一种测量气--液两相流的线列阵传感器设计*

王兴涛, 田 芳, Eisemberg Jascha, Prasser H M

(1.国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司，北京 102209; 2.Swiss Federal Institute of Technology,Institute of Energy Technology, ML K 13 Sonneggstrasse 3,Zurich 8092,Switzerland)

一种测量气
--液两相流的线列阵传感器设计*

王兴涛1, 田 芳1, Eisemberg Jascha2, Prasser H M2

(1.国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司，北京 102209; 2.Swiss Federal Institute of Technology,Institute of Energy Technology, ML K 13 Sonneggstrasse 3,Zurich 8092,Switzerland)

针对气—液两相流研究对含气率测量的需求，基于线列阵测量技术原理，设计了一种可移动式线列阵两相流测量传感器，该传感器具有较高的空间分辨率(3 mm)和极高的时间分辨率(2 500 Hz)，设计了线列阵传感器标定和含气率算法，实现了瞬时二维局部含气率的测量。经过射流冲击试验验证表明：该线列阵传感器结构稳定，基于原始测量数据，采用标定和含气率求解算法，可计算气泡夹带现象在水平截面的平均含气率分布情况。

气—液两相流; 线列阵传感器; 含气率

0 引 言

气—液两相流广泛存在于现代工业设备(如锅炉、蒸汽发生器等)、核反应堆设备(如气化装置、冷凝器等)以及化工设备中，为了能够研究热交换现象和其他相关影响，研究气相和液相之间的相互作用来理解两相流行为是非常必要的[1]。气—液两相流的测量方法主要包括γ射线和X射线计算机断层扫描、高速摄像、粒子图像测速(PIV)、声学方法和电阻抗成像等[2，3]，高速射线断层扫描的缺点是价格昂贵，其他光学方法仅对于低含气率具有较好的可靠性，声学方法只提供没有空间信息的平均数据，电阻成像法成本低，但只提供局部数据，空间分辨率低。

线列阵传感器(WMS)是一种快速断层成像的电极网设备，可用于高含气率和恶劣工业环境中，可获得极高时间分辨率(最高10kHz)和较高空间分辨率(1.5～3 mm)信息[4,5]。Johnson I D首次使用线列阵传感器测量原油中水的体积含率[6]。德国Reinecke N等人将线列阵传感器用于层析成像[7]，采用的图像重建算法需大量计算，非常耗时。Prasser H M等人开发了新型线列阵传感器[5]，用于快速断层成像，已成功应用于气—液两相流测量，可在高温高压(最高10 MPa，300 ℃)环境下提供高分辨率测量[8]。

1 线列阵传感器测量原理

线列阵测量系统由线列阵传感器、数据采集设备、测控软件构成，如图1所示，线列阵传感器为一次仪表，安装在流体流动管道内，数据采集设备采集线列阵传感器所测数据，并按照一定格式和通信方式发给测控软件，在计算机上按一定的图像重建算法重建出流体截面的介质分布。

图1 线列阵传感器测量系统

如图2所示，线列阵传感器的基本结构由2层相互垂直的钢丝电极构成，其中一层为发射极，另外一层为接收极，两层电极不接触，其交叉点为测量点。基本测量原理为电压脉冲驱动发射极，接收极测量电流，按测点形成二维矩阵。若交叉测量点之间的介质电导率不同，所测量的电流值不同，比如：在气泡穿越交叉测量点的过程中，先后经历水→气水混合→气→气水混合→水的过程，则相应的，接收极所测量的电流值大小先后经历大→中→小→中→大。

图2 线列阵传感器基本结构与测量原理

如图3所示为简化的线列阵传感器，发射极和接收极各由4根相互平行的钢丝电极组成，具有4×4个交叉测点，形成了4×4的测量矩阵。电压驱动发射极，接收极接收电流，并通过特定电路将电流值进行放大、采样、保持，以及转换，最终将数据通过总线传输给计算机[5，9]。

图4为线列阵传感器的信号控制与采集时序图，通过控制SP开关(图3)，可以产生一个驱动发射极的矩形脉冲信号，发射极的使能由S1～S4开关控制。S1～S4开关按照时序顺序使能，其中一个使能，其它断开，使能的发射极钢丝和每根接收极钢丝之间将产生电流信号，在一个发射极测量周期内(如图4中发射电极2的驱动电压UT2)，通过触发控制信号S/H，每根接收极钢丝分别测量电流值(如图4中接收电极3的测量电流IR3)，该电流值通过运算放大器转换为电压值，通过采样/保持电路进行采样，然后进行模/数转换(ADC)，最后由计算机通过数据总线采集数据。当最后一根发射极被使能，并且最后一根接收极完成电流采样，则获得一个二维数据矩阵。

图3 线列阵传感器简化图

图4 信号控制与采集时序图

2 三层线列阵传感器设计

如图5所示，三层线列阵传感器由三层相互垂直的钢丝电极构成，中间一层为发射极，上下两层为接收极，当中间层发射极使能时，上层接收极和下层接收极可测量电流值，因此，该三层线列阵传感器具有两个测量平面。四个矩形平面构成传感器框架，传感器安装在框架底部。

图5 三层线列阵传感器设计图

三层线列阵传感器的主要参数如图6，由于细长的钢丝电极像天线一样，易受外界信号的干扰，且相邻钢丝之间也会相互干扰，因此，由于几何位置关系的不同，两侧边缘的钢丝所受干扰和其他钢丝不同。为保证测量信号同一性，减小边界效应，每层测量平面由68根钢丝电极组成，但仅有64根钢丝电极连接数采设备，两侧各有2根辅助钢丝仅固定在框架上，接地但不连接数采设备，以保证每根钢丝电极具有相同的测量环境，因此，该传感器在每个测量平面可获得64×64=4 096个交叉测量点，传感器安装框架的尺寸为400 mm×400 mm。

图6 线列阵传感器尺寸

如图7所示，传感器框架由4块金属板构成，每块金属板上安装一个PCB板，金属板起到连接与支撑作用，PCB板和钢丝电极连接，将电极测量信号传给数采设备。每根钢丝电极的两端都通过螺栓螺母固定在PCB板上，仅有其中一端焊接在PCB板上进行信号传输。每根钢丝都布置一个弹簧，提供5 N预紧力，并补偿传感器框架变形量，避免钢丝间相互接触，缓冲和补偿水流对钢丝的形变。

图7 三层线列阵传感器机构

3 线列阵传感器标定与含气率计算

根据传感器参数配置，每根发射极钢丝i(1～64)和接收极钢丝j(1～64)构成的交叉点为测量点，系统每秒采集2 500次数据，则每帧数据k(1～2 500)为一个64×64的二维测量值矩阵，一个测量周期内采集一组[i,j,k]=[64×64×2 500]的三维测量值矩阵。每帧的每个交叉点测量值表示为μi,j,k，则该测量值可转换为局部瞬时含气率εi,j,k

其中，i,j为线列阵传感器交叉点的索引，取值范围1～64；k为测量帧的索引，取值范围1～2 500；μi,j,liquid和μi,j,gas分别表示交叉点i,j在纯液相和纯气相内的校准测量值。通常情况下，空气为一种绝缘体，气相校准测量值近似为0[10]，即μi,j,gas=0。液相校准测量值通过传感器在纯水中测量得到，因此，局部瞬时含气率ε可以简化为

(1)

(2)

4 试验测试

图8为线列阵传感器试验测试所用的射流冲击台架，水泵将水箱中的水引导至水箱上方，然后通过喷嘴重新注入水箱中，产生射流冲击现象，如图8所示，当射流水柱撞击水面时，水下夹带产生一簇气泡群。传感器由电机驱动在水箱内垂直上下往返运动，连续完成1 000次下行和1 000次上行运动，运动过程中由数据采集设备采集数据，并传输到测控工作站。一次垂直运动时间为1 s，即每次运动获得2 500帧二维数据矩阵，传感器运动速度为0.5 m/s。

图8 射流冲击气泡夹带试验

该试验下行运动不同位置处的平均空隙率分布如图9所示，第1帧为水面附近的平均空隙率分布，可看到水面下方夹带产生了一个高含气率的环形分布，表明了射流水柱冲击水面所产生的空气夹带现象，水柱周围的空气被射流水柱推入水下深处，下降中分解成单独的气泡(图9(b))，仅有小部分气泡能够抵达底部(图9(d))。

5 结 论

本文设计了一种用于测量气—液两相流含气率分布的可移动式三层线列阵传感器，该传感器具有较高的空间分辨率和极高的时间分辨率，设计了相关的数据处理算法，根据原始测量数据求解了平均含气率分布，获得了射流冲击试验气泡夹带现象的平均含气率水平截面分布情况。

图9 下行运动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] 孙 青,王化祥.一种新型网丝传感器优化设计[J].传感技术学报,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,Böttger 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

国家核电技术公司员工自主创新项目(SNP—KJ—CX—2015—16)

10.13873/J.1000—9787(2015)08—0103—03

TP 212

A

1000—9787(2015)08—0103—03

王兴涛(1985-)，男，山东临沂人，博士，工程师，主要研究方向为非能动先进压水堆核电站热工水力测控技术、线列阵传感器两相流测量技术、机器人技术等。