王興濤, 田 芳, Eisemberg Jascha, Prasser H M

(1.國核華清(北京)核電技術研發(fā)中心有限公司，北京 102209; 2.Swiss Federal Institute of Technology,Institute of Energy Technology, ML K 13 Sonneggstrasse 3,Zurich 8092,Switzerland)

一種測量氣
--液兩相流的線列陣傳感器設計*

王興濤1, 田 芳1, Eisemberg Jascha2, Prasser H M2

(1.國核華清(北京)核電技術研發(fā)中心有限公司，北京 102209; 2.Swiss Federal Institute of Technology,Institute of Energy Technology, ML K 13 Sonneggstrasse 3,Zurich 8092,Switzerland)

針對氣—液兩相流研究對含氣率測量的需求，基于線列陣測量技術原理，設計了一種可移動式線列陣兩相流測量傳感器，該傳感器具有較高的空間分辨率(3 mm)和極高的時間分辨率(2 500 Hz)，設計了線列陣傳感器標定和含氣率算法，實現(xiàn)了瞬時二維局部含氣率的測量。經(jīng)過射流沖擊試驗驗證表明：該線列陣傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，基于原始測量數(shù)據(jù)，采用標定和含氣率求解算法，可計算氣泡夾帶現(xiàn)象在水平截面的平均含氣率分布情況。

氣—液兩相流; 線列陣傳感器; 含氣率

0 引 言

氣—液兩相流廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)設備(如鍋爐、蒸汽發(fā)生器等)、核反應堆設備(如氣化裝置、冷凝器等)以及化工設備中，為了能夠研究熱交換現(xiàn)象和其他相關影響，研究氣相和液相之間的相互作用來理解兩相流行為是非常必要的[1]。氣—液兩相流的測量方法主要包括γ射線和X射線計算機斷層掃描、高速攝像、粒子圖像測速(PIV)、聲學方法和電阻抗成像等[2，3]，高速射線斷層掃描的缺點是價格昂貴，其他光學方法僅對于低含氣率具有較好的可靠性，聲學方法只提供沒有空間信息的平均數(shù)據(jù)，電阻成像法成本低，但只提供局部數(shù)據(jù)，空間分辨率低。

線列陣傳感器(WMS)是一種快速斷層成像的電極網(wǎng)設備，可用于高含氣率和惡劣工業(yè)環(huán)境中，可獲得極高時間分辨率(最高10kHz)和較高空間分辨率(1.5～3 mm)信息[4,5]。Johnson I D首次使用線列陣傳感器測量原油中水的體積含率[6]。德國Reinecke N等人將線列陣傳感器用于層析成像[7]，采用的圖像重建算法需大量計算，非常耗時。Prasser H M等人開發(fā)了新型線列陣傳感器[5]，用于快速斷層成像，已成功應用于氣—液兩相流測量，可在高溫高壓(最高10 MPa，300 ℃)環(huán)境下提供高分辨率測量[8]。

1 線列陣傳感器測量原理

線列陣測量系統(tǒng)由線列陣傳感器、數(shù)據(jù)采集設備、測控軟件構(gòu)成，如圖1所示，線列陣傳感器為一次儀表，安裝在流體流動管道內(nèi)，數(shù)據(jù)采集設備采集線列陣傳感器所測數(shù)據(jù)，并按照一定格式和通信方式發(fā)給測控軟件，在計算機上按一定的圖像重建算法重建出流體截面的介質(zhì)分布。

圖1 線列陣傳感器測量系統(tǒng)

如圖2所示，線列陣傳感器的基本結(jié)構(gòu)由2層相互垂直的鋼絲電極構(gòu)成，其中一層為發(fā)射極，另外一層為接收極，兩層電極不接觸，其交叉點為測量點?；緶y量原理為電壓脈沖驅(qū)動發(fā)射極，接收極測量電流，按測點形成二維矩陣。若交叉測量點之間的介質(zhì)電導率不同，所測量的電流值不同，比如：在氣泡穿越交叉測量點的過程中，先后經(jīng)歷水→氣水混合→氣→氣水混合→水的過程，則相應的，接收極所測量的電流值大小先后經(jīng)歷大→中→小→中→大。

圖2 線列陣傳感器基本結(jié)構(gòu)與測量原理

如圖3所示為簡化的線列陣傳感器，發(fā)射極和接收極各由4根相互平行的鋼絲電極組成，具有4×4個交叉測點，形成了4×4的測量矩陣。電壓驅(qū)動發(fā)射極，接收極接收電流，并通過特定電路將電流值進行放大、采樣、保持，以及轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)通過總線傳輸給計算機[5，9]。

圖4為線列陣傳感器的信號控制與采集時序圖，通過控制SP開關(圖3)，可以產(chǎn)生一個驅(qū)動發(fā)射極的矩形脈沖信號，發(fā)射極的使能由S1～S4開關控制。S1～S4開關按照時序順序使能，其中一個使能，其它斷開，使能的發(fā)射極鋼絲和每根接收極鋼絲之間將產(chǎn)生電流信號，在一個發(fā)射極測量周期內(nèi)(如圖4中發(fā)射電極2的驅(qū)動電壓UT2)，通過觸發(fā)控制信號S/H，每根接收極鋼絲分別測量電流值(如圖4中接收電極3的測量電流IR3)，該電流值通過運算放大器轉(zhuǎn)換為電壓值，通過采樣/保持電路進行采樣，然后進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，最后由計算機通過數(shù)據(jù)總線采集數(shù)據(jù)。當最后一根發(fā)射極被使能，并且最后一根接收極完成電流采樣，則獲得一個二維數(shù)據(jù)矩陣。

圖3 線列陣傳感器簡化圖

圖4 信號控制與采集時序圖

2 三層線列陣傳感器設計

如圖5所示，三層線列陣傳感器由三層相互垂直的鋼絲電極構(gòu)成，中間一層為發(fā)射極，上下兩層為接收極，當中間層發(fā)射極使能時，上層接收極和下層接收極可測量電流值，因此，該三層線列陣傳感器具有兩個測量平面。四個矩形平面構(gòu)成傳感器框架，傳感器安裝在框架底部。

圖5 三層線列陣傳感器設計圖

三層線列陣傳感器的主要參數(shù)如圖6，由于細長的鋼絲電極像天線一樣，易受外界信號的干擾，且相鄰鋼絲之間也會相互干擾，因此，由于幾何位置關系的不同，兩側(cè)邊緣的鋼絲所受干擾和其他鋼絲不同。為保證測量信號同一性，減小邊界效應，每層測量平面由68根鋼絲電極組成，但僅有64根鋼絲電極連接數(shù)采設備，兩側(cè)各有2根輔助鋼絲僅固定在框架上，接地但不連接數(shù)采設備，以保證每根鋼絲電極具有相同的測量環(huán)境，因此，該傳感器在每個測量平面可獲得64×64=4 096個交叉測量點，傳感器安裝框架的尺寸為400 mm×400 mm。

圖6 線列陣傳感器尺寸

如圖7所示，傳感器框架由4塊金屬板構(gòu)成，每塊金屬板上安裝一個PCB板，金屬板起到連接與支撐作用，PCB板和鋼絲電極連接，將電極測量信號傳給數(shù)采設備。每根鋼絲電極的兩端都通過螺栓螺母固定在PCB板上，僅有其中一端焊接在PCB板上進行信號傳輸。每根鋼絲都布置一個彈簧，提供5 N預緊力，并補償傳感器框架變形量，避免鋼絲間相互接觸，緩沖和補償水流對鋼絲的形變。

圖7 三層線列陣傳感器機構(gòu)

3 線列陣傳感器標定與含氣率計算

根據(jù)傳感器參數(shù)配置，每根發(fā)射極鋼絲i(1～64)和接收極鋼絲j(1～64)構(gòu)成的交叉點為測量點，系統(tǒng)每秒采集2 500次數(shù)據(jù)，則每幀數(shù)據(jù)k(1～2 500)為一個64×64的二維測量值矩陣，一個測量周期內(nèi)采集一組[i,j,k]=[64×64×2 500]的三維測量值矩陣。每幀的每個交叉點測量值表示為μi,j,k，則該測量值可轉(zhuǎn)換為局部瞬時含氣率εi,j,k

其中，i,j為線列陣傳感器交叉點的索引，取值范圍1～64；k為測量幀的索引，取值范圍1～2 500；μi,j,liquid和μi,j,gas分別表示交叉點i,j在純液相和純氣相內(nèi)的校準測量值。通常情況下，空氣為一種絕緣體，氣相校準測量值近似為0[10]，即μi,j,gas=0。液相校準測量值通過傳感器在純水中測量得到，因此，局部瞬時含氣率ε可以簡化為

(1)

(2)

4 試驗測試

圖8為線列陣傳感器試驗測試所用的射流沖擊臺架，水泵將水箱中的水引導至水箱上方，然后通過噴嘴重新注入水箱中，產(chǎn)生射流沖擊現(xiàn)象，如圖8所示，當射流水柱撞擊水面時，水下夾帶產(chǎn)生一簇氣泡群。傳感器由電機驅(qū)動在水箱內(nèi)垂直上下往返運動，連續(xù)完成1 000次下行和1 000次上行運動，運動過程中由數(shù)據(jù)采集設備采集數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)綔y控工作站。一次垂直運動時間為1 s，即每次運動獲得2 500幀二維數(shù)據(jù)矩陣，傳感器運動速度為0.5 m/s。

圖8 射流沖擊氣泡夾帶試驗

該試驗下行運動不同位置處的平均空隙率分布如圖9所示，第1幀為水面附近的平均空隙率分布，可看到水面下方夾帶產(chǎn)生了一個高含氣率的環(huán)形分布，表明了射流水柱沖擊水面所產(chǎn)生的空氣夾帶現(xiàn)象，水柱周圍的空氣被射流水柱推入水下深處，下降中分解成單獨的氣泡(圖9(b))，僅有小部分氣泡能夠抵達底部(圖9(d))。

5 結(jié) 論

本文設計了一種用于測量氣—液兩相流含氣率分布的可移動式三層線列陣傳感器，該傳感器具有較高的空間分辨率和極高的時間分辨率，設計了相關的數(shù)據(jù)處理算法，根據(jù)原始測量數(shù)據(jù)求解了平均含氣率分布，獲得了射流沖擊試驗氣泡夾帶現(xiàn)象的平均含氣率水平截面分布情況。

圖9 下行運動平均空隙率的水平截面分布

[1] Wilhelm Daniel.Measurement of the bubble distribution caused by a plunging liquid jet[D].Zurich:ETH Zürich,2010.

[2] Reungoat D,Riviere N,Faure J P.3C PIV and PLIF measurement in turbulent mixing-round jet impingement[J].Journal of Visua-lization,2007,10:99-110.

[3] 孫 青,王化祥.一種新型網(wǎng)絲傳感器優(yōu)化設計[J].傳感技術學報,2010,23(4):465-470.

[4] Marco Jose da Silva,Tobias Sühnel,Eckhard Schleicher,et al.Planar array sensor for high-speed component distribution imaging in fluid flow applications[J].Sensors,2007,7:2430-2445.

[5] Prasser H M,B?ttger A,Zschau J.A new electrode-mesh tomograph for gas-liquid flows[J].Flow Measurement and Instrumentation,1998,9:111-119.

[6] Johnson I D.Method and apparatus for measuring water in crude oil:US,4644263[P].1987—02—17.

[7] Reinecke N,Boddem M,Petritsch G,et al.Tomographisches messender relativen phasenanteile in zweiphasigen stromungen fluider Phasen[J].Chem Ing Tech,1996,68(11):1404-1412.

[8] Bonetto F,Lahey Jr R T.An experimental study on air carry-under due to a plunging liquid jet[J].International Journal of Multiphase Flow,1993,19:281-294.

[9] Ito D,Prasser H M,Kikura H,et al.Uncertainty and intrusiveness of three-layer wire-mesh sensor[J].Flow Measurement and Instrumentation,2011,22:249-256.

A wire mesh sensor design for gas-liquid two phase flow measurement*

WANG Xing-tao1, TIAN Fang2, Eisemberg Jascha2, Prasser H M2

(1.State Nuclear Power Technology Research and Development Centre,Beijng 102209,China; 2.Swiss Federal Institute of Technology,Institute of Energy Technology,ML K 13 Sonneggstrasse 3, Zurich 8092,Switzerland)

Aiming at gas fraction measurement needs of gas-liquid two-phase flow study,a movable wire mesh sensor (WMS) for two-phase flow measurement is designed based on principle of WMS measuring technology.The sensor has high spatial and temporal resolutions which are 3 mm and 2 500 Hz.The calibration and gas fraction algorithm are designed to calculate the instantaneous 2D local gas fraction.The plunging jet experiment verifies that the WMS is stable,and based on the original data,the average void fraction distributions of cross-section bubble entrainment phenomenon are calculated using calibration and void fraction algorithm.

gas-liquid flow; wire mesh sensor(WMS); void fraction

2015—06—25

國家核電技術公司員工自主創(chuàng)新項目(SNP—KJ—CX—2015—16)

10.13873/J.1000—9787(2015)08—0103—03

TP 212

A

1000—9787(2015)08—0103—03

王興濤(1985-)，男，山東臨沂人，博士，工程師，主要研究方向為非能動先進壓水堆核電站熱工水力測控技術、線列陣傳感器兩相流測量技術、機器人技術等。