（检测技术与自动化装置专业论文）电导式纵向多极阵列油水两相流测量方法研究.pdf

中文摘要 摘要：本文对于油水两相流的测量问题，提出了一种由八个金属环型电极构 成的新型电导式纵向多极阵列传感器。纵向多极阵列由八个环形金属电极沿管道 轴向方向以一定间距平滑镶嵌在管道内部构成。多极阵列的八个电极中包含了一 对激励电极、一对相含率测量电极以及两对流速测量电极，从而可以实现两相流 相含率和流体速度的同时测量。由于现有环形传感器的结构尺寸在经验基础上或 者是在对管道内部场分布的简单考察基础上提出的，因此仍需提出一套具体的纵 向多极阵列的优化方案对其进行定量考察，以保证在测量时多极阵列传感器能够 从流体的电场分布区域获取到尽可能多的流体分布信息，以提高两相流流量测量 的精度。文中使用有限元方法对多电极阵列模型进行了优化计算。首先计算了电 极阵列内部的电场分布，并提出了场分布的轴向均匀度和径向均匀度概念，并对 多极阵列传感器内部的电场分布进行了定量考察。在此基础上利用定义的灵敏度 概念，对不同的电极间距参数，计算出了相含率和速度测量电极对测量区域流体 的灵敏度特性分布，并尽可能地保证了相含率测量电极对测量的流体区域的不同 位置具有同等灵敏度的测量要求。为了保证测量电极能够从流体区域获得尽可能 多的流场信息，文中通过定义的全新概念“总信息量”、“有效信息量”、“有效信 息比”以及“最优结构尺寸评判指标”对电极进行了进一步的深入考察，最终得出 了纵向多极阵列传感器的最优结构尺寸。 在对测量传感器优化的基础上，文中对两相流的相含率和速度测量模型进行 了考察和研究，并利用两相流体的运动波理论对测量数据进行了深入分析，进一 步揭示了利用相关方法获得的流体速度的实际物理含义。 文中提出的一套阵列式传感器的优化方法可以扩展用于对类似的，如平板电 极、环形电极等用于两相流测量的电导式传感器进行优化和设计。根据油水两 相流离散相和导电的连续相水之间存在明显电导率差异的特性，本文提出的电导 式纵向多极阵列传感器以及使用的流体的测量模型可以扩展用于如气液、固 液等非导电分散相分布于导电的连续相中的两相流研究。 关键词：两相流，多极阵列传感器，均匀度，灵敏度分布，信息量 a b s t r a c t a b s t r a c t ：a i m e da tt h em e a s u r e m e n t p r o b l e m so f o i l w a t e rt w op h a s ef l o w , an e w c o n d u c t a n c ep r o b ew i t hv e r t i c a lm u l t i - e l e c t r o d ea r r a y ( v m e a ) i sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r t h ev m e a c o n s i s t so fe i g h tm e t a lr i n ge l e c t r o d e sw h i c ha r es e p a r a t e l yf l u s h m o u n t e di n s i d et h ep i p ea n di n c l u d eap a i ro fe x c i t i n ge l e c t r o d ea n dp h a s ev o l u m e f r a c t i o nm e a s u r i n ge l e c t r o d ea n da sw e l lt w op a i r so fv e l o c i t ym e a s u r i n ge l e c t r o d e b a s e do nt h i sk i n do fs t r u c t u r e ，t h ev m e ac a l lb eu s e dt om e a s u r ep h a s ev o l u m e f r a c t i o na n dm i x t u r e v e l o c i t ys i m u l t a n e o u s l y h o w e v e r , t h ep r e v i o u s s t r u c t u r a l p a r a m e t e r so fr i n ge l e c t r o d es e n s o ra r ep r o p o s e do nt h eb a s i so fe x p e r i e n c ea n d s i m p l eq u a l i t a t i v ei n v e s t i g a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h em e a s u r i n ga c c u r a c y , i ti s n e c e s s a r yt op r o p o s e an e ws c h e m ef o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h ev m e a u s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，d i s t r i b u t i o no fe l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t e di n s i d et h ev m e ai s c a l c u l a t e d a tt h es a m et i m ea x i a lu n i f o r md e g r e ea n dr a d i a lu n i f o r md e g r e ea r e d e f i n e dt oi n v e s t i g a t et h eu n i f o r m i t yo ft h ee l e c t r i cf i e l d b yi n t r o d u c i n gt h ec o n c e p t o fs e n s i t i v i t y ，d i s t r i b u t i o no fs e n s i t i v i t yo fp h a s ev o l u m ef r a c t i o na n dm i x t u r e v e l o c i t ym e a s u r i n ge l e c t r o d e sa r ec a l c u l a t e di naw i d er a n g eo fe l e c t r o d es p a c i n g s y n c h r o n o u s l y , e q u a l i t y o f t h ei n f o r m a t i o no b t a i n e df r o m f l u i d sf i e l da r eg u a r a n t e e d f o rt h ep u r p o s eo fg e t t i n ga sm u c hi n f o r m a t i o na sp o s s i b l e ，t h ec o n c e p t so ft o t a l i n f o r m a t i o nv o l u m e e f f e c t i v ei n f o r m a t i o nv o l u m ea n dc o n c e n t r a t i o no fe f f e e t i v e i n f o r m a t i o na r ed e f i n e da n da p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h e e x t r a c t i v ec a p a b i l i t y o ft h e v m e a f i n a l l y , b yu s i n g n e w d e f i n e d i n t e g r a t i v ee v a l u a t i n gi n d i c a t o r s ，t h e o p t i m i z e ds t r u c t u r a lp a r a m e t e ro f v m e a i so b t a i n e d b ye m p l o y i n gt h eo p t i m i z e dv m e a ，t h em e a s u r i n gm o d e l so fp h a s ev o l u m e f r a c t i o na n dk i n e m a t i cw a v et h e o r ya r e a p p l i e d t om a k eaf i l r t h e r s t u d y o ft h e e x t r a c t e dd a t ao nt h e v m e a ；t h e r e b yt h ep r a c t i c a lm e a n i n go fc r o s s c o r r e l a t i o n v e l o c i t yi se x p o u n d e d t oaf u t h e re x t e n t t h em e t h o dp r o p o s e df o rt h eo p t i m i z a t i o no f t h ev m e ac a nb ee x t e n s i v e l yu s e d f o rt h eo p t i m i z a t i o na n dd e s i g no fs i m i l a rc o n d u c t i v et y p eo f s e n s o r , s u c ha sp l a t e e l e c t r o d e ，a r ce l e c t r o d ea n ds oo n ，w h i c hc a nb eu s e df o rt h em e a s u r e m e n to ft w o p h a s ef l o w d u et ot h ed i s t i n c td i f f e r e n c eo ft h ec o n d u c t a n c eo fo i la n dw a t e r , t h e m u l t i e l e c t r o d ea r r a ys e n s o ra n dm e a s u r i n gm o d e lc a na sw e l lb eu s e dt o p e r f o r m i n v e s t i g a t i o no f t h et w op h a s ef l o ww i t hi n s u l a t i n gd i s c r e t ep h a s ed i s t r i b u t e di nt h e c o n d u c t i v ec o n t i n u o u sp h a s e ，s u c ha sg a s l i q u i d ，s o l i d l i q u i da n ds oo n k e yw o r d s ：t w o - p h a s e f l o w , m u l t i e l e c 仃o d ea r r a yp r o b e ，u n i f o r md e g r e e ， d i s t r i b u t i o no f s e n s i t i v i t y , i n f o r m a t i o nv o l u m e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：步咎 签字日期：如。妒年月歹1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：f 支 签字日期：w 彤年月j 厂日 新躲函 签字日期：a 讲产1 月孓日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 两相流检测技术及其意义 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。连续介质通常称为连续相， 不连续介质如固体颗粒、水泡、液滴等称为分散相( 或非连续相 。根据流体中 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。 两相流由两种组分构成，而各组分之间存在着密度、粘度等物理性质上的差 异，在重力、温度、压力、各相流量及管道形状等诸多因素的作用下两相流的各 组分之间会产生滑脱及随机可变的相界面效应，因此其物理特性和数学描述比单 相流检测复杂得多，致使两相相流参数检测难度很大。要认清两相流体系的复杂 现象，揭示两相流运动的机理，建立两相流动模型并对流动过程进行预测或控制， 首先要解决的就是两相流检测的技术问题 1 - 3 3o 随着海洋石油开采和海洋高技术 的发展，尤其是混相增压和混相计量技术的需求，加之工业生产过程中计量、节 能和控制精度的提高，对于两相流参数检测的要求越来越迫切。此外，两相流参 数检测技术还能为流体力学工作者提供强有力的实验手段，促进两相流体力学理 论的发展，为两相流过程工艺设计提供理论依据。 几十年来，国内外科技工作者在解决两相流流动参数的检测问题上开展了大 量的理论与实验研究工作，已经取得了一些成果，同时研发出了一些商品化的多 相流量计产品，并在一定范围内得到应用，但是仍存在许多问题。多相流管流体 系中以两相流动最为普遍，我国在“八五”、“九五”科研项目以及“8 6 3 ”等高 科技项目中都对两相流的研究给予了高度重视，两相流测试技术的研究取得了很 大进展，但目前两相流参数检测的发展水平还远未满足工业应用的要求，因此两 相流检测是一个急待发展的研究领域。 1 2 两相流基本参数 两相流动中由于两相之间物理特性的差异，致使两相在流动时产生相间滑脱 天津大学硕士学位论文 及相界面随机可变的特性，使得描述两相流的参数较多且复杂 1 2 1 流量参数 不 两相体积流量是指在单位时间内流经某一截面的两相流体总体积，用g 表 绋= 眈+ 绋 式中，q 表示轻质相体积流量，蜴表示重质相体积流量，岛表示总体积流量。 两相质量流量即单位时间内流经某一截面的两相流体总质量，用a 厶表示 m t = m ，+ m8 ( 1 2 ) 式中， 幺表示轻质相质量流量， 表示重质相质量流量，m ，表示总质量流量。 1 2 2 速度参数 相速度为单位时间内管道截面上通过的某一相的体积与这一相所占的管截 面积之比 屹= 笔妒鲁 单位时间内通过管道截面的两相流体的总体积与管截面积面积的比值称之 为混合速度，表示为 矿：盟 ” 4 两相流的分相速度比值称之为滑速比，一般用s 表示 s ：堡 式中，圪表示轻质相速度，表示重质相速度。 滑脱速度是分相速度之差，即 ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 1 2 3 浓度参数 截面相含率是指两相混合物在任一流动截面内某相所占的总面积份额，又称 持率，如轻质相持率用表示，其表达式为 儿2 者 ( 1 7 ) 式中， 以表示轻质相相所占的管道截面积，如表示重质相所占的管道截面积。 容积相含率是指单位时间流过管道截面的两相流体总体积9 中某相所占的 份额，通常称为含率，如轻质相含率用k 表示，用屯表示，其表达式为 查堡查堂堡主堂竺笙苎 吒= 蕊q oi(i-8) 式中，吒表示轻质相含率，q 表示轻质相的体积流量，纬表示重质相的体积流 量。 质量相含率，通常又称为干度，指单位时间流过管道截面的两相流总质量中 轻质相所占的份额，可用z 表示如下 z 2 彘( 1 - - 9 ) 式中，m 。表示轻质相质量流量，m 口表示重质相质量流量。 1 2 4 密度参数 流动密度指单位时间内流过管道截面的两相流体的质量与容积之比，其定义 式为 岛：等：以吒+ p ，知 ( 1 1 0 ) 2 茜2 p a k 。+ p 毋口 叫 真实密度通常也称之为混合密度，可表示为 岛= 以儿+ 岛 ( 1 1 1 ) 1 2 5 两相流流型 两相流动中，由于存在一个形状和分布在时间和空间里是随机可变的相界 面，而相问实际上又存在一个不可忽略的相对速度，致使流经管道的分相流量比 和分相所占的管截面比并不相等。为了对两相流的特征参数进行测量，首先必须 了解它们的流动状态，即流型。两相间存在的随机可变的相界面，致使两相流动 机构多种多样，十分复杂。流型是影响两相流压力损失和传热特性的重要因素。 两相流各种参数的准确测量也往往依赖于对流型的了解。两相混合物在管道中的 流动是工业生产中两相流存在的常见情形。这里以气液两相管流为例。 _ 垂直上升两相流流型 在这种情况下，其典型的流型如图1 1 所示 1 ) 气泡流( b u b b l yf l o w ) ：气泡以不同尺寸的小气泡形式随机离散分布在 向上流动的液体中。显然，此时气体为离散相，而液体为连续相。随着 气速的增加，气泡尺寸会不断增大。 2 ) 弹状流( s l u gf l o w ) ：在气泡流动中当气泡的浓度增高时，气泡聚合为 直径接近于管内径的弹丸状气泡，气前端部分呈现为抛物线形状。在这 些弹丸状气泡之间可带有小气泡的液团。当气泡快速上升时，液体在气 天津大学硕士学位论文 泡与管内壁间的间隙中流动。 国国图圈圈 ( c )( d )( e ) 图l 一1 垂直上井气液两相流流型 ( a ) 气泡流；( b ) 弹状流：( c ) 混状流 ( d ) 环状流；( e ) 束状环状流 3 ) 混状流( c h u mf l o w ) ：当气泡速度进一步增大时，当状流中的气泡速度 亦随之增加并产生破裂、碰撞、聚合和变形，与液体混合成为一种不稳 定的湍动混合物。此时气液两相界为离散相。 4 ) 环状流( a n n u l a rf l o w ) ：液流沿着管道的内壁形成一层液体薄膜，而气 流则在管道中央流动。这样，气液两相都变成了连续相。不过，在这种 情况下，管道中央的气体通常还夹带着一些液滴一起流动。 5 ) 束状环状流( w i s p y - - a n n u l a rf l o w ) ：当液体的流动速度增高时，环状 流中气体夹带的液滴浓度增大，最终聚合成离散团的液滴束在管道中央 的气流中流动。而沿着管道的内壁则是含气泡的液膜在流动。 图1 - - 2h e w i t t 和r o b e r t s 流型图 上述各种流型在什么情况下会出现，可以用流型来判定。1 9 6 9 年 h e w i t t & r o b e r t s 指出，沿垂直管道向上流动的气液两相流可按图1 2 所 天津大学硕士学位论文 示的流型图来判定其流型。图中横轴与纵轴分别表示气相表面动量通量 既( ) 2 和液相表面动量通量p l ( v l ) 2 。 一水平气液两相管流流型 水平气液两相管流的典型流型如图1 3 所示 1 1 气泡流( b u b b l ef l o w ) ：气体以大小不同的气泡形式分散在管道上部液 体中流动，而液体则在管道下部连续地流动，气、液两相速度大致相等。 当液体速度很大时，气泡可在整个连续的液相中离散、流动。 2 ) 气柱流( p l u gf l o w ) ：由小气泡聚合形成弹丸状的气柱，但与在垂直管 中不同的是，它沿着管道的上部呈柱塞式流动。 3 ) 层流( s t r a t i f i e df l o w ) ：气液两相流完全分层，液体沿管道下部，而气流 则沿管道上部流动。显然，此时气、液两相皆为连续相。 图1 3 水平气液两相流流型 ( a ) 气泡流；( b ) 气柱流；( c ) 层流； ( d ) 波状流；( e ) 弹状流；( d 环状流 4 ) 波状流( w a v yf l o w ) ：当层流中的气体速度增大时，则在气液两相流的 界面上形成若干波浪而成波状流。气速越大，波浪也越大。 5 ) 弹状流( s l u gf l o w ) ：此时高速的气流把液流的波浪冲刷掉，而气流则 夹带着较大的泡沫团周期性地在液面上快速流过。 6 ) 环状流( a n n u l a rf l o w ) ：存在于高速气流的情况下，与在垂直管中的情 况相类似的是，在管道中央的气体中夹带有液滴而流动。其不同的是， 由于重力作用的结果，在管道内壁上形成的液膜，底部较厚而顶部则较 薄。 m 要墨塑舞舀叠 天津大学硕士学位论文 在水平管道中流动的气液两相流，可按照1 9 7 4 年由m a n d h a n e h 3 给出的流 型图( 图1 4 ) 判定其流型。图中横轴和纵轴分别表示气体表观速度p 南和液体 表观速度。 除了上面提及的垂直管和水平管两相流流型，在实际的工业应用过程中还会 出现倾斜管道的两相流，其流型也非常的复杂。如图l 一2 与图1 4 所示的流型 图只是对两相流体流型的一个大体的划分，除了h e w i t t & r o b e r t s 以及m a n d h a n e 外还有很多的学者研究了两相管流的流型，由于流体相界面变化的复杂性，至今 对两相流体的流型仍未有一个统一的判断准则，因此在两相流的流型问题上仍有 相当多的工作需要进一步研究。 1 3 两相流检测技术现状 两相流流动参数的检测是一个难度较大、国内外都急待研究和探索的领域， 其发震趋势和研究方向可归纳为以下几个方面：将成熟的单相流检测技术应用于 两相流参数测量；完善与推广目前已有相当基础的相关法和激光多普勒法等测试 技术的应用；应用新的信号处理技术和方法进行两相流参数测量、分析和监视； 进一步发展两相流动过程中参数测量系统的建模、特征参数选取，对时变性的自 适应功能和动态跟踪能力等的基础理论研究，以及多相流参数校验标定手段和误 差分析等基础方法研究；借助于各种新技术的发展，研制高灵敏度、高准确度和 高可靠性的两相流传感器和参数检测仪表。 1 3 1 传统的两相流参数检测技术c 5 - $ j 在对各类两相流的不同流型进行测量时，由于传统的单相流测量仪表工作可 天津大学硕士学位论文 靠，被许多应用者所熟悉，再根据被测对象工况配以合适的测量模型，能在一定 范围内解决许多两相流参数的测量问题。如，对于差压式流量计；涡轮流量计； 涡街流量计；电磁流量计以及科里奥利力流量计等，分别提出和建立了两相流量 模型，用于平均流量、分相流量、相含率等方面的测量。 1 3 2 基于现代信号处理技术的流动参数检测哼- 1 2 3 这类方法主要是以近年来兴起的软测量技术为代表。所谓软测量是利用较易 在线测量的辅助过程变量和离线分析信息去估计不可测和难测过程参数的在线 估计的方法。它通常建立在成熟的硬件传感器基础上，以计算机技术为核心，通 过建立模型运算处理而完成的。软测量技术在两相流中的应用主要是将模糊数 学、状态估计、过程参数辨识、人工神经网络、小波变换、模式识别、近代谱估 计、非线性科学等理论引入两相流参数测试领域中来，解决具有复杂性、不确定 性、虽很难用数学模型精确描述的两相流系统的测试问题。 1 3 3 基于瓤型传感器技术的两相流动参数检测3 。1 4 3 在近几十年来的两相流参数测试研究中，人们为了更准确的测量多相流管截 面上的相含率、局部相含率的轴向和径向分布、波动频率、各相速度和结构尺寸、 分相界面以及组分浓度及分布等信息，实现非接触、无扰方式的信息采集，将许 多新型传感技术和现代信号处理技术应用到两相流测量中。 在两相流测量中所采用的新型传感技术，主要具有以下几方面的特点： 1 ) 对流体流动无干扰、无阻碍( 不破坏流场) 的非接触或非侵入式传感技术； 2 ) 具有良好动态性能的实时在线检测技术； 3 ) 将微观检测与宏观检测结合形成的新型检测技术； 4 ) 由单一信息检测发展的多信息检测的传感器融合技术。 应用于两相流参数测量的具体新型传感技术有：辐射线技术、激光技术、光 纤技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、相 关技术、过程层析成象技术、微电容测量技术、电导纵向多极阵列测量技术等。 电导式纵向多极阵列传感器是近年来刚刚发展起来的一种以两相流或多相 流为主要对象的在线实时检测技术。它能进行两相流相含率和流体流动速度的测 量，并可经过进一步处理提取若干有关被测两相流体的特征参数，在医学血液流 动速度与其电导率的关系测量和油田测井已经投入实际使用。 相关技术在理论上可用来测量流体系统的流量( 单相流，气液、气固、液固 两相流及气液固多相流) ，而且测量流速的范围很宽，可从层流到超音速，因而 天津大学硕士学位论文 为解决两相流系统测试问题提供了一种强有力的技术手段。自二十世纪6 0 年代 中期发展起来的以相关技术基础构成的两相流测量系统，在国外已形成商品化工 业仪表，是目前两相流测试中少数已形成工业型仪表的一种。在工业喷吹煤粉流 量、纸浆流量、石油流量测量中均有应用。但是在非均相流的多相流系统中相关 流速的物理意义仍不明确，由测得的渡越时间而得到的相关流速往往大于实际平 均流速。鉴于相关技术有其独特的优点，人们也研究各种改进的策略，有梯度相 关法、广义互相关法等。 1 4 本课题立意及主要内容 本研究课题为天津大学“9 8 5 ”项目( 复杂流体流型检测及其流动特性研究) 、 教育部留学回国人员科研启动基金项目( 非集流型油水两相流流量方法研究) ， 重点对电导式纵向多极阵列传感器进行油水两相流测量方法研究，将电导测量 相含率技术与相关流量测量技术相结合实现同时测量两相流体的分相含率和速 宙 ，又。 本课题的主要研究内容如下： 1 ) 对激励电极产生的电场分布进行定量考察，确定激励电极高度； 2 ) 详细考察相含率测量电极间距对空间灵敏度和获取信息量的影响； 3 ) 详细考察相关测量电极的间距和组成每对相关电极电导环的间距对灵敏度 和信息量影响； 4 ) 综合评判相含率和相关电极的最佳结构参数； 5 ) 基于运动波理论建立油水两相流流速测量模型。 本课题研究内容的创新点： 1 ) 在前人对激励电极电场分布研究的基础上提出了场的轴向均匀度和径向均 匀度的概念，对管道的某一剖面上的电场分布进行了定量考察； 2 ) 将t s o c h a t z i d i s 1 和l u c a s 口8 捌提出的适用于考察测量电极的二维灵敏度定 义进行了扩展，在确定激励电极高度的基础上，在较大范围内通过改变激励 电极和相含率测量电极的间距，利用扩展的灵敏度定义计算出了若干种情况 下测量电极对测量区域的灵敏度分布。 3 ) 基于对测量电极灵敏度的详细考察，定义了电极从场内获取的总信息量、有 效信息量、有效信息比，考察了不同的电极结构对其获取场内信息的影响。 4 ) 提出了用于判定电极最佳结构的综合评判指标。 天津大学硕士学位论文 第二章电导法油水两相流测量 由于多相流体的各相之间通常都具有不同的电学特性，人们设计出了大量的 基于电学敏感特性的电阻抗测量传感器用于对流体进行测量：非侵入式仪器一般 用于对流体的空间平均分布特性进行测量，如流体的空隙率；局部电导探棒通常 用于测量流体的局部特征量，包括环状流的液膜厚度、分散泡状流的局部分散相 含率、泡状流体的分散相泡径尺寸以及流体速度等。电阻抗测量仪器比较容易制 造、安装和使用，并且具有较高的频响特性。 2 1 电导法测量两相流 电导法测量属于基于电学特性的两相流测量方法的一种，其主要特点是其测 量对象为以导电介质为连续相的两相混合流体。两相流的电导测量方法较多，这 里详细介绍其中的五种。 2 1 1 探针法 探针法主要应用在液滴、气泡或其它颗粒的粒度测量和流体局部分散相含率 的测量应用中。 1 )探针法应用于微粒粒度测量 就探针根数而言，可分为，单探针法和双探针法。 单探针法的实质是令待测的液滴或固体颗粒与作为检测元件的探针发生碰 撞，使探针产生一电脉冲信号反应粒度大小。而双探针法则是通过测量液滴的脉 冲速率函数，计算出反映粒度分布的概率密度函数。 探针法的研究可以追溯到2 0 世纪4 0 年代，r a p e r h 5 3 在其博士论文中提及 acg u y t o n 设法让一团云雾通过一根管道，使雾中小的颗粒带有静电，然后在 高速喷射到一根检测用的导线上。当颗粒撞击此导线时，即产生一电脉冲信号。 此研究表明，脉冲信号的幅值( v o o ) 与颗粒带电量有关，而后者即颗粒的带电 量与颗粒粒度( d ) 的平方成正比。j m g e i s t 等人酗改进了g u y t o n 的测量方 法，他们提出了在一根由金属丝构成的探针上，是指具有一定的正电位，令待测 的金属小球或导电液滴碰撞磁探针，使之输出电脉冲。他们用粒径为5 0 0 天津大学硕士学位论文 6 3 4 0 , u m 的水滴的测量结果是u 。o c d l 。6 ；还发现，。圳与加到探针上的电压成正 比，大小相同的颗粒碰撞到探针上的不同位置时所产生的u 。有一定的差异：越 靠近针尖，乩。越大。这是由于探针电荷分布不均匀造成的。 此后，j a g a r d i n e r ”7 3 , w m s t e e n & a c h a t t e r j e e “”又对探针形状进行了 研究，g a r d i n e r 等曾在探针尖端套上一段塑料导管，试图避免在这段电荷密度较 大的部位进行采集以杜绝误差，但是效果并不明显。s t e e n & c h a t t e r j e c 的研究结 果还表明：d 2 。这一点和g u y t o n 的结果相同。s t e e n & c h a t t e r j e e 的说明是： 当d 远远大于探针直径时，乩。c d ；而当d 与探针直径相近时，则。o e d 2 。 到7 0 年代后期，有人将探针法应用于测量大型相接触设备一筛板塔内气液 两相流的粒度分布。澳大利亚新南威尔士大学的wvp i n c z e w s k ie 1 9 对探针特性 进行了较全面的研究，测出了虬。与碰撞位置以及液滴导电率的关系。他们在探 针两端加上绝缘套，避开了在这两段进行检测，并采用想探针上吹起的办法以杜 绝液滴在探针上附着形成液桥，得出了d 6 0 0 u m 的液滴的结果是玑。* d 2 ”。 随着探针在流体测量中不断改进，探针方法在流体局部持率方面得到了应 用。 2 ) 探针法用于流体流型判别和分散相含率测量 ( a ) 长头探针( b ) 短头探针 图2 1 电导探针法用于测量泡状两相流局部相含率2 0 1 在1 9 7 8 年h e w i t t “1 利用探针测量管道内流体的动态波动进行流型判别；接 着t e y s s e d o u & t a p u e u “在1 9 8 8 年使用探针法实现了对泡状两相管流相含率的 测量；tj ，l i u “使用双探针法研究了垂直上升气水两相流过程中气泡尺寸和前 管段长度对流体分散相含率分布和流型的影响；利用探针方法测量两相流相含率 测量和流型判别示意图如图2 1 所示。由图中可以看出探针由两部分组成，即 探棒轴心处的电流发射极和探棒外部的用于接收电流的接收极。图2 - - 1 ( a ) 所 天津大学硕士学位论文 示为头部较长的探针头部电力线分布示意图，图2 1 ( b ) 所示为头部较短的探 针头部电力线分布示意图，很明显长头探针的电场分布区域要比短头探针广得 多。但由于长头探针电场分布较为分散，其灵敏度不如短头探针高，一般应根据 测量的流体对象进行适当的选择和优化设计。 2 1 2 平板电极法 注 入 援 接 收 极 图2 2 平板电极电场分布示意图 ；塑，坚： i!i1 il 2 图2 - 3 增加保护电极的平板电极传感器m 平板电极方法主要是利用在注入极和接收极之间产生电场对流过它们之间 流体的敏感特性进行测量。产生的电场分布原理图如图2 2 所示。由图中可以 看出在平板电极的中央部分电场分布较为均匀，但是在边缘部分电场产生变形， 使得电极对边缘与中间区域的灵敏度有所差异，为了避免这种由电场本身的空间 分布特性产生的电极边缘效应c o n e y 2 1 使用在平板电极的电压发射极两端增加 保护段对环状流的液膜厚度进行了测量并进行了理论分析，其示意图如图2 - - 3 所示。图中，为电压入射电极的长度，口为电极到内表面之间中心线的距离，若 天津大学硕士学位论文 两块电极板厚度不同则嘲与旗分别表示它们外表面到中心线的距离。 这里假设电极厚度相等，从电极外表面到它们中心线的距离为五，假设环状 流的液膜具有均匀的厚度h ，其电导率为盯，电极厚度为j ，两块极板间距为口， 被测介质的实际电导为g ，则介质的无量纲电导为 g e = g ( r l ( 2 1 ) 由此可以得出 g ：丝f 竺2( 2 2 ) k ( 1 一坍) m = = - - - s - i n - - h - - o 二r - s - - 2 h - ) 二- - - 一 z s i n h 2 ( 7 r ( s + 现) 2 h ) 式2 2 中k ( m ) 为第一类椭圆积分，肌为电极的几何结构尺寸参数 如下式 髟( m ) = f 1 2 ( 1 一m s i i l 2 矿2 d o 当液膜厚度较小时，有如下近似式 k ( 1 一碍) 2 1 n 2 + x h ，k ( n h ) 万2 将2 5 式代入2 2 式可得到液膜厚度与介质电导率之间关系如下 g - ! 垒 4 i n 2 + 2 厅 巍l 言 多象宝 图2 4 方形管道平板电极测量示意图。3 ( 2 3 ) g ( m ) 函数 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 上述平板电极是应用在圆形管道中的，同样平板电极亦可用于方形管道的测 量，e i v i n dd y k e s t e e n ”实现的方形管道平板测量电极如图2 - - 4 所示。其等效 电路图如2 - 5 所示，假设电极厚度为矿，长度为，电极间距为d ，管壁厚度为 吐2 ，为了计算测量电极之间介质的电阻抗，首先假设： 1 ) 管道内部介质为均匀分布的分散泡状流体，等效电导率和相对介电常数 分别为和； 天津大学硕士学位论文 图2 5 方向管道测量等效电路原理图 2 ) 电极之间电场均匀分布 则计算出的电阻抗如2 7 式所示 z ( 2 7 ) 式中，嘭为d 一吐，q 为管道材料的电导率，为管道材料的相对介电常数，乞 为真空介电常数，为所加场域交变角频率。 2 1 3 半圆环电极法 图2 - 6 k y t o m a a 使用的带有保护电极的对壁圆弧传感器2 4 1 有机玻璃管道； 不锈钢争圆轴保护电极； 不锈钢号圆轴测量电极； 标准3 针连接头 天津大学硕士学位论文 由于平板电极形状的限制，一般只适用于方形管道的流体测量，对于圆形管 道平板电极会对流体产生影响。后有人提出将平板电极变换为圆弧形，这样可以 实现对圆形管道和非圆的弧形管道中流体的测量。 h k k y t 6 m a a 。4 1 在进行气液和固液泡状两相流体中小幅值运动波的传 播研究时就使用了圆心角为9 0 。的对壁半圆环型传感器，示意图如图2 6 所示 图中所示为保护电极其作用与c o n e y 在1 9 7 3 年提出的在平板电极两端加保护 段作用样，即为保证测量电极的测量区域内电场分布的均匀性，以有效地抑制 电极的边缘效应。 图2 - 7 c o s t i g a n 和w h a l l e y 使用的对壁式半环形电导传感器示意图3 牛津大学的gc o s t i g a n & eb w h a l l e y 淄1 也使用了类似于k y t o m a 使用的对 壁式圆弧形传感器在直径为3 2 m m ，高度为8 5 m 的垂直管道中实现了对弹状流 流型的判别，其原理图如图2 - - 7 所示，与k y t o m a a 使用的传感器不同的是他们 使用的传感器圆心角为1 6 0 0 。 ，互、 图2 - - 8c h u l - h w a s o n g 使用的多通道9 0 。对壁圆弧形传感器示意图3 天津大学硕士学位论文 由图中可以看出，激励端的三个电极均连接到同一个激励电源，将接收端的测量 电极外侧的两个保护电极接地，这样在有效测量区域会产生较为均匀的电场分 布。 以上两种用法均使用的一对传感器进行的测量，在1 9 9 8 年韩国的c h u l s w a s o n g ”等人使用了如图2 - - 8 所示的三对圆心角为9 0 。的带保护电极的半圆环形 传感器进行了气液两相流相含率的测量。三对传感器中包含两对主测量传感器和 一对参考传感器，其工作原理图如图2 9 所示 n 4 m 删， 图2 9 多通道对壁圆弧传感器工作原理图2 6 1 参考传感器安装在管流气泡产生器的上游部分，对纯水流进行测量并将测量得到 的动态信号作为参考信号对主测量传感器上输出的流体信号进行规范化处理，这 样可以消除随时间变化的流体介质电导率对测量的影响。这样经过规范化处理后 的主传感器信号就只包含了分散相含率变化的信息，这样可以减小因为流体介质 的性质变化引起的误差。 图2 1 0 对壁圆弧电极测量电路的等效原理图“ 天津大学硕士学位论文 为了了解半环形电极传感器的测量原理，将复杂的测量系统简化为如图2 - - 1 0 所示简单的等效电路，图中r 表示流体的电阻，c 。为由于电极极化在电极表 面产生双面层效应的极化电容，c 为流体作为电介质在电极之间产生的电容，厂 为交流电源提供的激励频率。这样可以得到电路的阻抗为 z ( 力= t 二一( 2 - - 8 ) - i 2 ，r f c a r + 二一 i 2 z c f c p 式中，c 。与流体导电相的介电常数和分散相含率有关：o 为导电相介电常数、 激励频率和分散相含率的函数。通过调整电源激励频率可以将电极极化产生的双 面层效应降低至可以忽略的程度，这样可以通过上式可以求出流体的分散相含率 值。 2 1 4 截面多电极法 除了上述的对壁式圆弧电导传感器，还有在圆形管道的某一截面上以一定间 距安装多片圆心角较小的圆弧金属片构成的电导式流体测量装置，即众所周知的 电阻层析成像。 电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ) 技术是基于电学敏感原理 的电阻抗层析成像技术( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ) 的一种简化情况，仅 对物场的电阻信息进行检测。电阻层析成像技术的起源可以追溯到本世纪2 0 年 代，当时的地质学家通过在地上插入一定数量的电极，在其中一对电极间注入电 流，同时测量其它电极上的电位来获得地下的地层分布。本世纪7 0 见代，生物 医学研究者提出了圆形电极阵列的断层电阻率测量技术，期望能找到一种快速、 安全、低成本的技术来取代己成功应用的x 射线c t 机。 为了克服传统电阻抗持率计对流体相分布的敏感性，m e r i t o 幔”等人在1 9 7 7 年提出了在圆形的流体管道内表面平滑镶嵌6 片小金属片的测量方法。使用三相 交流信号对三对相对金属电极进行交替的旋转激励，在管道截面上产生交替变换 的电场对截面上的流体进行旋转式的扫描测量。后来，t o u m i a i r e ”将使传统电 学方法与m e r i l o 使用的方法进行了比较，结果发现这种测量方法在测量流体分 散相含率时能够取得更为理想的结果。 随着测量技术的不断发展和计算机速度的不断提高，人们逐渐增加截面上的 安装的电极数目以获得更为丰富的流场分布信息，图2 1 1 所示为1 6 电极的e r t 剖面示意图。1 9 8 8 年，英国u m i s t 开始了应用电阻层析成象技术监视导电流体 的研究工作，并取得了很大进展，已经在搅拌器和旋流器等试验装置上进行了应 用性研究2 9 。 天津大学硕士学位论文 图2 1 11 6 电极e r t 剖面图 为了满足两相流测量的实时陛要求，1 9 9 8 年u m i s t 大学研制出m k 2 a 系统。 该系统数据采集速率可达1 0 0 柳秒( 1 0 4 点幅) 。数据传输速率大于1 m b s ，并 已在实验室的石油开采用泥浆测量装置上进行了实验，其结果较为令人满意。目 前，天津大学p t 小组在国内率先开展了e r t ( 电阻层析成象) 系统在科学实验及 工业生产过程中的应用研究 3 0 - 3 2 1 。 2 1 5 纵向环型多电极法 1 9 8 5 年a s a l i 3 射等人利用环形电极对垂直气液环状管流的液膜厚度和相 界面阻力进行了研究，这是环形电极在流体测量中的第一次应用。随后a n d r e u s s i 等口4 3 和t s o c h a t z i d i s 等口卯通过对c o n e y 的平板电极测量理论的扩展对双环形电 极进行了研究，同时对电极的结构进行了优化，在测量实验中t s o c h a t z i d i s 等还 考察了电极间距对测量结果的影响。此后