环状流局部动态液膜平均厚度的直接测量方法

摘要

本发明涉及一种环状流局部动态液膜平均厚度的直接测量方法，用于测量在管道里流动的导电液体的液膜，所采用的数据测量模块包括直流稳压电源、插入深度可调的接触探针传感器以及一个精密电阻；插入深度可调的接触探针传感器，包括螺旋测微器6、双平行接触探针2、连接部件9、固定支架3、可伸缩支架7和弹簧8。测量方法如下：当导电液体淹没探针下端时，两个探针之间导通，整个电路构成回路，电流流经精密电阻，其两端的电压不为零，两个探针之间没有液体时，精密电阻两端的电压为零，连续测量时，表现为不同的占空比，得到对应插入深度的电压信号，最后数据处理模块计算出局部动态液膜的平均厚度。

权利要求

1.一种环状流局部动态液膜平均厚度的直接测量方法，用于测量在管道里流动的导电液体的液膜，所采用的测量系统包括数据测量模块、数据采集模块以及数据处理模块，其中，数据测量模块包括直流稳压电源、插入深度可调的接触探针传感器以及一个精密电阻；

所述的插入深度可调的接触探针传感器，包括螺旋测微器(6)、双平行接触探针(2)、连接部件(9)、固定支架(3)、可伸缩支架(7)和弹簧(8)，其中，螺旋测微器(6)的主体固定于固定支架(3)上；连接部件(9)包括外壳(10)，固定连接在外壳(10)上支撑环，金属杆(13)与支撑环(12)内侧紧贴；螺旋测微器(6)的测量端与连接部件(9)的金属杆(13)相连；双平行接触探针(2)固定在连接部件(9)外壳的下部；连接部件(9)通过可伸缩支架(7)与固定支架(3)相连，在可伸缩支架(7)的竖杆外设置有弹簧，弹簧置于固定支架与连接部件(9)之间；

双平行接触探针(2)除探针下端外均涂上疏水材料；直流稳压电源提供的稳压源加载在相互串联的精密电阻和双平行接触探针(2)上，精密电阻两端的电压由数据采集模块采集后被送入数据处理模块；测量方法如下：当导电液体淹没探针下端时，两个探针之间导通，整个电路构成回路，电流流经精密电阻，其两端的电压不为零，两个探针之间没有液体时，精密电阻两端的电压为零，连续测量时，表现为不同的占空比，根据精度要求的不同，利用螺旋测微器选定双平行接触探针的插入深度增量值，得到对应插入深度的电压信号，最后数据处理模块计算出局部动态液膜的平均厚度，测量方法为：将一对双平行接触探针插入管内，使探针下端位于液膜附近，当探针下端位于液膜表面与液体接触时，探针头之间形成了导电通路；当探针头在液膜表面之上不与液膜接触时，则电路处于开路，通过测出精密电阻两端的电压可判断液膜是否与探针头相接触；调节螺旋测微器，使接触探针的插入深度逐渐增加，当采集数据中开始出现非零信号时记下此时的插入深度值与其对应电压信号时间序列；根据精度要求的不同，选定探针传感器的插入深度增量值，继续往下调节螺旋测微器，依次记下每一个插入深度值与其对应的电压信号时间序列，直到检测的电压信号保持为非零电压；将插入深度值转为化液膜厚度值，将电压信号时间序列转化为插入深度值对应的占空比，按从小到大排序后把占空比逐个做差可得到每一个液膜厚度值对应的权值，设液膜厚度序列为hi，其对应的权值序列为wi，i＝1,2,

3,…,N，故而得到平均液膜厚度值H＝(h1×w1+h2×w2+h3×w3+…+hN×wN)。

2.根据权利要求1所述的直接测量方法，其特征在于，所述的支撑环包括相互连接的金属环外圈(11)和位于金属环外圈(11)内的橡胶环(12)。

说明书

环状流局部动态液膜平均厚度的直接测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种环状流局部动态液膜平均厚度的测量方法。

背景技术

[0002] 多相流动过程广泛存在于石油、化工、冶金、供水、医学、及环境工程等诸多部门和工业过程中，是现今国际国内广泛关注的重要研究领域。多相流动体系，通常是由两种连续介质和若干种不连续介质组成的。根掘流体中包括物质相数目的不同多相流一般可以分为两相和三相流。根据组分物理状态的不同，两相流一般又分为气/液、气/固、液/固、液/液(如油/水)两相流；三相流一般分为气/液/液、气/液/固三相流等。存在于多相流气液界面中的液膜厚度不仅对气液两相流的传热、传质和阻力特性有很大的影响，而且也是计算多相流体动力学的基础，因此正确有效地对液膜厚度进行测量就成为了解这些特性的关键。到目前为止，主要有以下5种液膜测量方法：(1)电导法；(2)电容法；(3)光学法；(4)声波法(5)核辐射法。电导法的基本原理是液膜高度与其电导存在一定的对应关系，通过测得电导从而得到液膜厚度，此方法只限于导电液体。电容法的主要原理是，气液两相具有不同的介电常数，通过两个电极间的电容变化来反映电极间液相的厚度变化，但是电容法受气液两相流流型和温度变化影响较大，适用于方形管道。光学法是测量精度较高的方法之一，其中界面检测法、激光散射法和荧光强度法，一般都需要在液相中加入染色剂、乳胶粒子或荧光剂，其加入质量浓度的准确性、激发光强度变化和时间空间变化直接关系到液膜厚度测量不确定度，其在液相中的均匀性无法保证，且其属于易耗品，仅适用于实验室测量，限制了其推广应用；光影法通过照相机记录由于液膜反射折射形成的阴影来测量液膜厚度，该方法实时性较差，无法快速响应液膜的变化；激光焦点位移法和干涉法对薄液膜厚度的测量十分有效，分辨率高，但是两种测量系统结构复杂，对传感器性能要求很高，由于透明管道的使用限制了其在中高压液膜厚度测量中的使用；光衰减法中，可见光衰减法仅仅适用于对可见光有吸收作用的半透明介质，中红外衰减法由于强大的吸收作用，仅适用于2-30μm极薄液膜的测量。声波法基于超声波技术，其描绘流型特征功能强大，利用其穿过不连续介质时会发生衰减和反射原理来测量液膜厚度，但其不能够测量波状液膜，会造成反射后的超声波探测困难。核辐射法缺点具有很强的放射性，使用时需要必要的沉重的安全防护，限制了其在工业现场中的应用。

发明内容

[0003] 本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种环状流局部动态液膜平均厚度的直接测量方法。

[0004] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

[0005] 一种环状流局部动态液膜平均厚度的直接测量方法，用于测量在管道里流动的导电液体的液膜，所采用的测量系统包括数据测量模块、数据采集模块以及数据处理模块，其中，数据测量模块包括直流稳压电源、插入深度可调的接触探针传感器以及一个精密电阻；

[0006] 所述的插入深度可调的接触探针传感器，包括螺旋测微器6、双平行接触探针2、连接部件9、固定支架3、可伸缩支架7和弹簧8，其中，螺旋测微器6的主体固定于固定支架3上；连接部件9包括外壳10，固定连接在外壳10上支撑环，金属杆13与支撑环12内侧紧贴；螺旋测微器6的测量端与连接部件9的金属杆13相连；双平行接触探针2固定在连接部件9外壳的下部；连接部件9通过可伸缩支架7与固定支架3相连，在可伸缩支架7的竖杆外设置有弹簧，弹簧置于固定支架与连接部件9之间；双平行接触探针2除探针下端外均涂上疏水材料；直流稳压电源提供的稳压源加载在相互串联的精密电阻和双平行接触探针2上，精密电阻两端的电压由数据采集模块采集后被送入数据处理模块。测量方法如下：当导电液体淹没探针下端时，两个探针之间导通，整个电路构成回路，电流流经精密电阻，其两端的电压不为零，两个探针之间没有液体时，精密电阻两端的电压为零，连续测量时，表现为不同的占空比，根据精度要求的不同，利用螺旋测微器选定双平行接触探针的插入深度增量值，得到对应插入深度的电压信号，最后数据处理模块计算出局部动态液膜的平均厚度。

[0007] 作为优选实施方式，所述的支撑环包括相互连接的金属环外圈11和位于金属环外圈11内的橡胶环12。

[0008] 测量方法可以为：将一对双平行接触探针插入管内，使探针下端位于液膜附近，当探针下端位于液膜表面与液体接触时，探针头之间形成了导电通路；当探针头在液膜表面之上不与液膜接触时，则电路处于开路，通过测出精密电阻两端的电压可判断液膜是否与探针头相接触；调节螺旋测微器，使接触探针的插入深度逐渐增加，当采集数据中开始出现非零信号时记下此时的插入深度值与其对应电压信号时间序列；根据精度要求的不同，选定探针传感器的插入深度增量值，继续往下调节螺旋测微器，依次记下每一个插入深度值与其对应的电压信号时间序列，直到检测的电压信号保持为非零电压；将插入深度值转为化液膜厚度值，将电压信号时间序列转化为插入深度值对应的占空比，按从小到大排序后把占空比逐个做差可得到每一个液膜厚度值对应的权值，设液膜厚度序列为hi，其对应的权值序列为wi，i＝1,2,3,…,N，故而得到平均液膜厚度值H＝(h1×w1+h2×w2+h3×w3+…+hN×wN)。

[0009] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

[0010] (1)由直流稳压电源模块提供稳压源，与一个精密电阻、插入深度可调的接触探针传感器串联，数据采集模块用于采集精密电阻两端的电压，通过调节的螺旋测微器的插入深度得到对应电压信号实现了对液膜厚度的直接测量。

[0011] (2)根据精度要求的不同，选定探针传感器的插入深度增量值，即得到不同个数的液膜厚度，可以满足不同精度要求下的测量。

[0012] (3)由于插入深度可调的接触探针结构的特殊设计，实现了螺旋测微器旋转但与其相连的接触探针不旋转的特殊功能，有效的解决了引出导线缠绕的问题。

附图说明

[0013] 图1为插入深度可调的接触探针传感器

[0014] 图2为插入深度可调的接触探针传感器连接部件结构图

[0015] 图3为优化的加权平均厚度算法原理图

[0016] 图4为环状流局部动态液膜平均厚度的直接测量系统具体结构连接图[0017] 图5为测量电路连接图

[0018] 图6为测量方法流程图

[0019] 图中标号说明：1管道；2双平行接触探针；3固定支架；4固定螺丝；5引出导线；6螺旋测微器；7可伸缩支架；8弹簧；9连接部件；10有机玻璃外壳；11金属环外圈；12橡胶环；13金属杆

具体实施方式

[0020] 该系统包括数据测量模块、数据采集模块以及数据处理模块。其中，数据测量模块包括直流稳压电源、插入深度可调的接触探针传感器以及一个精密电阻；数据采集模块包括数据采集卡、计算机与数据采集软件；数据处理模块包括计算机以及实现加权平均厚度算法的软件。该装置通过直流稳压电源模块提供稳压源，与一个精密电阻、插入深度可调的接触探针传感器串联，数据采集模块用于采集精密电阻两端的电压，当导电液体淹没探针探头时，两个探针之间导通，整个电路构成回路，电流流经精密电阻，其两端的电压不为零，两个探针之间没有液体时，精密电阻两端的电压为零，连续测量时，表现为不同的占空比，根据精度要求的不同，选定探针传感器的插入深度增量值，得到对应插入深度的电压信号，最后数据处理模块采用加权平均厚度算法计算出局部动态液膜的平均厚度。

[0021] 为了能做到对环状流局部动态液膜平均厚度的直接测量，将一对双平行接触探针插入管内，使探针位于液膜附近，上端与固定在管壁上的螺旋测微器相连，其引线与精密电阻、直流稳压电源相连，当探针头位于液膜表面与液体接触时，探针头之间形成了导电通路；当探针头在液膜表面之上不与液膜接触时，则电路处于开路。通过测出由此构成电路中的精密电阻两端的电压可判断液膜是否与探针头相接触。调节螺旋测微器，使接触探针的插入深度逐渐增加，当采集数据中开始出现非零信号时记下此时的插入深度值与其对应电压信号时间序列；根据精度要求的不同，选定探针传感器的插入深度增量值，继续往下调节螺旋测微器，依次记下每一个插入深度值与其对应的电压信号时间序列，直到检测的电压信号保持为非零电压。将插入深度值转为化液膜厚度值，将电压信号时间序列转化为插入深度值对应的占空比，按从小到大排序后把占空比逐个做差可得到每一个液膜厚度值对应的权值，假设液膜厚度序列为hi(i＝1,2,3,…,N)，其对应的权值序列为wi(i＝1,2,3,…,N)，故而得到平均液膜厚度值H＝(h1×w1+h2×w2+h3×w3+…+hN×wN)。

[0022] 为了实现插入深度可调的接触探针的功能，结构设计如下：包括螺旋测微器6、双平行接触探针2、连接部件9、固定支架3、可伸缩支架7、弹簧8以及引出导线5，其连接部件又包括有机玻璃外壳10，金属环外圈11，橡胶环12，金属杆13。双平行接触探针2除探针前端1mm外均涂上疏水材料，以排除表面张力带来的测量误差。连接部件9中的有机玻璃外壳10，金属环外圈11，橡胶环12用强力胶黏合，金属杆13放置在中心处，其上端与橡胶环12内侧紧密贴合，其下端与橡胶环12低端紧密贴合，可达到自由旋转但上下固定作用。对螺旋测微器
6进行改造，将其下端与连接部件9的金属杆13相连，在连接部件9的下端安装双平行接触探针2，将以上整体通过固定支架3安装在管道上，再通过可伸缩支架7将连接部件9与固定支架3相连，其可伸缩支架7为空心管，将双平行接触探针2的两个电级通过可伸缩支架7引出，在其伸缩支架7外为一根弹簧8，增加双平行接触探针2与螺旋测微器6的应力，减小水流冲击双平行接触探针2带来的测量误差。

[0023] 将装有插入深度可调节的接触探针实验管段接到两相流系统中，参见图4，与一个精密电阻、直流稳压电源串联，参见图5。调节气相、液相流速使在实验管段中形成环状流并保持稳定。调节螺旋测微器，使接触探针的插入深度缓慢变大，当采集数据中开始出现非零信号时记下此时的深入深度值与其对应的电压信号时间序列；根据精度要求的不同，选定探针传感器的插入深度增量值，继续往下调节螺旋测微器，采集每一个插入深度值的电压信号时间序列。将采集软件采集到的数据导入到Excel表格中，把插入深度值的序列转化为液膜厚度序列，把电压信号时间序列转化为占空比，在Excel表格中按液膜厚度从高到低进行排序。检查排序后的数据中占空比是否按照从低到高排序，如果是，采集数据可用于计算动态液膜平均厚度，如果不是，则说明采集数据时流动形态未达到稳态，需要再次测量。

[0024] 将采集5次插入深度值的情况举例，如图3，假设虚线框内为采样范围，其中，h1对应的占空比为t1/t，h2对应的占空比为t2/t，h3对应的占空比为t3/t，h4对应的占空比为t4/t，h5对应的占空比为t5/t，红色斜线面积为h1和t1的乘积，绿色方块面积为h2和(t2-t1)的乘积，紫色网状面积为h3和(t3-t1)的乘积，蓝色横线面积为h4和(t4-t3)的乘积，黄色竖线面积为h5和(t5-t4)的乘积，而平均厚度h与t的乘积近似为以上面积总和，故而得到平均厚度h＝(h1×t1+h2×(t2-t1)+h3×(t3-t1)+h4×(t4-t3)+h5×(t5-t4))/t。