一种基于射线衰减技术的气液两相流测量方法和装置与流程

本发明涉及领域，是一种基于射线衰减技术的气液两相流测量方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。

背景技术：

工程上广泛存在着两相流的流动现象，其中以气液两相流最为普遍。例如石油输运管道内、水轮机转子周围、大气云层内的对流等，都属于气液两相流流动。通过两相流流动流动参数进行测量，了解其特性及变化规律，对于相关科研、设计以及生产具有十分重要的意义。与单相流相比，两相流由于在相界面各相间存在传质，甚至化学反应，而且在时间、空间上随机可变，使得诸如各相含量、流速、流量以及总体速度、流量等流动参数的检测更具复杂性，难度很大。迄今为止，已有的检测技术和方法大多是建立在单相传感器基础上的检测手段，获得的信息量小，而且无法对两相流的整体特性进行实时观测描述。

气液两相流的测量涉及的参数以及表现形式如下：

1.流量

(1)气液两相流的质量流量：

G＝G_g+G_l，

其中，G总质量流量；G_g和G_l分别为气相和液相质量流量。

(2)气液两相流的体积流量：

Q＝Q_g+Q_l，

其中，Q总体积流量；Q_g和Q_l分别为气相和液相体积流量。

2.流速

(1)气液分相速度

$w_g=\frac{Q_g}{A_g};w_l=\frac{Q_l}{A_l},$

其中，w_g和w_l分别为气相和液相分速度；A_g和A_l分别为气相和液相流体通过的截面积。

(2)气液分相表观速度

$w_{sg}=\frac{Q_g}{A};w_{sl}=\frac{Q_l}{A},$

w_sg和w_sl分别为气相和液相表观速度；流通截面积

A＝A_g+A_l。

3.密度

(1)流动密度

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{G}{Q}.$

(2)真实密度

ρ＝αρ_g+(1-α)ρ_l，

其中，ρ_g和ρ_l分别为气相和液相流体密度；α是截面含气率，也称空隙率。

4.分相含率

(1)截面含气率(空隙率)

$\mathrm{\α}=\frac{A_g}{A}.$

(2)容积含气率

$\mathrm{\β}=\frac{Q_g}{Q}.$

(3)质量含气率

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\β\ρ}}_g}{{\mathrm{\β\ρ}}_g+(1-\mathrm{\β}){\mathrm{\ρ}}_l}.$

随着工业生产中对于两相流流动的计量、控制方面的更高要求，需要开发一种能够同时测量获得气液两相流中各相含量、流速和流量，以及总体平均速度、流量的装置。

射线衰减技术可以实现可视化、非接触、低成本测量,近年来在流体测量方面的应用得到了很大的发展。代表性的γ射线衰减法已广泛地应用于工业生产上的在线监测，例如用于工业精馏塔进行不停工的故障诊断等。具体在气液两相流测量中的应用原理是：γ射线穿过多相流体被吸收的程度(用吸收系数μ_m表示)，与多相流体的平均密度、介质成分、射线的能量相关。射线能量的衰减特征用下式表示

$N_g=N_0{e}^{-{\mathrm{\μ}}_m{\mathrm{\ρ}}_m{L}_m},$

其中，Ng、No分别为γ射线入射前、后的能量；ρ_m为两相流体的总密度(前式中的真实密度)；L_m为射线穿过的宽度。当γ射线的能量超过一定值时,μ_m与物质的介质成分无关,仅是物质的密度和厚度乘积的函数。在气液两相流测量中的检测过程中,由于流动管道厚度是一定的。因此，γ射线扫描所得的图谱实际上是反映流动管道内气液两相流总密度的变化情况。同时，γ射线穿过两相流的能量衰减公式还可写成以下形式：

$N_g=N_0{e}^{-({\mathrm{\μ}}_g{\mathrm{\ρ}}_g{L}_g+{\mathrm{\μ}}_l{\mathrm{\ρ}}_l{L}_l)},$

其中，μ_g、μ_l分别表示液体和气体的吸收系数；L_g、L_l分别表示液体和气体的等效厚度，也代表体积分相含率。

连续的测量γ射线入射前、后的能量，还可以得到前述气液两相流的分相各相速度和流量，如果配以多个其他类型的传感器，实现组合测量，则可以获得完整的气液两相流的流动参数。

本发明提供一种射线衰减技术的气液两相流测量方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。

技术实现要素：

本发明提供一种基于射线衰减技术的气液两相流测量方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。图1是基于射线衰减技术的气液两相流测量装置的布局图。图中所示，该装置包括：测量管道(1)、γ射线发射器(2)、γ射线接收器(3)、数据采集与处理系统(4)、控制计算机(5)、压差流量计(6)。其连接关系是：

γ射线发射器(2)安装在被测气液两相流流动的测量管道(1)的管壁上；

γ射线接收器(3)安装在超声信号发射器(2)对面；

γ射线接收器(3)连接数据采集与处理系统(4)；

压差流量计(6)位于测量管道(1)上，在γ射线发射器(2)的上游或下游；

控制计算机(5)连接γ射线发射器(2)、γ射线接收器(3)、数据采集与处理系统(4)。

图2是射线衰减技术测量气液两相流的各相含量的原理图。图中表示，沿着测量管道(1)中两相流流动方向上的剖面上，测量管道两侧安置γ射线发射器(2)，其对面安装γ射线接收器(3)，射线(7)穿过的地区，形成了一个测量区域。测量的过程中，γ射 线发射器(2)发射γ射线信号，测量管道(1)内气液两相流流动穿过测量区域内(实际是一个体积)时，气泡(9)和液体(8)各相含量和分布的不断变化。数据采集与处理系统(4)测量γ射线入射前、后的能量，得到气液两相流在该测量区域内的分相各相速度和流量，

附图说明

图1是基于射线衰减技术的气液两相流测量装置的布局图；图中，1测量管道1、2γ射线发射器、3γ射线接收器、4数据采集与处理系统、5控制计算机、6压差流量计。

图2是射线衰减技术测量气液两相流的各相含量的原理图；图中，1测量管道、2γ射线发射器、3γ射线接收器、7射线、8液体、9气泡。

具体实施方式

以一个具体实施方案进一步说明本发明提出的一种基于射线衰减技术气液两相流测量方法和装置的原理和结构。该方法和装置用于测量空气-水两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。该装置中的部件组成和连接关系与图1相同。

具体实施方式中，

测量管道(1)的截面为正方形、为长度为1m、内边为50mm、壁厚10mm、材料为有机玻璃。水平放置。

γ射线发射器(2)采用²⁴¹Am辐射源，照射银片产生50keV的γ射线，透射空气-水两相流流体。γ射线穿过连续变化气-水两相流后，其强度衰减；

数据采集与处理系统(4)测量γ射线接收器(3)上的强度，进行数据处理，获得获得气-水两相流流场在测量出的瞬态成分；

控制计算机(5)连接、控制数据采集与处理系统(4)的运行，同时规定数据采集与处理系统(4)的连续的采样间隔，从而获得空气-水的分相速度；

压差流量计(6)在测量管道(1)的下游，测量总流量。