技术领域
[0001] 本
发明涉及物理测量装置，具体地说是一种用于检测气液两相流的测量装置。
背景技术
[0002] 气液两相流动现象广泛存在与自然界与工业过程中。气液相流流动参数的准确测量无论是在实验研究还是在工业生产中都具有十分重要的意义。由于气液相流流型复杂，因此多年来，人们在这方面进行了大量的研究工作，同时也提出了许多种测量方法。目前气液相流的流动测量方法大致分为两种，即总流量测量法和相含率连续在线检测方法。其中总流量测量法大都是针对孔板和文丘里管、内锥流量计进行改进，以期通过改变流通面积实现节流计量。如CN 101802562A公开了一种夹紧式
超声波气体流量计和用于测量液相流动特性的脉冲多普勒
传感器或射频(RF)/
微波电磁(EM)传感器，传感器的组合可对分
层流或类似条件下的
多相流进行测量；CN 101363745A公开了一种多相流计量方法及多相流
质量流量计，由差压变送器检测孔板流量计的两个差压值，超声多普勒流量计测得体积流量，经过二次仪表计算气液比和含
水率及各相流量；CN 2293799Y公开了一种利用双文丘里管、
温度和
压力传感器测量油气水三相流量的装置；CN 1259657A公开了一种可实现多相流量在线测量的方法及其装置，包括倒U型管、文丘里管、差压传感器和导热元件，通过测量总体流量、压力差、油气水比率测量各相流量就都是针对孔板和文丘里管，内锥流量计等进行的。这种方式存在的问题是流量计压损较大，节流件对气液两相流动干扰较大，差压
信号波动性大，
稳定性差，因而导致气液两相流测量模型的重复性较差，适用范围有限；相含率连续在线检测方法包括有射线法、介电法。其中射线法因其具有
辐射作用而受限，介电法所采用的设备(主要为电容传感器)因其结构简单、开发成本低、容易实现，所以受到人们的普遍关注。不过大量的研究表明，用于多相流测量的电容传感器易受
流体流型的影响，从而其检测数据的稳定性、重复性较差。因此如何能够克服气液两相流流型对管道内介质
介电常数的影响，成为已成为人们研究的重点。
发明内容
[0003] 本发明的目的就是要提供一种能够克服气液两相流流型影响、测量准确性高、稳定性好的气液两相流测量装置。
[0004] 本发明的目的通过以下技术方案得以实现：
[0005] 本发明所提供的气液两相流测量装置，包括有介质流通管、压差变送器、
数据采集单元、
数据处理器。介质流通管中串接有流量传感器、电容传感器。其中流量传感器的结构设计为：在介质流通管内设有变径管，在该变径管的大口径管与小口径管的管壁上分别设有测压孔，与该测压孔同一截面的介质流通管的管壁上开有对应测压孔，差压变送器通过测压孔与流量传感器、介质流通管相连接，同时通过信号输出端与数据采集单元、数据处理器相连接；在所述的电容传感器上并联有阻抗测试仪和微波发射测试仪；阻抗测试仪和微波发射测试仪通过信号输出端与数据采集单元、数据处理器相连接。
[0006] 本发明所设计的气液两相流测量装置具有以下有益效果：
[0007] (1)本发明装置可在气液两相流不分离的情况下同时对气液两相流的流量以及流相含率进行测定，从而以一种简便的方式实现了气液两相流量与相含率的准确测量。
[0008] (2)流量传感器的特别设计，不仅克服了流型干扰，提高了测量方法的稳定性和准确性，同时也扩大了测量范围。更具体地说，流量传感器中变径管的设计使得气液两相流在流经介质流通管时可在不改变流通面积的状况下获得差压，其压损小、信号大、同时提高了灵敏度；所述的流量传感器在介质流通中的同一截面设置测压孔，因此消除了摩擦阻力对介质流动数据的影响，解决了
现有技术在竖直管道上应用差压流量传感器所存在的引压问题；介质流通管与变径管所构成的内外管结构，加强了测量时对气液两相流动的轴向约束，因此减少了气液两相流动过程中的径向干扰，提高了传感器的稳定性及重复性。
[0009] (3)在所述的同轴微波电容传感器上并联有阻抗测试仪和微波发射测试仪，由此在同一电容传感器上创建了双测量模型，随后再通过数据处理器的处理，从而获得更为客观准确的测定结果。
附图说明
[0010] 图1是本发明装置的结构示意图。
[0011] 图2是本发明装置中的数据处理器的
软件功能
框图。
[0012] 以下结合附图对本发明装置及其工作过程作进一步的详述。
具体实施方式
[0013] 如图1所示，本发明装置包括有介质流通管1、数据采集单元17、数据处理器18，介质流通管1中串接有流量传感器A、电容传感器B。介质流通管1可采用PVC管。数据采集单元17可采用16位数据采集卡(用于
对流量传感器A、电容传感器B中的数据进行系统采集)。数据处理器18采用普通计算机。在介质流通管1内设有变径管，即该变径管一边为较粗的直管(即大口径管2)，一边为较细的直管(即小口径管4)。变径管与介质流通管1之间要有一定的间隙，以防止介质颗粒堵塞管路。在该变径管的大口径管2与小口径管4的管壁上分别开有测压孔(6、8)，与该测压孔(6、8)同一截面的介质流通管1的管壁上开有对应测压孔(5、7).即测压孔5、6为对称结构，测压孔7、8为对称结构，如此可以获得均衡的压差。
[0014] 所说的变径管其管体的变径处可设有过渡斜肩3，其倾斜
角为10°～21°，由此可以在不改变总流通面积下实现流体的节流。根据
流体力学原理可知，倾斜角为10°～21°的收缩角对流动的干扰小，
流动阻力小。
[0015] 所说小口径管4上的测压孔8设置在该管段的中间
位置，由此不仅可以获得最大差压值，同时也可以获得较稳定压差。
[0016] 本发明装置中的差压变送器(14)通过测压孔(6、8、5、7)与流量传感器A、介质流通管1相连接；同时通过信号输出端与与数据采集单元17、数据处理器18相连接。由此差压变送器14将介质流体的差压信号传送到数据采集单元17，最后送到数据处理器18进行统计分析。(所述的差压变送器14可选用市售产品(如0-100kPa、0.1％的差压变送器)。
[0017] 本发明装置中所述的电容传感器B上并联有阻抗测试仪15和微波发射测试仪16。阻抗测试仪15和微波发射测试仪16通过信号输出端与数据采集单元17、数据处理器18相连接。由此阻抗测试仪15和微波发射测试仪16测得介质流体电容、微波的双模态信号，并将该信号传送到数据采集单元17，最后经数据处理器18进行统计分析后获得气液两相流相含率。该设计所建造的双模态信号，使电容信号与微波信号实现了互补，从而克服了单一信号模式的缺点，提高了气液两相流相含率测量的准确性。
[0018] 上述的阻抗测试仪15和微波发射测试仪16均可采用市售产品(如6位半阻抗测试仪、可接收70～120MHz微波信号源的微波发射测量仪)。
[0019] 为了进一步提高本发明装置的灵敏度，本发明中的电容传感器B为同轴微波电容传感器，其结构如图2所示，
探头为筒形，其圆筒9内设有同心圆柱体10，圆筒9外壁包覆有外极板11，同心圆柱体10外壁包覆有内极板19，内、外极板(19、11)分别通过屏蔽引线与阻抗测试仪15、微波发射测试仪16连接。由此大大增加了电容极
板面积，减小了极距，从而提高了阻抗测试仪15、微波发射测试仪16对信号敏感度。
[0020] 本发明装置中的电容传感器B通过探头中的圆筒9与介质流通管1相连接，所述圆筒9的筒径＞介质流通管1的管径D，圆筒9的两端设有与介质流通管1的管径D相匹配的收口筒体12，同心圆柱体10的两端设有与收口筒体12收口角度相同的圆锥体13，由此通过收口筒体12的过渡，降低了流速，提高了测量稳定性。
[0021] 为了进一步减小流速，提高测量准确性，所说的介质流通管1的管径D与圆筒9的直径之比为1∶2，收口筒体12的收缩角度为15°～21°；圆筒9的长度为4D～6D。
[0022] 所说的测压孔5、6设在距离大口径管2变径前0.08D～0.2D处。通过CFD仿真及实验测试，在此范围内测压，其差压值最大。
[0023] 所说的变径管的大口径管2、小口径管4与收口筒体12的长度分别为1.6D、0.625D、1.4D。通过CFD及物理实验分析，该设计可以获得最佳节流比。
[0024] 本发明装置的具体工作过程及测量原理如下：
[0025] 参见图1，本发明装置的当被测介质流体通过管径为D的介质流通管1时，在变径管的作用下，流体在通过介质流通管与变径管环隙时流速增加，静压力减小；而变径管内的流速减小，静压力增大；此时流体在介质流通管1与变径管环隙处的压力与变径管内的压力就形成了压差，差压变送器14通过测压孔5、6测得的压差信息得到压差值，数据采集单元17根据该压差值，得出总流量模型。
[0026] 数据处理器18在计算时对于可压缩或不可压缩流体，都可以用以下的体积流量表达式：
[0027]
[0028] C为流出系数，通过试验确定；ε称为被测介质的可膨胀系数，对于不可压缩流体ε＝1，对气体、
蒸汽等可压缩流体ε＜1；A为流体管道的截面积；K1为大口径管2和小口径管4的环隙面积比；K2为大口径管2和小口径管4的截面比。变径管变径处所设置的过渡斜肩3其倾斜角为10°～21°，截面比在0.4至0.75之间。
[0029] 本发明中的电容传感器采用高频信号激励，可测得内、外两极板(19、11)间的电容信号。电容传感器B通过相对介电常数的改变，测量
原油的含水率。当具有不同介电常数的液体从电容传感器B的两极板间通过，电容传感器B的电容量就会随之变化。电容值的计算公式为：
[0030]
[0031] 其中R为外
电极11的内径，r为内电极19的外径，L为内\外电极(19、11)的长度，ε为
混合液相对介电常数，ε0为介质在
真空状态下的介电常数(＝8.85×10-12P/M)[0032] 为了克服单一传感器测量气液两相流存在的缺点，在获取电容信号的同时，利用不同介质对
电磁波的吸收作用测量含水率，获得微波信号。介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收最大，即是微波测量水分的物理
基础。含水物质在微波场中极化损耗的特性，可通过其在微波场中复合介电常数来表征，测得其复合介电常数，便能间接测得该物质中
含水量的多少。其介电常数可表示为：
[0033]
[0034] 其中ε代表混合介质的有效介电常数，ε1为第一种介质的介电常数，ε2为第二种介质的介电常数，f1为第一种介质的体积百分比。
[0035] 由阻抗测试仪15和微波发射测试仪16获得的双模态信号建立分相含率模型，根据已获得的总流量模型和分相含率模型组合求解分相流量Qg和Ql以及截面含气率αg和截面含液率αl，从而达到在线连续测量多相流的目的。最后通过总流量及各相含率得到各分相流量，实现气液两相流不分离测量。
[0036] 本发明装置中的数据处理器在进行数据分析处理时，可按照图2所示的功能模
块设计处理软件，即数据处理器18收到数据采集单元传输的信息后，开始工作，数据处理器18依据【流量传感信息】得出介质流体的【总流量模型】；依据【电容传感信息】同时得到介质流体的【阻抗信息】和【微波信息】，通过分析、计算获得【分相含率模型】，最后根据已获得的总流量模型和分相含率模型组合求解分相流量Qg和Ql以及截面含气率αg，最终显示测量结果。
