气-液两相流的速度与气体含量的传感器的标� �装置 技术领域

本发明涉及测量气-液两相流的速度与气体含� �的传感器的标定装置， 该传感器是用 来测量气-液两相流的三维流动速度和气体含� �的， 在使用之前需对其进行标定， 因而需 要一套适合的标定装置。 背景技术

气 -液两相流的流动是工程上最常见的复杂现象� � 例如水轮机械中的转子周围的流动、 燃烧器喷油嘴中的流动， 都是气 -液的两相流流动。 设计、 分析两相流的流动的机械设备 需要了解流场中诸如速度、 压力， 以及气-液两相含量等数据。 目前已经开发出多种针对 两相流流动的实验方法。 其中使用压力传感器和导电电极同时测量两相 流流速和气体含量 的技术是一种有效、 简便的技术。 其基本原理是将多孔压力探头和导电电极制作 成为一个 整体的传感器， 被称为气 -液两相流的速度与气体含量的传感器。 它利用多孔压力探头测 量两相流的三维流动速度和方向， 同时用导电电极测量的气体含量。 气-液两相流的速度 与气体含量的传感器在用于测量之前， 需要对其进行标定， 需要获得多个压力孔的压力系 数和流动方向的关系数据表， 以及各种组合形成的电极对的输出电压值与气 体含量之间的 关系曲线。 该传感器中的压力探头的标定不同于单相流气 体或液体的压力探头在风洞或水 洞中的标定，标定装置必须考虑流体中气液两 相的同时存在，也要考虑气液相含量的变化。 发明内容

本发明的目的是提供一种针对用压力传感器和 导电电极同时测量气-液两相流流速和 气体含量的传感器的标定装置， 它包括一个液体供给系统、 一个供气系统、 一个气液混合 器、 一个喷嘴、 一个标定舱、 两个步进电机、 一个有两个转动自由度的支架系统、 数据采 集管理系统及控制计算机等部件。 上述部件的连接方式是：

两相流的液体由液体供给系统提供， 气体由气体供给系统提供；

液体、 气体进入气液混合器形成均质气 -液两相流；

气液混合器下方安装喷嘴， 两相流从喷嘴流出；

喷嘴下方是标定舱， 其中安置由两个步进电机控制的有两个转动自 由度的支架系统。 该标定装置使用方便、 结构简单、 制造成本低。 附图说明

图 1是标定装置的布局原理图。 图中， 1液体供给系统、 2气液混合器、 3供气系统、 4数据采集管理系统、 5控制计算机、 6标定舱、 7步进电机、 8有两个转动自由 度的支架系统、 9欲标定的测量探头、 10喷嘴。

图 2是气液混合器的结构示意图。 图中， 11圆柱形腔体、 12周边进气小孔、 13液体 入口、 14周边进气小孔、 15三层不锈钢制成的金属网、 16 两相流出口 图 3是有两个旋转自由度的支架系统的结构示意� �。 图中， 17步进电机 1号、 18步 进电机 2号、 19支架、 20传动轴、 9欲标定的测量探头、 21绕测量探头轴向的 转动角度《°、 22蜗轮、 23蜗杆、 24绕与测量探头轴线垂直的轴线的转动角度 。 图 4是实施方案中欲标定的测量探头的外观图。 图中， 25 电极孔、 26导电电极、 27 动压孔、 28塑料塞子、 29静压孔。

图 5实施方案中的标定装置的布局图。 图中， 30水箱、 31溢流管、 32旁路节流阀、 33液体转子流量、 34水流、 2气液混合器、 35空气流、 36气体压力传感器、 37 温度传感器、 38电控节气阀、 39气体转子流量计、 40空气泵、 10喷嘴、 4数据 采集管理系统、 5控制计算机、 17步进电机 1号、 18步进电机 1号、 8有两个转 动自由度的支架系统、 6标定舱、 9要标定的测量探头、 41回水、 42电控主节流 阀、 43电控液体泵、 44集水池。 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 一种气-液两相流的速度与气体含量的 传感器的标定装置的结构和原理。

图 1是标定装置的布局图。 图 1表示： 一个液体供给系统 （1 ) 和一个供气系统 （3 ) 按照预定的气体含量分别将液体和气体输送至 一个气液混合器 （2)， 使气体和液体充分混 合形成均质气 -液两相流。 经过下面的喷嘴 （10 ) 流出。 喷嘴 （10 ) 垂直向下， 并与欲标 定的测量探头 （9 ) 对正。 喷嘴 （10 ) 和测量探头 （9 ) 彼此之间的距离不能过近， 以免产 生液体的反射现象， 改变流体在喷嘴 （10 ) 处的静压， 该距离也不能太远， 以免流出的液 体掺入新的空气， 影响标定精度。

外形呈圆柱状的气液两相流的速度与气体含量 的传感器也称作测量探头 （9 ) 被安置 在具有两个转动自由度的支架上系统 （8 )。 所述的转动事由步进电机 （7 ) 控制的。 安置 测量探头时， 测量探头 （9) 的测量端垂直向上， 和喷嘴 （10) 对正。

图 2 是上述气液混合器 （2) 的结构示意图。 图中表示： 它由一个圆柱形腔体 （11 ) 构成， 里面沿轴线方向安装至少三层不锈钢制成的金 属网 （15)， 目的是让液体和气体通 过金属网的孔隙均勾混合；工作时，气液混合 器沿轴线垂直放置。其顶部是液体入口（13)， 液体由此进入。 沿圆周是若干周边进气小孔 （12 )， 气体由此进入。 混合后由下方的两相 流出口 （16) 流入喷嘴 （10)。

图 3是有两个旋转自由度的支架系统的结构示意� �。 其中说书的两个旋转自由度是指 绕测量探头轴向的转动角度《° ( 21 )和绕与测量探头轴线垂直的轴线的转动角度^ > ( 24)。 两个方向的转动分别由步进电机 2号 （18) 和步进电机 2号 （17) 控制， 支架 （19) 装有 测量探头 （9 ) 的部分在标定舱 （6 ) 内， 两台步进电机 （17 )、 ( 18 ) 在标定舱 （6 ) 夕卜， 以防止液体的侵浸。 步进电机 2号 （17) 通过转动支架 （19) 调节转动方向 （24) 步进电 机 2号（18)通过传动轴（20)蜗轮（22)蜗杆（23)调� �测量探头（9)的转动方向（21 )。

标定的时候， 步进电机 （17、 18) 按照旋转角度标定范围在两个自由度方向上， 逐步 转动测量探头 （9)。 在每一个固定角度下， 数据采集管理系统 （4) 及控制计算机 （5) 记 录测量探头 （9 ) 上多个压力孔的压力值。 然后在预定范围调整气体含量， 记录不同气体 含量下测量探头 （9) 上的所有导电电极按照多种组合的电极对的输 出电压。

作测量探头 （9) 的测量端的外观图如图 4所示。 外形是呈圆柱形的， 测量探头有四 个压力孔。 中心孔为动压孔 （27)， 沿着圆周方向有 6个孔， 其中三个为静压孔 （29) , 彼 此间隔 120， 另外三个是电极孔 （25)， 间隔也是 120°， 与静压孔 ( 29) 压力孔交错分布。 电极孔 （25) 中由塑料塞子 （28) 固定安装 3个导电电极 （26)。 以另一个具体实施方案进一步说明本发明提出 的一种气液两相流的速度与气体含量 的传感器的标定装置的结构和原理。 具体涉及的气液两相流的成分是空气和水。

图 5是该实施方案中的传感器的标定装置的布局� �。 如图 5中所示， 一个固定高度的 水头是一个有固定高度为 6m的水箱 （30)， 有水源不断加入水箱。 水头的高度同时由溢流 管（31 )控制。下面的水管接到地面上的集水池（44)� �集水池中的水通过电控液体泵（43)、 旁路节流阀 （32)、 电控主节流阀 （42)、 液体转子流量计 （33) 输送水流 （34) 至气液混 合器 （2)。 进入气液混合器的液体流量可以通过主电控节 流阀 （42) 控制。 另一边， 空气 泵 （40) 将压缩空气通过电控节气阀 （38 )、 气体转子流量计 （39 ) 输送空气流 （35) 至 气液混合器 （2)。 气体流量由电控节气阀 （38) 控制， 从而控制气体的含量。 气体压力传 感器（36 )用于监控输送气体的压力， 温度传感器（37 )获得的值用来校正气体的密度值。 气液混合器 （2 ) 的结构与图 2 所示相同。 其中， 下面的两相流出口 （16)， （此处为 空气 -水两相流） 直径为 20mm。 工作时， 气液混合器沿轴线垂直放置， 不得倾斜， 接上一 个内径为 20匪的管型喷嘴（10)。这样可以保证喷嘴出口� ��的两相是一维流动。 喷嘴（10 ) 处的流体流动速度可以通过水头的高度、 水的流量来确定。

从喷嘴 （10 ) 流出的气-水两相流被认为是均质的， 流出的流体沿喷嘴 （10 ) 直径方 向的速度分布也被认为是均勾的。喷嘴（10 )垂直向下，并与安装在两自由度支架系统（8 ) 上将要标定的测量探头 （9 ) 对正。 喷嘴 （10 ) 和测量探头 （9 ) 彼此之间的距离该距离可 定为 22mm。 从喷嘴 （10 ) 流出的流体从标定舱 （6 ) 内底部的管道流回集水池 （44)。

测量探头 （9 ) 的直径为 5mm， 测量端的孔径均为 0. 8mm。 三个导电电极材料为铂金、 直径 0. 4mm。 四个压力孔通过柔性管连接到四个压力传感器 ， 三个铂金电极加上 1Hz的交 流电。 压力传感器和三个电极都与数据采集管理系统 （4) 连接。

有两个转动自由度的支架系统 （8 ) 的结构与图 3所示相同。 标定的时候， 2台步进电 机（17、 18 )控制的支架（19 )按照设定的旋转角度标定范围 （-20°到 +20°)， 逐步在（24) 绕与测量探头轴线垂直的轴线的转动角度 （24) 方向上转动支架 （19 ) 和绕测量探头轴向 的转动角度 （21 ) 的方向上转动测量探头 （9)。 标定范围过大会使附着在测量探头的测量 端上的流体产生分离， 使标定失败。 在每一个固定角度下， 数据采集管理系统 （4) 记录 测量探头 （9 ) 的四个压力孔的压力值。 然后按照预定的空气比率， 理论上可以从 0 (纯液 体） 到 100% (纯气体）， 由控制计算机 （5 ) 调节电控节气阀 （38)， 调整气体含量， 记录 不同气体含量下三个导电电极 （26 ) 中的任意两个组合产生的三个电极的输出电压 值。 数 据采集板采样频率 10Hz， 采样时间 20秒。

经过数据采集管理系统 （4) 对数据的处理， 最终获得的标定结果表示为： 四个压力 孔的压力系数和流动方向（以绕测量探头轴向 的转动角度《°和绕与测量探头轴线垂直的轴 线的转动角度 的关系数据表，以及分别由三个电极中的任意 两个组合为电极对产生的三 个电极对的输出电压值与气体含量 （从 5%至 80%) 之间的三条关系拟合曲线。

附图标记列表

1液体供给系统

2气液混合器 供气系统

数据采集管理系统

控制计算机

标定舱

步进电机

有两个转动自由度的支架系统

欲标定的测量探头

喷嘴

圆柱形腔体

周边进气小孔

液体入口

周边进气小孔

三层不锈钢制成的金属网

两相流出口

步进电机 1号

步进电机 2号

支架

传动轴 绕测量探头轴向的转动角度《° 蜗轮

蜗杆

绕与测量探头轴线垂直的轴线的转动角度 电极孔

导电电极

动压孔

塑料塞子

静压孔。

水箱

溢流管

旁路节流阀 液体转子流量 水流

空气流 气体压力传感器 温度传感器 电控节气阀 气体转子流量计 空气泵 回水

电控主节流阀 电控液体泵 集水池。