用于在线测量气液两相流的气液两相流含气率测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于在线测量气液两相流的气液两相流含气率测量系统，包括：至少一对探针，所述至少一对探针在使用时与气液两相流接触；和阻抗测量单元，所述阻抗测量单元与所述至少一对探针电连接；所述至少一对探针中的每个探针包括尖端以外的部分附着有绝缘膜的导电本体。通过所述气液两相流含气率测量系统，能够实时测量气液两相流中的气泡大小、分布以及局部空泡份额。
【专利说明】
用于在线测量气液两相流的气液两相流含气率测量系统
技术领域
[0001]本实用新型属于热工水利工程领域，尤其涉及一种用于在线测量气液两相流的气液两相流含气率测量系统。
【背景技术】
[0002]两相流动是指固体、液体、气体三相中的任何两相组合在一起、具有相间界面的流动体系。可以是气体-液体、液体-固体或固体-气体组合而成，是自然界和工业应用中一种常见的流动现象。例如，液体沸腾、蒸汽冷凝、血液流动、石油传输以及反应堆的堆芯设计(测量液膜厚度)等等都是两相流或者多相流动体系。
[0003]—般地，在蒸发器、再沸腾器、冷凝器、气液反应器以及诸如三通管、U形管、倾斜管等各类管路中都会出现两相流现象。通过对这种两相流现象的研究，可以提高工业生产中的生产效率、减少安全隐患，并且对于提高工程质量等方面都是有重要意义的。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的之一是提供一种用于在线测量气液两相流的气液两相流含气率测量系统，通过该气液两相流含气率测量系统能够实时测量气液两相流中的含气率以及气泡大小、分布以及局部空泡份额。
[0005]具体地，根据本实用新型的一方面，提供一种用于在线测量气液两相流的气液两相流含气率测量系统，包括:至少一对探针，所述至少一对探针在使用时与气液两相流接触;和阻抗测量单元，所述阻抗测量单元与所述至少一对探针电连接;所述至少一对探针中的每个探针包括除尖端以外的部分附着有绝缘膜的导电本体。
[0006]在现有的通过检测一对或多对探针上阻抗的阶跃变化来判断探针在某一时刻接触的是液相还是气相的电导探针式气液两相流含气率检测技术中，在探针接触液相时探针附近的气泡造成探针两极间阻抗微小变化的信息会被忽略或被丢弃，由此会影响流型判断的正确率。而本实用新型的气液两相流含气率测量系统以连续检测阻抗值的方式对所有采集的数据加以处理和利用，避免有用信息被忽略或被丢弃，提高了流型判断的正确率，从而避免了现有技术中存在的上述缺陷。
[0007]进一步地，在现有技术中，为了减小探针引线管对流场的影响，通常会将探针的伸出引线管的部分增长。但是由于伸出引线管的探针部分全部为导体，气泡接触探针端部时，仍然有一部分探针会接触液相，导致数据采集系统认为此时并未接触气相，从而产生较大的测量误差。本实用新型的气液两相流含气率测量系统中，每个探针的除探针尖端部分之外的部分上均镀有绝缘材料形成的膜，整个探针本体仅探针端部导电，因此即使除探针尖端部分之外的探针部分接触液相也不会导通，避免了上述产生测量误差的情况，提高了测量精度。
[0008]在一实施例中，所述阻抗测量单元包括:至少一个阻抗测量模块，每个阻抗测量模块能够输出单极性的具有一频率的激励电压且采用离散傅里叶变换算法获得阻抗值;至少一个信号极性转换模块，每个信号极性转换模块与所述至少一个阻抗测量模块中的一个阻抗测量模块和所述至少一对探针信号中的一对探针信号连通，所述信号极性转换模块能够将对应的阻抗测量模块输出的单极性的具有一频率的激励电压转换为双极性的具有一频率的激励电压，并且将转换的双极性的具有一频率的激励电压输入至所述对应的一对探针;所述信号极性转换模块还能够将被激励电压激励的所述对应的一对探针的响应信号转换为单极性信号并且被所述对应的阻抗测量模块采集。
[0009]在一实施例中，每个信号极性转换模块包括RC电路和放大器，并且被配置实现单、双极性信号的转换。
[0010]在一实施例中，所述至少一对探针包括多对探针，所述至少一个阻抗测量模块包括多个阻抗测量模块并且各个阻抗测量模块所输出的激励电压的频率不同，所述至少一个信号极性转换模块包括多个信号极性转换模块。
[0011]在一实施例中，所述阻抗测量单元还包括与所述至少一个阻抗测量模块信号连通的自校准模块、向所述至少一个信号极性转换模块提供双极性电源的电源极性转换单元、提供触发信号的触发电平转换模块、用于在至少一个阻抗测量模块之间进行切换的地址配置开关以及使所述至少一个阻抗测量模块与外部设备进行通信且控制所述至少一个阻抗测量模块的操作的通信和控制模块。
[0012]在一实施例中，还包括至少一个能够从气液两相流的管道上拆卸并更换的探针安装件，所述探针安装件设置有至少一个细长通孔，所述至少一对探针中的一对探针安装于一个细长套管中组成一个探针组件，至少一个探针组件插入并固定于所述至少一个细长通孔中组成一个所述探针安装件，所述至少一个探针安装件从侧面插入气液两相流的管道中并且所述至少一对探针的尖端部分与所述气液两相流接触，另一端部通过屏蔽导线与所述至少一个阻抗测量模块电连接。
[0013]在一实施例中，所述气液两相流含气率测量系统还包括显示单元，被配置成显示通过处理来自所述阻抗测量单元的信号而得到的结果。
[0014]在一实施例中，所述探针的导电本体的除尖端以外的部分上的绝缘膜分别采用了二氧化硅和三氧化二铝作为绝缘膜。
【附图说明】
[0015]现在参照随附的示意性附图，仅以举例的方式，描述本实用新型的实施例，其中，在附图中相应的附图标记表示相应的部件或功能类似的部件，且其中:
[0016]图1是根据本实用新型的实施例的气液两相流含气率测量系统的方框示意图；
[0017]图2是根据本实用新型的实施例的气液两相流含气率测量系统的探针的结构示意图，其中探针通过探针安装件接入气液两相流环境中；
[0018]图3是图2中A部分的放大示意图；
[0019]图4是根据本实用新型的实施例的气液两相流含气率测量系统的阻抗测量单元的示意性组成框图。
【具体实施方式】
[0020]参考图1-4，根据本实用新型的用于在线测量气液两相流的气液两相流含气率测量系统I包括:至少一对探针11(为了简化，例如图2中仅示出一个探针11)，至少一对探针11在使用时与气液两相流流道101中的气液两相流接触;阻抗测量单元12，阻抗测量单元12与至少一对探针11电连接，其中每个探针11包括具有尖端部分111 a的导电本体111和附着在导电本体111的除尖端部分11 Ia之外的部分上的绝缘膜112。
[0021]在本实用新型的气液两相流含气率测量系统中，以连续检测阻抗值的方式对所有采集的数据加以处理和利用，避免了现有技术中存在的有用信息被忽略或被丢弃的缺陷，提高了流型判断的正确率。进一步地，在现有技术中，为了减小探针引线管对流场的影响，通常会将探针的伸出引线管的部分增长。但是由于伸出引线管的探针部分全部为导体，气泡接触探针端部时，仍然有一部分探针会接触液相，导致数据采集系统认为此时并未接触气相，从而产生较大的测量误差。本实用新型的气液两相流含气率测量系统中，每个探针的除探针尖端部分之外的部分上均镀有绝缘材料形成的膜，整个探针本体仅探针端部导电，因此即使除探针尖端部分之外的探针部分接触液相也不会导通，避免了上述产生测量误差的情况，提高了测量精度。
[0022]在一可选实施例中，探针11上的绝缘膜112可以通过真空射频溅射镀膜的方法形成，绝缘膜112的厚度可以控制在100微米左右。在一实施例中，采用二氧化硅或三氧化二铝材料作为绝缘膜。探针11可以由不锈钢材料制成，例如OCr 18Ν?9材料等。一对探针的轴向之间的间距可以为2毫米左右，径向间距可以为1.5毫米左右。可选地，可以采用焊接等方法电连接探针11与例如单芯同轴屏蔽导线等导线。
[0023]在一实施例中，阻抗测量单元12包括:至少一个阻抗测量模块205(为了简化，例如图4中仅示出一个阻抗测量模块)，每个阻抗测量模块205能够输出单极性(例如，正极性)的具有一频率的激励电压且采用离散傅里叶变换算法获得阻抗值，例如在一示例中，可以由AD5933芯片及其外围电路构成阻抗测量模块;至少一个信号极性转换模块206(为了简化，例如图4中仅示出一个信号极性转换模块)，每个信号极性转换模块206与至少一个阻抗测量模块205中的一个和至少一对探针11中的一个信号连通，信号极性转换模块206能够将对应的阻抗测量模块205输出的单极性的具有一频率的激励电压转换为双极性的具有一频率的激励电压，并且将转换的双极性的具有一频率的激励电压输入至至少一对探针11;信号极性转换模块206还能够将被激励电压激励的至少一对探针11的响应信号转换为单极性信号并且被阻抗测量模块205采集。
[0024]在现有技术中，探针大多使用单极性激励信号，单极性信号在探针上产生极化效应，水中的杂质因此会附着在探针上，从而导致探针的使用寿命迅速降低。在根据本实用新型的气液两相流含气率测量系统中，采用信号极性转换模块将单极性的激励电压转换为双极性的激励电压，从而消除了极化现象，延长了探针的使用寿命。
[0025]优选地，信号极性转换模块206可以包括RC电路和放大器，并且被配置实现单、双极性信号的转换。具体地，信号极性转换模块206可以使用RC电路与放大器实现信号偏移值的调整，信号极性转换模块206将阻抗测量模块205输出的正或负极性正弦信号转换为偏移值为OV的双极性信号，这样可有效降低探针上的极化效应、延长探针寿命。探针11返回的信号再由信号极性转换模块206转换为阻抗测量模块205指定范围的正或负极性信号。信号极性转换模块206还使用瞬变电压抑制二极管(TVS)进行静电保护以防瞬间高压造成输入端器件损坏。
[0026]在现有技术中，采用运算放大器将单极性信号调整为双极性信号，由此，理想情况下可消除极化效应。但是由于运算放大器会引入一定的干扰，较多的运算放大器对微小电流的检测精度会产生较大的负面影响。而在本实用新型的气液两相流含气率测量系统中，由于使用RC电路和放大器结合进行单、双极性信号的转换，即采用无源器件实现单、双极性信号的转换，使得能够将引入的干扰减至最小，大大提高了检测精度。
[0027]在一优选实施例中，至少一对探针11包括多对探针，至少一个阻抗测量模块205可以包括多个阻抗测量模块并且各个阻抗测量模块205所输出的激励电压的频率不同，至少一个信号极性转换模块206也可以包括多个信号极性转换模块。
[0028]在现有的多探针测量系统中，必须通过扫描的方式进行测量，以防止某对探针检测到其他探针的激励信号而导致测量结果被干扰。这样一来，使得测量速率随着探针数量的增加而下降。在本实用新型的气液两相流含气率测量系统中，阻抗测量模块采用离散傅里叶变换算法获得阻抗值，而这样的算法有针对频域进行分析的特性，因此可以采用多个阻抗测量模块、使用不同频率同时对气液两相流的不同位置进行测量而互不影响，避免了扫描方式造成的测量速率下降的问题。
[0029]在一实施例中，例如如图4所示，阻抗测量单元12还包括:与至少一个阻抗测量模块205信号连通的自校准模块204，例如自校准模块可以包括多路模拟开关与标准电阻；向信号极性转换模块206提供双极性电源的电源极性转换单元207，例如可以由MAX743芯片及其外围电路构成电源极性转换单元，在一具体示例中，电源极性转换单元207例如可以将USB接口 208输入的5V电源转换为稳定、低纹波的双极性电源，保证了信号极性转换单元206的稳定性与性能；提供触发信号的触发电平转换模块202;用于在至少一个阻抗测量模块205之间进行切换的地址配置开关203，在利用多对探针进行测量的情况下，可以利用地址配置开关203设定多个阻抗测量模块的地址，实现利用不同频率同时对气液两相流的不同部位进行测量的操作；以及使阻抗测量模块205与外部设备进行通信(例如通过USB接口208接入外部5V电源，或者与外部PC连接通信等等)且控制阻抗测量模块205的操作的通信和控制模块201。
[0030]应该指出的是，探针可以以任何形式安装到气液两相环境中，只要能够对气液两相流进行阻抗测量即可。例如，将装配好的探针组件15b(包括一对探针11以及细长套管)安装在探针安装件15上设置的细长通孔15a内(为简化，图2中仅仅示出一个细长通孔，然而，可以设置多个细长通孔，以便进行多探针对测量操作)，将安装有探针组件15b的探针安装件15安装到管道上，管道中通入气液两相流，并且探针11的尖端部分Illa与气液两相流101接触，另一端部通过屏蔽导线(未示出)与阻抗测量单元12电连接。
[0031]在一可选实施例中，气液两相流含气率测量系统I还可以包括显示单元17，被配置成显示通过处理来自阻抗测量单元12的信号而得到的结果。例如，可以采用LabVIEW界面程序对探针阻抗的变化图表与分析后的气泡大小分布图表进行实时显示，并且LabVIEW界面程序还可以对阻抗测量单元的各项参数进行调整。
[0032]至此已经结合具体实施例对本实用新型进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本实用新型的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
【主权项】
1.一种用于在线测量气液两相流的气液两相流含气率测量系统，包括: 至少一对探针，所述至少一对探针在使用时与气液两相流接触;和 阻抗测量单元，所述阻抗测量单元与所述至少一对探针电连接； 其特征在于，所述至少一对探针中的每个探针包括除尖端以外的部分附着有绝缘膜的导电本体。2.根据权利要求1所述的气液两相流含气率测量系统，其特征在于，所述阻抗测量单元包括: 至少一个阻抗测量模块，每个阻抗测量模块能够输出单极性的具有一频率的激励电压且采用离散傅里叶变换算法获得阻抗值； 至少一个信号极性转换模块，每个信号极性转换模块与所述至少一个阻抗测量模块中的一个阻抗测量模块和所述至少一对探针信号中的一对探针信号连通，所述信号极性转换模块能够将对应的阻抗测量模块输出的单极性的具有一频率的激励电压转换为双极性的具有一频率的激励电压，并且将转换的双极性的具有一频率的激励电压输入至所述对应的一对探针;所述信号极性转换模块还能够将被激励电压激励的所述对应的一对探针的响应信号转换为单极性信号并且被所述对应的阻抗测量模块采集。3.根据权利要求2所述的气液两相流含气率测量系统，其特征在于，每个信号极性转换模块包括RC电路和放大器，并且被配置实现单、双极性信号的转换。4.根据权利要求2所述的气液两相流含气率测量系统，其特征在于，所述至少一对探针包括多对探针，所述至少一个阻抗测量模块包括多个阻抗测量模块并且各个阻抗测量模块所输出的激励电压的频率不同，所述至少一个信号极性转换模块包括多个信号极性转换模块。5.根据权利要求2-4中任一项所述的气液两相流含气率测量系统，其特征在于，所述阻抗测量单元还包括与所述至少一个阻抗测量模块信号连通的自校准模块、向所述至少一个信号极性转换模块提供双极性电源的电源极性转换单元、提供触发信号的触发电平转换模块、用于在至少一个阻抗测量模块之间进行切换的地址配置开关以及使所述至少一个阻抗测量模块与外部设备进行通信且控制所述至少一个阻抗测量模块的操作的通信和控制模块。6.根据权利要求2-4中任一项所述的气液两相流含气率测量系统，其特征在于，还包括至少一个能够从气液两相流的管道上拆卸并更换的探针安装件，所述探针安装件设置有至少一个细长通孔，所述至少一对探针中的一对探针安装于一个细长套管中组成一个探针组件，至少一个探针组件插入并固定于所述至少一个细长通孔中组成一个所述探针安装件，所述至少一个探针安装件从侧面插入气液两相流的管道中并且所述至少一对探针的尖端部分与所述气液两相流接触，另一端部通过屏蔽导线与所述至少一个阻抗测量模块电连接。7.根据权利要求2-4中任一所述的气液两相流含气率测量系统，其特征在于，还包括显示单元，被配置成显示通过处理来自所述阻抗测量单元的信号而得到的结果。8.根据权利要求1中所述的气液两相流含气率测量系统，其特征在于，所述探针的导电本体的除尖端以外的部分上的绝缘膜分别采用了二氧化硅和三氧化二铝作为绝缘膜。
【文档编号】G01N27/02GK205426837SQ201620216559
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】徐昕晨, 王燊, 田芳, 陈炼, 刘雨佳, 蔡林智, 王兴涛
【申请人】国核华清（北京）核电技术研发中心有限公司