本發(fā)明涉及一種環(huán)狀流局部動態(tài)液膜平均厚度的測量方法。

背景技術(shù)：

多相流動過程廣泛存在于石油、化工、冶金、供水、醫(yī)學(xué)、及環(huán)境工程等諸多部門和工業(yè)過程中，是現(xiàn)今國際國內(nèi)廣泛關(guān)注的重要研究領(lǐng)域。多相流動體系，通常是由兩種連續(xù)介質(zhì)和若干種不連續(xù)介質(zhì)組成的。根掘流體中包括物質(zhì)相數(shù)目的不同多相流一般可以分為兩相和三相流。根據(jù)組分物理狀態(tài)的不同，兩相流一般又分為氣/液、氣/固、液/固、液/液(如油/水)兩相流；三相流一般分為氣/液/液、氣/液/固三相流等。存在于多相流氣液界面中的液膜厚度不僅對氣液兩相流的傳熱、傳質(zhì)和阻力特性有很大的影響，而且也是計算多相流體動力學(xué)的基礎(chǔ)，因此正確有效地對液膜厚度進(jìn)行測量就成為了解這些特性的關(guān)鍵。到目前為止，主要有以下5種液膜測量方法：(1)電導(dǎo)法；(2)電容法；(3)光學(xué)法；(4)聲波法(5)核輻射法。電導(dǎo)法的基本原理是液膜高度與其電導(dǎo)存在一定的對應(yīng)關(guān)系，通過測得電導(dǎo)從而得到液膜厚度，此方法只限于導(dǎo)電液體。電容法的主要原理是，氣液兩相具有不同的介電常數(shù)，通過兩個電極間的電容變化來反映電極間液相的厚度變化，但是電容法受氣液兩相流流型和溫度變化影響較大，適用于方形管道。光學(xué)法是測量精度較高的方法之一，其中界面檢測法、激光散射法和熒光強(qiáng)度法，一般都需要在液相中加入染色劑、乳膠粒子或熒光劑，其加入質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確性、激發(fā)光強(qiáng)度變化和時間空間變化直接關(guān)系到液膜厚度測量不確定度，其在液相中的均勻性無法保證，且其屬于易耗品，僅適用于實(shí)驗(yàn)室測量，限制了其推廣應(yīng)用；光影法通過照相機(jī)記錄由于液膜反射折射形成的陰影來測量液膜厚度，該方法實(shí)時性較差，無法快速響應(yīng)液膜的變化；激光焦點(diǎn)位移法和干涉法對薄液膜厚度的測量十分有效，分辨率高，但是兩種測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對傳感器性能要求很高，由于透明管道的使用限制了其在中高壓液膜厚度測量中的使用；光衰減法中，可見光衰減法僅僅適用于對可見光有吸收作用的半透明介質(zhì)，中紅外衰減法由于強(qiáng)大的吸收作用，僅適用于2-30μm極薄液膜的測量。聲波法基于超聲波技術(shù)，其描繪流型特征功能強(qiáng)大，利用其穿過不連續(xù)介質(zhì)時會發(fā)生衰減和反射原理來測量液膜厚度，但其不能夠測量波狀液膜，會造成反射后的超聲波探測困難。核輻射法缺點(diǎn)具有很強(qiáng)的放射性，使用時需要必要的沉重的安全防護(hù)，限制了其在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種環(huán)狀流局部動態(tài)液膜平均厚度的直接測量方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種環(huán)狀流局部動態(tài)液膜平均厚度的直接測量方法，用于測量在管道里流動的導(dǎo)電液體的液膜，所采用的測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊，其中，數(shù)據(jù)測量模塊包括直流穩(wěn)壓電源、插入深度可調(diào)的接觸探針傳感器以及一個精密電阻；

所述的插入深度可調(diào)的接觸探針傳感器，包括螺旋測微器6、雙平行接觸探針2、連接部件9、固定支架3、可伸縮支架7和彈簧8，其中，螺旋測微器6的主體固定于固定支架3上；連接部件9包括外殼10，固定連接在外殼10上支撐環(huán)，金屬桿13與支撐環(huán)12內(nèi)側(cè)緊貼；螺旋測微器6的測量端與連接部件9的金屬桿13相連；雙平行接觸探針2固定在連接部件9外殼的下部；連接部件9通過可伸縮支架7與固定支架3相連，在可伸縮支架7的豎桿外設(shè)置有彈簧，彈簧置于固定支架與連接部件9之間；雙平行接觸探針2除探針下端外均涂上疏水材料；直流穩(wěn)壓電源提供的穩(wěn)壓源加載在相互串聯(lián)的精密電阻和雙平行接觸探針2上，精密電阻兩端的電壓由數(shù)據(jù)采集模塊采集后被送入數(shù)據(jù)處理模塊。測量方法如下：當(dāng)導(dǎo)電液體淹沒探針下端時，兩個探針之間導(dǎo)通，整個電路構(gòu)成回路，電流流經(jīng)精密電阻，其兩端的電壓不為零，兩個探針之間沒有液體時，精密電阻兩端的電壓為零，連續(xù)測量時，表現(xiàn)為不同的占空比，根據(jù)精度要求的不同，利用螺旋測微器選定雙平行接觸探針的插入深度增量值，得到對應(yīng)插入深度的電壓信號，最后數(shù)據(jù)處理模塊計算出局部動態(tài)液膜的平均厚度。

作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的支撐環(huán)包括相互連接的金屬環(huán)外圈11和位于金屬環(huán)外圈11內(nèi)的橡膠環(huán)12。

測量方法可以為：將一對雙平行接觸探針插入管內(nèi)，使探針下端位于液膜附近，當(dāng)探針下端位于液膜表面與液體接觸時，探針頭之間形成了導(dǎo)電通路；當(dāng)探針頭在液膜表面之上不與液膜接觸時，則電路處于開路，通過測出精密電阻兩端的電壓可判斷液膜是否與探針頭相接觸；調(diào)節(jié)螺旋測微器，使接觸探針的插入深度逐漸增加，當(dāng)采集數(shù)據(jù)中開始出現(xiàn)非零信號時記下此時的插入深度值與其對應(yīng)電壓信號時間序列；根據(jù)精度要求的不同，選定探針傳感器的插入深度增量值，繼續(xù)往下調(diào)節(jié)螺旋測微器，依次記下每一個插入深度值與其對應(yīng)的電壓信號時間序列，直到檢測的電壓信號保持為非零電壓；將插入深度值轉(zhuǎn)為化液膜厚度值，將電壓信號時間序列轉(zhuǎn)化為插入深度值對應(yīng)的占空比，按從小到大排序后把占空比逐個做差可得到每一個液膜厚度值對應(yīng)的權(quán)值，設(shè)液膜厚度序列為hi，其對應(yīng)的權(quán)值序列為wi，i＝1,2,3,…,n，故而得到平均液膜厚度值h＝(h1×w1+h2×w2+h3×w3+…+hn×wn)。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)由直流穩(wěn)壓電源模塊提供穩(wěn)壓源，與一個精密電阻、插入深度可調(diào)的接觸探針傳感器串聯(lián)，數(shù)據(jù)采集模塊用于采集精密電阻兩端的電壓，通過調(diào)節(jié)的螺旋測微器的插入深度得到對應(yīng)電壓信號實(shí)現(xiàn)了對液膜厚度的直接測量。

(2)根據(jù)精度要求的不同，選定探針傳感器的插入深度增量值，即得到不同個數(shù)的液膜厚度，可以滿足不同精度要求下的測量。

(3)由于插入深度可調(diào)的接觸探針結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了螺旋測微器旋轉(zhuǎn)但與其相連的接觸探針不旋轉(zhuǎn)的特殊功能，有效的解決了引出導(dǎo)線纏繞的問題。

附圖說明

圖1為插入深度可調(diào)的接觸探針傳感器

圖2為插入深度可調(diào)的接觸探針傳感器連接部件結(jié)構(gòu)圖

圖3為優(yōu)化的加權(quán)平均厚度算法原理圖

圖4為環(huán)狀流局部動態(tài)液膜平均厚度的直接測量系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)連接圖

圖5為測量電路連接圖

圖6為測量方法流程圖

圖中標(biāo)號說明：1管道；2雙平行接觸探針；3固定支架；4固定螺絲；5引出導(dǎo)線；6螺旋測微器；7可伸縮支架；8彈簧；9連接部件；10有機(jī)玻璃外殼；11金屬環(huán)外圈；12橡膠環(huán)；13金屬桿

具體實(shí)施方式

該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊。其中，數(shù)據(jù)測量模塊包括直流穩(wěn)壓電源、插入深度可調(diào)的接觸探針傳感器以及一個精密電阻；數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)與數(shù)據(jù)采集軟件；數(shù)據(jù)處理模塊包括計算機(jī)以及實(shí)現(xiàn)加權(quán)平均厚度算法的軟件。該裝置通過直流穩(wěn)壓電源模塊提供穩(wěn)壓源，與一個精密電阻、插入深度可調(diào)的接觸探針傳感器串聯(lián)，數(shù)據(jù)采集模塊用于采集精密電阻兩端的電壓，當(dāng)導(dǎo)電液體淹沒探針探頭時，兩個探針之間導(dǎo)通，整個電路構(gòu)成回路，電流流經(jīng)精密電阻，其兩端的電壓不為零，兩個探針之間沒有液體時，精密電阻兩端的電壓為零，連續(xù)測量時，表現(xiàn)為不同的占空比，根據(jù)精度要求的不同，選定探針傳感器的插入深度增量值，得到對應(yīng)插入深度的電壓信號，最后數(shù)據(jù)處理模塊采用加權(quán)平均厚度算法計算出局部動態(tài)液膜的平均厚度。

為了能做到對環(huán)狀流局部動態(tài)液膜平均厚度的直接測量，將一對雙平行接觸探針插入管內(nèi)，使探針位于液膜附近，上端與固定在管壁上的螺旋測微器相連，其引線與精密電阻、直流穩(wěn)壓電源相連，當(dāng)探針頭位于液膜表面與液體接觸時，探針頭之間形成了導(dǎo)電通路；當(dāng)探針頭在液膜表面之上不與液膜接觸時，則電路處于開路。通過測出由此構(gòu)成電路中的精密電阻兩端的電壓可判斷液膜是否與探針頭相接觸。調(diào)節(jié)螺旋測微器，使接觸探針的插入深度逐漸增加，當(dāng)采集數(shù)據(jù)中開始出現(xiàn)非零信號時記下此時的插入深度值與其對應(yīng)電壓信號時間序列；根據(jù)精度要求的不同，選定探針傳感器的插入深度增量值，繼續(xù)往下調(diào)節(jié)螺旋測微器，依次記下每一個插入深度值與其對應(yīng)的電壓信號時間序列，直到檢測的電壓信號保持為非零電壓。將插入深度值轉(zhuǎn)為化液膜厚度值，將電壓信號時間序列轉(zhuǎn)化為插入深度值對應(yīng)的占空比，按從小到大排序后把占空比逐個做差可得到每一個液膜厚度值對應(yīng)的權(quán)值，假設(shè)液膜厚度序列為hi(i＝1,2,3,…,n)，其對應(yīng)的權(quán)值序列為wi(i＝1,2,3,…,n)，故而得到平均液膜厚度值h＝(h1×w1+h2×w2+h3×w3+…+hn×wn)。

為了實(shí)現(xiàn)插入深度可調(diào)的接觸探針的功能，結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：包括螺旋測微器6、雙平行接觸探針2、連接部件9、固定支架3、可伸縮支架7、彈簧8以及引出導(dǎo)線5，其連接部件又包括有機(jī)玻璃外殼10，金屬環(huán)外圈11，橡膠環(huán)12，金屬桿13。雙平行接觸探針2除探針前端1mm外均涂上疏水材料，以排除表面張力帶來的測量誤差。連接部件9中的有機(jī)玻璃外殼10，金屬環(huán)外圈11，橡膠環(huán)12用強(qiáng)力膠黏合，金屬桿13放置在中心處，其上端與橡膠環(huán)12內(nèi)側(cè)緊密貼合，其下端與橡膠環(huán)12低端緊密貼合，可達(dá)到自由旋轉(zhuǎn)但上下固定作用。對螺旋測微器6進(jìn)行改造，將其下端與連接部件9的金屬桿13相連，在連接部件9的下端安裝雙平行接觸探針2，將以上整體通過固定支架3安裝在管道上，再通過可伸縮支架7將連接部件9與固定支架3相連，其可伸縮支架7為空心管，將雙平行接觸探針2的兩個電級通過可伸縮支架7引出，在其伸縮支架7外為一根彈簧8，增加雙平行接觸探針2與螺旋測微器6的應(yīng)力，減小水流沖擊雙平行接觸探針2帶來的測量誤差。

將裝有插入深度可調(diào)節(jié)的接觸探針實(shí)驗(yàn)管段接到兩相流系統(tǒng)中，參見圖4，與一個精密電阻、直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)，參見圖5。調(diào)節(jié)氣相、液相流速使在實(shí)驗(yàn)管段中形成環(huán)狀流并保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)螺旋測微器，使接觸探針的插入深度緩慢變大，當(dāng)采集數(shù)據(jù)中開始出現(xiàn)非零信號時記下此時的深入深度值與其對應(yīng)的電壓信號時間序列；根據(jù)精度要求的不同，選定探針傳感器的插入深度增量值，繼續(xù)往下調(diào)節(jié)螺旋測微器，采集每一個插入深度值的電壓信號時間序列。將采集軟件采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到excel表格中，把插入深度值的序列轉(zhuǎn)化為液膜厚度序列，把電壓信號時間序列轉(zhuǎn)化為占空比，在excel表格中按液膜厚度從高到低進(jìn)行排序。檢查排序后的數(shù)據(jù)中占空比是否按照從低到高排序，如果是，采集數(shù)據(jù)可用于計算動態(tài)液膜平均厚度，如果不是，則說明采集數(shù)據(jù)時流動形態(tài)未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，需要再次測量。

將采集5次插入深度值的情況舉例，如圖3，假設(shè)虛線框內(nèi)為采樣范圍，其中，h1對應(yīng)的占空比為t1/t，h2對應(yīng)的占空比為t2/t，h3對應(yīng)的占空比為t3/t，h4對應(yīng)的占空比為t4/t，h5對應(yīng)的占空比為t5/t，紅色斜線面積為h1和t1的乘積，綠色方塊面積為h2和(t2-t1)的乘積，紫色網(wǎng)狀面積為h3和(t3-t1)的乘積，藍(lán)色橫線面積為h4和(t4-t3)的乘積，黃色豎線面積為h5和(t5-t4)的乘積，而平均厚度h與t的乘積近似為以上面積總和，故而得到平均厚度h＝(h1×t1+h2×(t2-t1)+h3×(t3-t1)+h4×(t4-t3)+h5×(t5-t4))/t。