器的背壓平衡器；測(cè)量探頭上的三個(gè)電極孔內(nèi)安裝三個(gè)導(dǎo)電電極；三個(gè)導(dǎo)電電極連接到一個(gè)基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路。上述測(cè)量探頭的測(cè)量端，也就是外形呈圓錐臺(tái)的一端，是多孔結(jié)構(gòu)的。這些孔包括壓力孔和電極孔。測(cè)量速度時(shí)，該傳感器與多孔壓力探頭的工作原理一樣，利用多個(gè)壓力孔中的壓差值可以確定流體的流動(dòng)速度和三維方向。電極孔中安裝金屬導(dǎo)電電極，可以測(cè)量?jī)上嗔髦袣怏w的含量。
_9] 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(zhǎng)圓柱形的、在其測(cè)量端端部呈圓錐臺(tái)形狀的測(cè)量探頭，圓錐臺(tái)外角在30°至45°之間。圖1是傳感器的測(cè)量探頭的測(cè)量端的外觀圖。沿著測(cè)量探頭(I)的中心軸線(xiàn)，在圓錐臺(tái)一端，有一個(gè)中心孔，沿著其圓周方向在周?chē)鶆虻胤植贾鶄€(gè)間隔60°的孔，其中三個(gè)間隔120°的孔和中心孔作為四個(gè)壓力孔，其余三個(gè)間隔也是120°的孔作為電極孔。中心孔，也稱(chēng)作動(dòng)壓孔(4)，和其中三個(gè)間隔120°的周邊孔，也稱(chēng)作靜壓孔(5)，是壓力孔。另外三個(gè)周邊孔是電極孔，間隔也是120°，與壓力孔交錯(cuò)分布。圖2是傳感器的測(cè)量探頭測(cè)量端的頂視圖；圖3是圖2的A_A剖視圖。三個(gè)金屬導(dǎo)電電極(3)由絕緣塑料塞子(2)固定在三個(gè)電極孔中，電極伸出圓錐面表面，但不伸出過(guò)于測(cè)量探頭的圓錐臺(tái)頂部。中心孔和其余三個(gè)壓力孔通過(guò)柔性或剛性連接管分別與四個(gè)壓力傳感器相連，電極與基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路相連。測(cè)量時(shí)，將測(cè)量探頭(I)放入兩相流流場(chǎng)中，四個(gè)壓力傳感器分別反饋三個(gè)靜壓孔和一個(gè)動(dòng)壓孔中的三個(gè)壓差值，可以求得當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)速度大小和三維方向。三個(gè)導(dǎo)電電極中的任意兩個(gè)組合成為一個(gè)電極對(duì)，通過(guò)測(cè)量該電極對(duì)的輸出電壓變化判定兩相流中的氣體含量。即測(cè)量由三個(gè)導(dǎo)電電極中的兩個(gè)組成的電極對(duì)間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(cè)量探頭(I)的工作原理是，將測(cè)量探頭測(cè)量端的壓力孔和電極孔編號(hào)，編號(hào)策略如圖4所示。三個(gè)編號(hào)為孔2(13)、孔3(8)、孔4(11)的靜壓孔均勻地分布在編號(hào)為孔1(10)的動(dòng)壓孔周?chē)?。?duì)于一定速度和方向的來(lái)流，靜壓孔2(13)、3⑶、4(11)會(huì)感受到不同的壓力，它們和動(dòng)壓孔1(10)之間的壓差也不同，利用三個(gè)不同的壓差值獲得三維速度分量的方法是公知的，不再敘述。三個(gè)編號(hào)分別為電極El (7)、電極E2 (9)、電極E3 (12)的導(dǎo)電電極，連接到一個(gè)基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路。所說(shuō)的基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路選擇沿著圓周方向分布的三個(gè)壓力孔中具有最大壓力值的孔的相鄰的兩個(gè)導(dǎo)電電極為一對(duì)可用電極對(duì)。即根據(jù)測(cè)量過(guò)程中選擇具有最大壓力值的靜壓孔的相鄰的兩個(gè)導(dǎo)電電極為一對(duì)可用電極對(duì)。例如，如果靜壓孔4(11)中的壓力值最大，說(shuō)明流體主要是附著在孔4(11)附近，與之最近的電極E2(9)和E3(12)被啟用為電極對(duì)。如果動(dòng)壓孔(10)中的壓力在四個(gè)壓力孔中最大，說(shuō)明流動(dòng)主要是沿著測(cè)量探頭軸向而來(lái)，則隨機(jī)選擇兩個(gè)電極為可用電極對(duì)。使用該傳感器之前，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。需要獲得四個(gè)壓力孔的壓力系數(shù)和三維流動(dòng)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(duì)的輸出電壓值與氣體含量之間的三條關(guān)系曲線(xiàn)。測(cè)量時(shí)將測(cè)量探頭的定向與標(biāo)定時(shí)一致，壓力孔和電極孔的編號(hào)與標(biāo)定時(shí)一致。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)首先采樣四個(gè)壓力值，然后，啟動(dòng)基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路，根據(jù)具有最大壓力值的靜壓孔的編號(hào)，選擇電極對(duì)。輸出的壓力系數(shù)和電極對(duì)的電壓值通過(guò)對(duì)包含在數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中的傳感器的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行插值運(yùn)算，最終獲得測(cè)量點(diǎn)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(diǎn):利用本發(fā)明提供的傳感器可以直接測(cè)量氣液兩相流的流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)獲得兩相流的壓力、三維速度分量和氣相含量等信息。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(chēng)為一個(gè)整體，保證了測(cè)量的空間精度，而且對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)小、測(cè)量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、使用方便。可以用來(lái)測(cè)量一些流體機(jī)械，如水輪機(jī)轉(zhuǎn)子周?chē)目諝?水的兩相流流動(dòng)、輸油管道中的兩相流流動(dòng)。[0017]
圖1是測(cè)量探頭的測(cè)量端的外觀圖；圖中，I測(cè)量探頭、2塑料絕緣塞子、3導(dǎo)電電極、4動(dòng)壓孔，5靜壓孔。圖2是測(cè)量探頭的測(cè)量端的頂視圖；圖中，I測(cè)量探頭、2塑料絕緣塞子、5靜壓孔、4動(dòng)壓孔、3導(dǎo)電電極。圖3是圖2的A_A剖視圖；圖中，I測(cè)量探頭、2塑料絕緣塞子、3導(dǎo)電電極、4動(dòng)壓孔、6圓錐臺(tái)外角、5靜壓孔。圖4是測(cè)量探頭測(cè)量端的壓力孔和電極孔的編號(hào)策略；圖中，7電極El、8孔3、9電極E2、10孔1、11孔4、12電極E3、13孔2。圖5是氣-水兩相流的成分與速度的傳感器的結(jié)構(gòu)方案圖；圖中，I測(cè)量探頭、4動(dòng)壓孔、5靜壓孔、14基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路、15導(dǎo)線(xiàn)、16鉬金導(dǎo)電電極、17不銹鋼連接管、18壓力傳感器、19壓力傳感器背壓平衡器。圖6是壓力傳感器背壓平衡器的原理圖。圖中，20壓力孔連接管、21背壓平衡管、22提供水壓的水頭、23電控節(jié)流閥、24流量計(jì)、18壓力傳感器。
具體實(shí)施方式
以一個(gè)具體實(shí)施方案進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)。具體是測(cè)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(gè)由不銹鋼材料制成的、外形呈長(zhǎng)圓柱形、其端部呈圓錐臺(tái)形狀的測(cè)量探頭(I)。其外觀與圖1所示一致。沿著測(cè)量探頭的中心軸線(xiàn)，在測(cè)量端，也就是端部呈圓錐臺(tái)形狀的一端，有一個(gè)中心孔，也稱(chēng)動(dòng)壓孔(4)，沿著圓周方向均勻地分布著另外六個(gè)間隔60°的孔，其中三個(gè)是靜壓孔(5)，三個(gè)是電極孔。靜壓孔和電極孔彼此交錯(cuò)分布。動(dòng)壓孔和靜壓孔統(tǒng)稱(chēng)為壓力孔。所有孔的直徑為0.8mm至1mm，測(cè)量探頭(I)直徑為5mm。意味著測(cè)量的空間精度為5mm，同時(shí)意味著在測(cè)量時(shí)需要假設(shè)在這個(gè)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(gè)電極孔的中心距離不超過(guò)3mm。圖2、圖3也分別表示了這個(gè)具體實(shí)施方案中的測(cè)量探頭測(cè)量端的頂視圖以及A-A剖視圖。此時(shí)，圖3中圓錐臺(tái)外角(6)為30°。此角度過(guò)小會(huì)使動(dòng)壓孔和靜壓孔的壓差值不明顯，喪失測(cè)量精度，而過(guò)大會(huì)增大測(cè)量探頭端部的體積，失去空間精度。本實(shí)施方案中，四個(gè)壓力孔通過(guò)細(xì)不銹鋼連接管(17)接到遠(yuǎn)處的四個(gè)壓力傳感器(18)。本實(shí)施方案不采用壓力傳感器和壓力孔近距離相連的方法。因?yàn)槟菢颖仨殞毫鞲衅靼跍y(cè)量探頭里，會(huì)使測(cè)量端體積過(guò)大，即使是體積微小的壓力傳感器，會(huì)使小尺度空間的測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。此外，本實(shí)施方案也不采用柔性連接管，以防止柔性連接管對(duì)壓力傳播的阻尼，使壓力信號(hào)衰減。三個(gè)鉬金導(dǎo)電極(16)直徑為0.4mm,由絕緣塑料塞子固定在三個(gè)電極孔中，電極伸出圓錐表面，與探頭的圓錐臺(tái)頂部齊平。伸出的鉬金導(dǎo)電電極(16)可以接觸到附著在測(cè)量探頭(I)測(cè)量端上的、來(lái)自任何方向的流體，因而，兩相流中的空氣會(huì)接觸到電極，使電極的輸出電壓發(fā)生變化。鉬金導(dǎo)電電極(16)的另一端與一個(gè)基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路(14)相連。測(cè)量探頭⑴測(cè)量端的壓力孔和電極孔的編號(hào)策略與圖4 一致。利用四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。針對(duì)這個(gè)兩相流的壓力測(cè)量的具體實(shí)施例子，需要對(duì)壓力傳感器和壓力孔的連接作改進(jìn)。因?yàn)閴毫缀筒讳P鋼金屬連接管的直徑都很細(xì)，兩相流進(jìn)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(huì)在細(xì)管內(nèi)聚集，或者粘連在壁面，甚至堵塞細(xì)管。這一切都會(huì)使兩相流的壓力測(cè)量失敗。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明需要使用一個(gè)壓力傳感器的背壓平衡器(19)，其原理圖見(jiàn)圖6。該圖同時(shí)也是圖5中的標(biāo)記19的展開(kāi)圖。圖中表示，壓力傳感器的背壓平衡器(19)包括一個(gè)提供液體壓力的壓頭(22)，經(jīng)過(guò)四個(gè)獨(dú)立控制的電控節(jié)流閥(23)和流量計(jì)(24)，連接到四個(gè)壓力傳感器(18)，再通過(guò)壓力孔連接管(20)連接到測(cè)量探頭(I)上的四個(gè)壓力孔。背壓平衡管(21)中的壓力由節(jié)流閥(23)和流量計(jì)
(24)控制。此實(shí)施例中，壓力孔連接管(20)既是圖5中的不銹鋼連接管(17)。測(cè)量時(shí)，壓力孔連接管(20)內(nèi)始終充滿(mǎn)已知壓力的水，形成背壓，使得來(lái)自測(cè)量探頭(I)測(cè)量端的兩相流中的氣泡不能進(jìn)入連接管，保證了兩相流壓力的測(cè)量的可靠性。四個(gè)壓力傳感器(18)感受到的是動(dòng)壓孔和靜壓孔內(nèi)的動(dòng)壓和靜壓與背壓平衡管(21)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(shí)使用。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)在基于Windows XP系統(tǒng)下的LabView開(kāi)發(fā)環(huán)境中運(yùn)行的。硬件部分還包括信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集板等。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的采樣時(shí)間足夠長(zhǎng)以保證數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)指揮運(yùn)行基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路。使用該傳感器之前，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，獲得四個(gè)壓力孔的壓力系數(shù)和流動(dòng)方向(以繞測(cè)量探頭軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度α°和繞與測(cè)量探頭軸線(xiàn)垂直的軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)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(xiàn)。將測(cè)量探頭放入流場(chǎng)中，通過(guò)三個(gè)靜壓孔和動(dòng)壓孔的三個(gè)壓差值可以求得當(dāng)?shù)貎上嗔髁鲃?dòng)速度大小和三維方向；電極對(duì)的電壓值變化量可以測(cè)量?jī)上嗔髦械目諝獬煞值暮?br> Mo
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(gè)外形呈長(zhǎng)圓柱形、端部呈圓錐臺(tái)形狀的測(cè)量探頭、四個(gè)壓力傳感器、一個(gè)壓力傳感器的背壓平衡器、三個(gè)導(dǎo)電電極、一個(gè)基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路，上述部件的連接關(guān)系是: 測(cè)量探頭上的四個(gè)壓力孔通過(guò)管路連接到四個(gè)壓力傳感器的一端； 四個(gè)壓力傳感器的另一端連接到一個(gè)壓力傳感器的背壓平衡器； 測(cè)量探頭上的三個(gè)電極孔內(nèi)安裝三個(gè)導(dǎo)電電極； 三個(gè)導(dǎo)電電極連接到一個(gè)基于壓力信號(hào)的電極對(duì)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(shuō)的測(cè)量探頭中心軸線(xiàn)，在圓錐臺(tái)一端，有一個(gè)中心孔，沿著其圓周方向在周?chē)鶆虻胤植贾鶄€(gè)間隔60°的孔，其中三個(gè)間隔120°的孔和中心孔作為四個(gè)壓力孔，其余三個(gè)間隔也是120°的孔作為電極孔。
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:三個(gè)導(dǎo)電電極中的任意兩個(gè)組合成為一個(gè)電極對(duì)，通過(guò)測(cè)量該電極對(duì)的輸出電壓變化判定兩相流中的氣體含量。
4.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:所述的中心孔和其余三個(gè)壓力孔通過(guò)柔性或剛性連接管與四個(gè)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(gè)導(dǎo)電電極由絕緣塑料塞子固定在電極孔中，電極伸出圓錐面表面，但不伸出過(guò)于測(cè)量探頭的圓錐臺(tái)頂部。
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(shuō)的壓力傳感器的背壓平衡器包括一個(gè)提供液體壓力的壓頭，經(jīng)過(guò)四個(gè)獨(dú)立控制的電控節(jié)流閥和流量計(jì)，連接到四個(gè)壓力傳感器。
7.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(shuō)的基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路選擇沿著圓周方向分布的三個(gè)壓力孔中具有最大壓力值的孔的相鄰的兩個(gè)導(dǎo)電電極為一對(duì)可用電極對(duì)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種氣液兩相流的速度與氣體含量的傳感器。包括一個(gè)外形呈長(zhǎng)圓柱形、測(cè)量端部呈圓錐臺(tái)形狀的測(cè)量探頭、四個(gè)壓力傳感器、一個(gè)用于壓力傳感器的背壓平衡器、三個(gè)導(dǎo)電電極、一個(gè)基于壓力信號(hào)的電極對(duì)選擇電路和數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)。沿著測(cè)量探頭中心軸線(xiàn)，在測(cè)量端有一個(gè)中心孔，沿著圓周方向均勻地分布著另外六個(gè)孔，中心孔和其中三個(gè)孔是壓力孔，另外三個(gè)是電極孔。中心孔和電極孔交錯(cuò)排列。利用四個(gè)壓力孔的壓差值可以確定兩相流體的三維流動(dòng)速度和方向，同時(shí)利用導(dǎo)電電極可以測(cè)量?jī)上嗔髦袣怏w的含量。
文檔編號(hào)G01N27/00GK203053999SQ201220480358
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
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