專利名稱：測量氣液兩相流的聲速的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體測量領(lǐng)域，是一種測量氣液兩相流的聲速，也就是測量氣液兩相流中壓力波的傳播速度的裝置。
背景技術(shù)：
氣液兩相流的流動是工程上最常見的復雜現(xiàn)象。流體中的聲速是指流體中壓力波的傳播速度，即流體某一區(qū)域內(nèi)發(fā)生的微小擾動傳播到其他區(qū)域的傳播速度。單相流體的聲速是隨著流體的可壓縮性的提高而降低。例如水中的聲速可達1500m/s，而空氣的聲速約為340m/s。在氣液兩相流中，由于兩相介質(zhì)相互摻混，導致氣液混合物的可壓縮性遠小于其中單相成分的可壓縮性，因此氣液兩相流中的聲速的極大下降。工程上，例如在核反應(yīng)堆的安全設(shè)計、噴霧燃燒過程的組織、油氣輸運管道的安置等領(lǐng)域中，都需要考慮氣液兩相流的聲速問題，因為氣液兩相流的壓力波的傳播特性對上述工程問題有十分重要的作用。影響氣液兩相流的聲速的主要流動參數(shù)有流體的流動速度、氣體含量、色散性、 溫度。為準確獲得氣液兩相流在上述流動參數(shù)下的壓力波的傳播特性，需要一種能夠同時測量上述因素對氣液兩相流的聲速的影響的裝置。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種測量氣液兩相流的聲速的裝置，它包括一個液體供給系統(tǒng)、一個氣體供給系統(tǒng)、一個氣液混合器、一個傳熱管道、一個管道加熱系統(tǒng)、一個擾動波發(fā)生器、一個具有絕熱功能的測量管道，三個壓力傳感器、一個電極對，一個氣體含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)、一個氣液分離系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。有上述部件組成的測量裝置可以測量氣液兩相流的聲速，以及兩相流的流動速度、氣體含量、色散性、溫度對聲速的影響。本發(fā)明采用的技術(shù)方案圖1是測量氣液兩相流的聲速的裝置的布局圖。如圖1中所示，兩相流的液體由液體供給系統(tǒng)提供，流體的速度由液體供給系統(tǒng)中的液體泵控制。氣體由氣體供給系統(tǒng)提供。 液體、氣體進入氣液混合器進行充分混合。氣液混合器的腔體是圓柱形，里面沿軸線方向安裝至少三層不銹鋼制成的金屬網(wǎng)，圓柱形頂面是液體入口，對面是兩相流出口，氣體從圓柱體周邊的小孔進入，液體和氣體通過金屬網(wǎng)的孔隙后均勻混合，形成均質(zhì)氣液兩相流。其中氣體的含量按照液體流量值、氣體流量值的配比，通過供氣系統(tǒng)中的電控節(jié)氣閥調(diào)節(jié)。兩相流進入傳熱管道，根據(jù)設(shè)定的溫度，由管道加熱系統(tǒng)對其進行加熱，直到達到預定溫度。在傳熱管道之前或之后，連接有擾動波發(fā)生器，擾動波發(fā)生器是一個能產(chǎn)生頻率可調(diào)的標準正弦波的、由伺服電機拖動的往復式活塞機構(gòu)。產(chǎn)生頻率可調(diào)的標準正弦波，作為擾動波， 傳入后面的具有絕熱功能的測量管道。此階段，溫度被認為是恒定的。傳熱管道和測量管道都是橫截面為圓形的細長管道。三個壓力傳感器安裝在測量管道的壁面上。從來流方向，三個壓力傳感器分別標號1，2，3。彼此等距離。2號為中心壓力傳感器，，1號和3號分別被稱為上游和下游壓力傳感器。1號和3號被安裝在2號對面。2號壓力傳感器正對面安裝一個電極對。1，2，3號傳感器用來測量三個點的壓力，電極對用來測量當?shù)貧怏w含量。 在測量前電極對需要標定，獲得輸出電壓和氣體含量的關(guān)系曲線。因為傳熱管道的加熱過程會使測量管道內(nèi)的氣體含量發(fā)生變化，偏離電控節(jié)氣閥設(shè)定好的氣體含量。這一點可以通過電極對的測量值和是否與設(shè)定值一致反映出來。如果有偏差，一個氣體含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)會通過電控節(jié)氣閥，進一步調(diào)整氣體流量，直到電極對處的氣體含量值與設(shè)定值的偏差在誤差范圍內(nèi)。測量管道下游連接一個氣液分離系統(tǒng)，被分離的液體回到液體供給系統(tǒng)。所有數(shù)據(jù)通過一個數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)采集、分析處理。對三個不同位置的壓力值進行FFT變換，通過相關(guān)分析和譜分析的方法可以推算出兩相流當?shù)氐穆曀佟１景l(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明提出的測量氣液兩相流的聲速的裝置結(jié)構(gòu)簡單、實用，使用方便，功能強大。在這個裝置上，流動速度、氣體含量、色散性、溫度四個參數(shù)對氣液兩相流的聲速的影響可以分別進行測量，獨立地考慮其中任意一個參數(shù)的影響，也可綜合考慮各個參數(shù)的影響， 進行交叉實驗。

圖1測量氣液兩相流的聲速的裝置的布局圖；圖中，1液體供給系統(tǒng)、2液體流、3氣體供給系統(tǒng)、4氣體流、5氣液混合器、6管道加熱系統(tǒng)、7氣體含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)、8電極對、9下游壓力傳感器、10具有絕熱功能的測量管道，11氣液分離系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、12中心壓力傳感器、13回水、14擾動波發(fā)生器、15傳熱管道。圖2測量空氣-水兩相流中的聲速的裝置的布局圖；圖中，1水箱、2管道加熱系統(tǒng)、3氣液混合器、4流量計、5電控節(jié)流閥、6集水池、7 液體泵、8水流、9傳熱管道、10擾動波發(fā)生器、11具有絕熱功能的測量管道、12數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、13控制計算機、14回水、15中心壓力傳感器、16氣液分離系統(tǒng)、17下游壓力傳感器、 18鉬金電極對、19氣體含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)、20壓縮氣泵、21電控節(jié)氣閥、22氣體流量計、 23溫度傳感器、M壓力監(jiān)控傳感器、25空氣流。圖3氣液混合器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1圓柱形腔體、2進入水口、3，4空氣進入的周邊的小孔、5三層金屬網(wǎng)、6兩相流流出的口。圖4擾動發(fā)生器的工作原理圖；圖中，1伺服電機拖動、2往復式活塞機構(gòu)、測量管道圖5壓力傳感器和電極對在測量管道上的安裝示意圖；圖中，1測量管道、2上游(1號)壓力傳感器、3下游(3號)壓力傳感器、4鉬金電極對、5中心0號)壓力傳感器。
具體實施方式
以一個具體實施方案進一步說明本發(fā)明提出的一種測量氣液兩相流的聲速的裝置的結(jié)構(gòu)和原理。具體是一個空氣-水兩相流中的壓力波的傳播速度的裝置。
4[0021]圖2是測量空氣-水兩相流中的聲速的裝置的布局圖。如圖2中所示，兩相流中的水由液體供給系統(tǒng)提供。該系統(tǒng)中包括一個固定高度的水箱、地面上的集水池、液體泵、 流量計、電控節(jié)流閥等部件。流體的速度由液體供給系統(tǒng)中的液體泵控制?？諝庥蓺怏w供給系統(tǒng)提供。該系統(tǒng)包括壓縮氣泵、氣體流量計、電控節(jié)氣閥、溫度傳感器等部件。水、空氣進入氣液混合器進行充分混合，形成均質(zhì)空氣-水兩相流。圖3是氣液混合器的結(jié)構(gòu)示意圖。氣液混合器內(nèi)腔呈圓柱形，沿著其軸線方向安裝三層金屬網(wǎng)。沿其軸線即是水進入、兩相流流出的口?？諝鈴闹苓叺男】走M入。其中空氣的含量按照水的流量值、空氣的流量值的配比，通過供氣系統(tǒng)中的電控節(jié)氣閥調(diào)節(jié)?？諝獾暮靠梢詮?(純水)到100% (純空氣)。溫度傳感器的值用來修正空氣的密度值。氣液混合器連接傳熱管道，傳熱管道由傳熱系數(shù)較高的材料，不銹鋼材料制成。空氣-水兩相流進入傳熱管道后，根據(jù)設(shè)定的溫度，由管道加熱系統(tǒng)對其進行加熱，直到達到預定溫度。管道加熱系統(tǒng)采用大功率電磁加熱器。在傳熱管道之后，連接有擾動波發(fā)生器， 產(chǎn)生頻率可調(diào)的標準正弦波。圖4是擾動發(fā)生器的工作原理圖。正弦波由通過一個由伺服電機拖動的往復式活塞機構(gòu)獲得。如果不考慮兩相流的聲速的色散性，即聲速對擾動頻率的反應(yīng)程度，則不啟動擾動發(fā)生器。正弦波作為擾動波，傳入后面的具有絕熱功能的測量管道。測量管道階段，溫度被認為是恒定的。材料采用傳熱系數(shù)較低的有機玻璃。傳熱管道和測量管道和的橫截面都是圓形的細長管，且直徑相等。加熱管道與測量管道之和與管道直徑之比大于10，目的是使空氣-水兩相流中的聲速的波長遠大于的直徑，這樣可以保證壓力波僅沿著的測量管道的軸向傳播，保證流動是一維流動的前提假設(shè)。三個壓力傳感器安裝在測量管道的壁面上。從來流方向，三個壓力傳感器分別標號1，2，3。彼此等距離。2號為中心壓力傳感器，1號和3號分別被稱為上游和下游壓力傳感器。1號和3號被安裝在2號對面。2號壓力傳感器正對面安裝一個鉬金制成的電極對， 測量端深入到測量管道中，但不超過測量管道的中心軸線。圖5是壓力傳感器和電極對在測量管道上的安裝示意圖。傳感器1，2，3號用來測量三個點的壓力，電極對用來測量當?shù)乜諝夂俊Ｔ跍y量前電極對需要標定，獲得的輸出電壓和空氣含量的關(guān)系曲線。因為傳熱管道的加熱過程會使電控節(jié)氣閥設(shè)定好的空氣含量產(chǎn)生變化，這一點可以通過的測量值和是否與設(shè)定值一致反映出來。如果有偏差，一個氣體含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)會通過驅(qū)動電控節(jié)氣閥，進一步調(diào)整氣體流量，直到電極對處的氣體含量值與設(shè)定值在誤差范圍內(nèi)。如果不考慮溫度對聲速的影響，可以不啟動管道加熱系統(tǒng)，在室溫條件下進行聲速測量試驗。測量管道下游相連一個氣液分離系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用離心力分解空氣和水，水回到液體供給系統(tǒng)的集水池中循環(huán)使用。所有數(shù)據(jù)通過一個分析系統(tǒng)采集分析處理。對所獲得三個不同位置的壓力值進行 FFT變換，通過相關(guān)分析和譜分析的方法可以推算出空氣-水兩相流在一定的流動速度、一定的空氣含量、一定的溫度下的當?shù)氐穆曀佟?br> 權(quán)利要求1.一種測量氣液兩相流的聲速的裝置，兩相流的液體由液體供給系統(tǒng)提供，氣體由氣體供給系統(tǒng)提供；液體、氣體進入氣液混合器形成均質(zhì)氣液兩相流；兩相流進入傳熱管道， 由管道加熱系統(tǒng)對其進行加熱，在傳熱管道之前或之后，連接有擾動波發(fā)生器；三個壓力傳感器安裝在測量管道的壁面上；位于中心的壓力傳感器正對面安裝一個電極對；氣體含量閉環(huán)控制系統(tǒng)通過電控節(jié)氣閥調(diào)整氣體流量；測量管道下游連接一個氣液分離系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量氣液兩相流的聲速的裝置，其特征在于，所述的一個氣液混合器的腔體是圓柱形，里面沿軸線方向安裝至少三層不銹鋼制成的金屬網(wǎng)；在圓柱形頂面是液體入口，對面是兩相流出口，氣體從圓柱體周邊的小孔進入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量氣液兩相流的聲速的裝置，其特征在于，所述的擾動波發(fā)生器是一個能產(chǎn)生頻率可調(diào)的標準正弦波的、由伺服電機拖動的往復式活塞機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量氣液兩相流的聲速的裝置，其特征在于，所述的傳熱管道由不銹鋼材料制成，是橫截面積為圓型的細長管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量氣液兩相流的聲速的裝置，其特征在于，所述的具有絕熱功能的測量管道由有機玻璃材料制成，是橫截面積為圓型的細長管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種測量氣液兩相流的聲速的裝置，沿測量管道的軸線方向順序被安裝在測量管道的壁面上，彼此等距離，中間的傳感器位于另外兩個對面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種測量氣液兩相流的聲速的裝置，所述電極對深入到測量管道中，但不超過測量管道的中心軸線。
專利摘要本實用新型公開了一種測量氣液兩相流的聲速的裝置，它包括一個液體供給系統(tǒng)、一個氣體供給系統(tǒng)、一個氣液混合器、一個傳熱管道、一個管道加熱系統(tǒng)、一個擾動波發(fā)生器、一個具有絕熱功能的測量管道，三個壓力傳感器、一個電極對，一個氣體含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)、一個氣液分離系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。有上述部件組成的測量裝置可以測量氣液兩相流的聲速，以及兩相流的流動速度、氣體含量、色散性、溫度對聲速的影響。
文檔編號G01P5/24GK202255615SQ20112026717
公開日2012年5月30日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者路明 申請人:天津空中代碼工程應(yīng)用軟件開發(fā)有限公司