一種測(cè)量氣
--液兩相流的線列陣傳感器設(shè)計(jì)*

王興濤, 田 芳, Eisemberg Jascha, Prasser H M

(1.國(guó)核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 102209; 2.Swiss Federal Institute of Technology,Institute of Energy Technology, ML K 13 Sonneggstrasse 3,Zurich 8092,Switzerland)

一種測(cè)量氣
--液兩相流的線列陣傳感器設(shè)計(jì)*

王興濤1, 田 芳1, Eisemberg Jascha2, Prasser H M2

(1.國(guó)核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京 102209; 2.Swiss Federal Institute of Technology,Institute of Energy Technology, ML K 13 Sonneggstrasse 3,Zurich 8092,Switzerland)

針對(duì)氣—液兩相流研究對(duì)含氣率測(cè)量的需求，基于線列陣測(cè)量技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)式線列陣兩相流測(cè)量傳感器，該傳感器具有較高的空間分辨率(3 mm)和極高的時(shí)間分辨率(2 500 Hz)，設(shè)計(jì)了線列陣傳感器標(biāo)定和含氣率算法，實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)二維局部含氣率的測(cè)量。經(jīng)過(guò)射流沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證表明：該線列陣傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，基于原始測(cè)量數(shù)據(jù)，采用標(biāo)定和含氣率求解算法，可計(jì)算氣泡夾帶現(xiàn)象在水平截面的平均含氣率分布情況。

氣—液兩相流; 線列陣傳感器; 含氣率

0 引 言

氣—液兩相流廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備(如鍋爐、蒸汽發(fā)生器等)、核反應(yīng)堆設(shè)備(如氣化裝置、冷凝器等)以及化工設(shè)備中，為了能夠研究熱交換現(xiàn)象和其他相關(guān)影響，研究氣相和液相之間的相互作用來(lái)理解兩相流行為是非常必要的[1]。氣—液兩相流的測(cè)量方法主要包括γ射線和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描、高速攝像、粒子圖像測(cè)速(PIV)、聲學(xué)方法和電阻抗成像等[2，3]，高速射線斷層掃描的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，其他光學(xué)方法僅對(duì)于低含氣率具有較好的可靠性，聲學(xué)方法只提供沒(méi)有空間信息的平均數(shù)據(jù)，電阻成像法成本低，但只提供局部數(shù)據(jù)，空間分辨率低。

線列陣傳感器(WMS)是一種快速斷層成像的電極網(wǎng)設(shè)備，可用于高含氣率和惡劣工業(yè)環(huán)境中，可獲得極高時(shí)間分辨率(最高10kHz)和較高空間分辨率(1.5～3 mm)信息[4,5]。Johnson I D首次使用線列陣傳感器測(cè)量原油中水的體積含率[6]。德國(guó)Reinecke N等人將線列陣傳感器用于層析成像[7]，采用的圖像重建算法需大量計(jì)算，非常耗時(shí)。Prasser H M等人開(kāi)發(fā)了新型線列陣傳感器[5]，用于快速斷層成像，已成功應(yīng)用于氣—液兩相流測(cè)量，可在高溫高壓(最高10 MPa，300 ℃)環(huán)境下提供高分辨率測(cè)量[8]。

1 線列陣傳感器測(cè)量原理

線列陣測(cè)量系統(tǒng)由線列陣傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、測(cè)控軟件構(gòu)成，如圖1所示，線列陣傳感器為一次儀表，安裝在流體流動(dòng)管道內(nèi)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集線列陣傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)，并按照一定格式和通信方式發(fā)給測(cè)控軟件，在計(jì)算機(jī)上按一定的圖像重建算法重建出流體截面的介質(zhì)分布。

圖1 線列陣傳感器測(cè)量系統(tǒng)

如圖2所示，線列陣傳感器的基本結(jié)構(gòu)由2層相互垂直的鋼絲電極構(gòu)成，其中一層為發(fā)射極，另外一層為接收極，兩層電極不接觸，其交叉點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)。基本測(cè)量原理為電壓脈沖驅(qū)動(dòng)發(fā)射極，接收極測(cè)量電流，按測(cè)點(diǎn)形成二維矩陣。若交叉測(cè)量點(diǎn)之間的介質(zhì)電導(dǎo)率不同，所測(cè)量的電流值不同，比如：在氣泡穿越交叉測(cè)量點(diǎn)的過(guò)程中，先后經(jīng)歷水→氣水混合→氣→氣水混合→水的過(guò)程，則相應(yīng)的，接收極所測(cè)量的電流值大小先后經(jīng)歷大→中→小→中→大。

圖2 線列陣傳感器基本結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理

如圖3所示為簡(jiǎn)化的線列陣傳感器，發(fā)射極和接收極各由4根相互平行的鋼絲電極組成，具有4×4個(gè)交叉測(cè)點(diǎn)，形成了4×4的測(cè)量矩陣。電壓驅(qū)動(dòng)發(fā)射極，接收極接收電流，并通過(guò)特定電路將電流值進(jìn)行放大、采樣、保持，以及轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳輸給計(jì)算機(jī)[5，9]。

圖4為線列陣傳感器的信號(hào)控制與采集時(shí)序圖，通過(guò)控制SP開(kāi)關(guān)(圖3)，可以產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)發(fā)射極的矩形脈沖信號(hào)，發(fā)射極的使能由S1～S4開(kāi)關(guān)控制。S1～S4開(kāi)關(guān)按照時(shí)序順序使能，其中一個(gè)使能，其它斷開(kāi)，使能的發(fā)射極鋼絲和每根接收極鋼絲之間將產(chǎn)生電流信號(hào)，在一個(gè)發(fā)射極測(cè)量周期內(nèi)(如圖4中發(fā)射電極2的驅(qū)動(dòng)電壓UT2)，通過(guò)觸發(fā)控制信號(hào)S/H，每根接收極鋼絲分別測(cè)量電流值(如圖4中接收電極3的測(cè)量電流IR3)，該電流值通過(guò)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓值，通過(guò)采樣/保持電路進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，最后由計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線采集數(shù)據(jù)。當(dāng)最后一根發(fā)射極被使能，并且最后一根接收極完成電流采樣，則獲得一個(gè)二維數(shù)據(jù)矩陣。

圖3 線列陣傳感器簡(jiǎn)化圖

圖4 信號(hào)控制與采集時(shí)序圖

2 三層線列陣傳感器設(shè)計(jì)

如圖5所示，三層線列陣傳感器由三層相互垂直的鋼絲電極構(gòu)成，中間一層為發(fā)射極，上下兩層為接收極，當(dāng)中間層發(fā)射極使能時(shí)，上層接收極和下層接收極可測(cè)量電流值，因此，該三層線列陣傳感器具有兩個(gè)測(cè)量平面。四個(gè)矩形平面構(gòu)成傳感器框架，傳感器安裝在框架底部。

圖5 三層線列陣傳感器設(shè)計(jì)圖

三層線列陣傳感器的主要參數(shù)如圖6，由于細(xì)長(zhǎng)的鋼絲電極像天線一樣，易受外界信號(hào)的干擾，且相鄰鋼絲之間也會(huì)相互干擾，因此，由于幾何位置關(guān)系的不同，兩側(cè)邊緣的鋼絲所受干擾和其他鋼絲不同。為保證測(cè)量信號(hào)同一性，減小邊界效應(yīng)，每層測(cè)量平面由68根鋼絲電極組成，但僅有64根鋼絲電極連接數(shù)采設(shè)備，兩側(cè)各有2根輔助鋼絲僅固定在框架上，接地但不連接數(shù)采設(shè)備，以保證每根鋼絲電極具有相同的測(cè)量環(huán)境，因此，該傳感器在每個(gè)測(cè)量平面可獲得64×64=4 096個(gè)交叉測(cè)量點(diǎn)，傳感器安裝框架的尺寸為400 mm×400 mm。

圖6 線列陣傳感器尺寸

如圖7所示，傳感器框架由4塊金屬板構(gòu)成，每塊金屬板上安裝一個(gè)PCB板，金屬板起到連接與支撐作用，PCB板和鋼絲電極連接，將電極測(cè)量信號(hào)傳給數(shù)采設(shè)備。每根鋼絲電極的兩端都通過(guò)螺栓螺母固定在PCB板上，僅有其中一端焊接在PCB板上進(jìn)行信號(hào)傳輸。每根鋼絲都布置一個(gè)彈簧，提供5 N預(yù)緊力，并補(bǔ)償傳感器框架變形量，避免鋼絲間相互接觸，緩沖和補(bǔ)償水流對(duì)鋼絲的形變。

圖7 三層線列陣傳感器機(jī)構(gòu)

3 線列陣傳感器標(biāo)定與含氣率計(jì)算

根據(jù)傳感器參數(shù)配置，每根發(fā)射極鋼絲i(1～64)和接收極鋼絲j(1～64)構(gòu)成的交叉點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)，系統(tǒng)每秒采集2 500次數(shù)據(jù)，則每幀數(shù)據(jù)k(1～2 500)為一個(gè)64×64的二維測(cè)量值矩陣，一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)采集一組[i,j,k]=[64×64×2 500]的三維測(cè)量值矩陣。每幀的每個(gè)交叉點(diǎn)測(cè)量值表示為μi,j,k，則該測(cè)量值可轉(zhuǎn)換為局部瞬時(shí)含氣率εi,j,k

其中，i,j為線列陣傳感器交叉點(diǎn)的索引，取值范圍1～64；k為測(cè)量幀的索引，取值范圍1～2 500；μi,j,liquid和μi,j,gas分別表示交叉點(diǎn)i,j在純液相和純氣相內(nèi)的校準(zhǔn)測(cè)量值。通常情況下，空氣為一種絕緣體，氣相校準(zhǔn)測(cè)量值近似為0[10]，即μi,j,gas=0。液相校準(zhǔn)測(cè)量值通過(guò)傳感器在純水中測(cè)量得到，因此，局部瞬時(shí)含氣率ε可以簡(jiǎn)化為

(1)

(2)

4 試驗(yàn)測(cè)試

圖8為線列陣傳感器試驗(yàn)測(cè)試所用的射流沖擊臺(tái)架，水泵將水箱中的水引導(dǎo)至水箱上方，然后通過(guò)噴嘴重新注入水箱中，產(chǎn)生射流沖擊現(xiàn)象，如圖8所示，當(dāng)射流水柱撞擊水面時(shí)，水下夾帶產(chǎn)生一簇氣泡群。傳感器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)在水箱內(nèi)垂直上下往返運(yùn)動(dòng)，連續(xù)完成1 000次下行和1 000次上行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)綔y(cè)控工作站。一次垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)間為1 s，即每次運(yùn)動(dòng)獲得2 500幀二維數(shù)據(jù)矩陣，傳感器運(yùn)動(dòng)速度為0.5 m/s。

圖8 射流沖擊氣泡夾帶試驗(yàn)

該試驗(yàn)下行運(yùn)動(dòng)不同位置處的平均空隙率分布如圖9所示，第1幀為水面附近的平均空隙率分布，可看到水面下方夾帶產(chǎn)生了一個(gè)高含氣率的環(huán)形分布，表明了射流水柱沖擊水面所產(chǎn)生的空氣夾帶現(xiàn)象，水柱周?chē)目諝獗簧淞魉迫胨律钐帲陆抵蟹纸獬蓡为?dú)的氣泡(圖9(b))，僅有小部分氣泡能夠抵達(dá)底部(圖9(d))。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量氣—液兩相流含氣率分布的可移動(dòng)式三層線列陣傳感器，該傳感器具有較高的空間分辨率和極高的時(shí)間分辨率，設(shè)計(jì)了相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法，根據(jù)原始測(cè)量數(shù)據(jù)求解了平均含氣率分布，獲得了射流沖擊試驗(yàn)氣泡夾帶現(xiàn)象的平均含氣率水平截面分布情況。

圖9 下行運(yùn)動(dòng)平均空隙率的水平截面分布

[1] Wilhelm Daniel.Measurement of the bubble distribution caused by a plunging liquid jet[D].Zurich:ETH Zürich,2010.

[2] Reungoat D,Riviere N,Faure J P.3C PIV and PLIF measurement in turbulent mixing-round jet impingement[J].Journal of Visua-lization,2007,10:99-110.

[3] 孫 青,王化祥.一種新型網(wǎng)絲傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(4):465-470.

[4] Marco Jose da Silva,Tobias Sühnel,Eckhard Schleicher,et al.Planar array sensor for high-speed component distribution imaging in fluid flow applications[J].Sensors,2007,7:2430-2445.

[5] Prasser H M,B?ttger A,Zschau J.A new electrode-mesh tomograph for gas-liquid flows[J].Flow Measurement and Instrumentation,1998,9:111-119.

[6] Johnson I D.Method and apparatus for measuring water in crude oil:US,4644263[P].1987—02—17.

[7] Reinecke N,Boddem M,Petritsch G,et al.Tomographisches messender relativen phasenanteile in zweiphasigen stromungen fluider Phasen[J].Chem Ing Tech,1996,68(11):1404-1412.

[8] Bonetto F,Lahey Jr R T.An experimental study on air carry-under due to a plunging liquid jet[J].International Journal of Multiphase Flow,1993,19:281-294.

[9] Ito D,Prasser H M,Kikura H,et al.Uncertainty and intrusiveness of three-layer wire-mesh sensor[J].Flow Measurement and Instrumentation,2011,22:249-256.

A wire mesh sensor design for gas-liquid two phase flow measurement*

WANG Xing-tao1, TIAN Fang2, Eisemberg Jascha2, Prasser H M2

(1.State Nuclear Power Technology Research and Development Centre,Beijng 102209,China; 2.Swiss Federal Institute of Technology,Institute of Energy Technology,ML K 13 Sonneggstrasse 3, Zurich 8092,Switzerland)

Aiming at gas fraction measurement needs of gas-liquid two-phase flow study,a movable wire mesh sensor (WMS) for two-phase flow measurement is designed based on principle of WMS measuring technology.The sensor has high spatial and temporal resolutions which are 3 mm and 2 500 Hz.The calibration and gas fraction algorithm are designed to calculate the instantaneous 2D local gas fraction.The plunging jet experiment verifies that the WMS is stable,and based on the original data,the average void fraction distributions of cross-section bubble entrainment phenomenon are calculated using calibration and void fraction algorithm.

gas-liquid flow; wire mesh sensor(WMS); void fraction

2015—06—25

國(guó)家核電技術(shù)公司員工自主創(chuàng)新項(xiàng)目(SNP—KJ—CX—2015—16)

10.13873/J.1000—9787(2015)08—0103—03

TP 212

A

1000—9787(2015)08—0103—03

王興濤(1985-)，男，山東臨沂人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榉悄軇?dòng)先進(jìn)壓水堆核電站熱工水力測(cè)控技術(shù)、線列陣傳感器兩相流測(cè)量技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等。