龔隨軍　閆曉　張君毅　余詩(shī)墨

中圖分類號(hào)： TS871.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）08-0155-002

Talking about the Principle and Application of Screen Detection Technology

GONG Sui-jun YAN Xiao ZHANG Jun-yi YU Shi-mo

（China Nuclear Power Research and Design Institute，Chengdu Sichuan 610000，China）

0 前言

絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)，又稱wire-mesh探測(cè)技術(shù)，是一種新型的基于電學(xué)的介入式兩相流測(cè)量技術(shù)，它由互成90度且相隔很近的兩層平行電極絲組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)測(cè)量絲網(wǎng)交叉點(diǎn)處流動(dòng)介質(zhì)的電學(xué)特性（電阻值或者電容值）得到流體的局部相態(tài)信息。

絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用最早源于美國(guó)的Johnson，他用絲網(wǎng)對(duì)原油中水的體積含率進(jìn)行了測(cè)量，不過(guò)與現(xiàn)代絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)不同的是，Johnson將電路收集的信號(hào)通過(guò)閾值識(shí)別的方法轉(zhuǎn)化為兩種狀態(tài)（水和空氣），通過(guò)計(jì)數(shù)的形式統(tǒng)計(jì)單相比例。由于閾值識(shí)別算法引入的測(cè)量誤差較大，德國(guó)學(xué)者 Prasser 等人在Johnson的wire-mesh探測(cè)原理的基礎(chǔ)上，融合了數(shù)據(jù)成像分析技術(shù)，發(fā)展了當(dāng)前廣泛使用的絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)。

與目前廣泛應(yīng)用的兩相流測(cè)量方法（射線衰減法、光學(xué)法、探針法以及阻抗測(cè)量法）相比，絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)兼顧了良好的空間精度、時(shí)間精度以及良好的經(jīng)濟(jì)性，在兩相流動(dòng)截面相態(tài)分布的精細(xì)化測(cè)量方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)的原理介紹

絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)的原理構(gòu)成如圖1所示，它主要由絲網(wǎng)傳感器（絲網(wǎng)模塊）、測(cè)量控制模塊（包括邏輯控制單元、采集處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元）以及上位機(jī)圖像處理軟件組成。

圖1 Wire-mesh探測(cè)器測(cè)量原理示意圖（硬件部分）

其中，絲網(wǎng)傳感器（絲網(wǎng)模塊）是由兩層平行電極絲網(wǎng)彼此成90度上下錯(cuò)位（不接觸）安裝而成，每?jī)筛舷陆徊娴碾姌O絲交叉點(diǎn)即為絲網(wǎng)傳感器的一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，兩層平行電極絲中一層用作信號(hào)激勵(lì)（激勵(lì)層），另一層用作信號(hào)接收（接收層）；邏輯控制單元控制激勵(lì)的時(shí)序邏輯，采集處理單元負(fù)責(zé)微小信號(hào)的采集、濾波、運(yùn)算放大、AD轉(zhuǎn)換等，采樣數(shù)據(jù)最終經(jīng)傳輸單元送給上位機(jī)，做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)后處理和成像分析。

為達(dá)到捕捉流動(dòng)流體瞬間相態(tài)的目的，絲網(wǎng)探測(cè)器需要首先安裝于流道內(nèi)垂直于流動(dòng)方向的截面上，邏輯控制單元采用循環(huán)激勵(lì)的策略，每次順序激勵(lì)發(fā)射層上的一根電極絲，數(shù)據(jù)采集單元會(huì)同時(shí)收集接收層上所有電極絲的響應(yīng)信號(hào)，響應(yīng)信號(hào)經(jīng)濾波、運(yùn)算放大、AD轉(zhuǎn)換等處理流程交由通訊單元實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳輸；隨后再激勵(lì)、接收、處理、傳輸，依此類推，直到完成所有發(fā)射層電極絲的激勵(lì)，由此完成一個(gè)完整截面點(diǎn)的相態(tài)信息捕獲。上位機(jī)對(duì)接收到每一個(gè)完整截面點(diǎn)的相態(tài)信息交互數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行原始信號(hào)轉(zhuǎn)換（見式1所示）、相態(tài)識(shí)別、截面數(shù)據(jù)成像等操作，最終得到流場(chǎng)截面上的兩相分布特性。

由上式1可以看出絲網(wǎng)探測(cè)器具有如下的特征：

1）絲網(wǎng)探測(cè)器的測(cè)量值由純液相與純氣相環(huán)境下標(biāo)定值之差的相對(duì)情況而定，這就決定了它與具體的測(cè)量對(duì)象（本研究?jī)?nèi)容主要討論不同離子濃度下的空氣-水組合）關(guān)系不大，而主要取決于絲網(wǎng)傳感器的幾何結(jié)構(gòu)，包括電極線的尺寸和絲網(wǎng)交叉點(diǎn)的垂直距離。因此，在絲網(wǎng)的測(cè)量過(guò)程中（此時(shí)電極絲尺寸已定），為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，最重要的是要確保絲網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)的完整性，即兩層平等絲網(wǎng)間距不隨流體沖擊而發(fā)生較大的變形；

2）絲網(wǎng)探測(cè)器測(cè)量準(zhǔn)確性與兩相邊界尺寸規(guī)則與否沒有關(guān)系。因?yàn)榻z網(wǎng)探測(cè)器的每個(gè)交叉測(cè)量點(diǎn)都可準(zhǔn)確地反映該局部點(diǎn)處的瞬間相態(tài)信息，只要能保證單點(diǎn)測(cè)量相態(tài)信息的準(zhǔn)確性，當(dāng)絲網(wǎng)矩陣數(shù)較大，分辨率較高時(shí)，截面上所有測(cè)點(diǎn)的相態(tài)信息可形成一個(gè)完整的氣相云圖，從而反映出兩相的邊界信息，這與相邊界的幾何尺寸沒有關(guān)系。

2 絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)的測(cè)量應(yīng)用

基于上述的原理介紹，絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)為各個(gè)絲網(wǎng)交叉點(diǎn)的相態(tài)信息（是氣態(tài)、液態(tài)還是氣液相界面），從而得到流動(dòng)截面上的瞬（穩(wěn)）態(tài)相態(tài)分布?；谙鄳B(tài)分布這一原始數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列的數(shù)據(jù)處理，還可以得到如下更廣泛的兩相關(guān)鍵參數(shù)。

1）截面空泡份額

當(dāng)截面上的絲網(wǎng)測(cè)點(diǎn)較密時(shí)，借助圖像處理算法（插值法等），可將分散的相態(tài)信息通過(guò)相關(guān)性原理處理成連續(xù)的氣（液）相區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)氣、液相邊界的劃分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣相面積Ag、液相面積Al更為真實(shí)的估算。這是絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)相對(duì)于探針法最為突出的優(yōu)勢(shì)，即連續(xù)氣相的識(shí)別是基于真實(shí)的數(shù)據(jù)，而不是事先的氣泡形狀估計(jì)。

依據(jù)得到的氣、液相面積，截面空泡份額計(jì)算表達(dá)式見式2所示。

2）氣泡速率

氣泡的不同部位接觸絲網(wǎng)時(shí)，絲網(wǎng)探測(cè)結(jié)果是不同的。利用氣泡邊緣接觸絲網(wǎng)上下層電極絲的時(shí)間間隔△t和絲網(wǎng)上下層的距離△s，則氣泡速率v的計(jì)算方法見式3所示，氣泡速率的測(cè)量原理見圖2所示。

3）氣泡的三維信息

氣泡的三維信息主要包括氣泡的形狀、直徑、界面面積濃度等?；谏鲜鼋孛婵张莘蓊~、氣泡速度的獲取，當(dāng)絲網(wǎng)探測(cè)頻率遠(yuǎn)高于氣泡速度時(shí)，絲網(wǎng)探測(cè)可捕獲氣泡經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)傳感器時(shí)的多個(gè)斷層掃描數(shù)據(jù)，借助斷層掃描技術(shù)的后處理技術(shù)，可還原氣泡真實(shí)的三維信息（形狀、直徑、表面積等）。圖3中間圖像為高速攝像儀拍攝得到的一個(gè)氣泡經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)的多個(gè)瞬間圖片；最左邊圖像為絲網(wǎng)傳感器同步捕獲得到的多個(gè)斷層掃描數(shù)據(jù)，最右邊的圖為借助后處理技術(shù)還原得到的氣泡三維信息，兩者具有很好的一致性。基于氣泡更為準(zhǔn)確的三維信息，還可進(jìn)一步反映界面面積濃度等參數(shù)。

4）體積含氣率

截面空泡份額的時(shí)間累積可得到體積含氣率，見式4所示。

5）質(zhì)量含氣率

依據(jù)體積含氣率可以很方便地計(jì)算得到質(zhì)量含氣率，見式5所示。

4 后記

絲網(wǎng)探測(cè)技術(shù)作為一種新型的兩相流探測(cè)技術(shù)，相比傳統(tǒng)的兩相流測(cè)量方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的兩相微觀參數(shù)測(cè)量，而且兼顧了良好的空間、時(shí)間精度和經(jīng)濟(jì)性，具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際兩相流測(cè)量領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)應(yīng)用報(bào)道較少，值得進(jìn)一步研究和應(yīng)用拓展。