[发明专利]一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置，其特征在于:包括两相流控制系统与两相流参数测量系统两部分，两相流控制系统包括水罐(1)、氮气罐(2)、液体转子流量计(3)、气体转子流量计(4)、第一压力传感器A(5)、第二压力传感器A(6)、第一温度传感器A(7)、第二温度传感器A(8)、混相器(9)；水罐(1)、液体转子流量计(3)、第一压力传感器A(5)、第一温度传感器A(7)、混相器(9)第一入口顺次相连，氮气罐(2)、气体转子流量计(4)、第二压力传感器A(6)、第二温度传感器A(8)、混相器(9)第二入口顺次相连，两相流参数测量系统包括第一光电传感器组(10)、第一光学仪器组(11)、第一激光源(12)、第一压力传感器B(13)、第一温度传感器B(14)、NI采集模块(15)、微型计算机(16)、透明小通道(17)、第二光电传感器组(18)、第二光学仪器组(19)、第二激光源(20)、第二压力传感器B(21)、第二温度传感器B(22)；混相器(9)出口、第一光电传感器组(10)、第一压力传感器B(13)、第一温度传感器B(14)、透明小通道(17)、第二光电传感器组(18)、第二压力传感器B(21)、第二温度传感器B(22)顺次相连，第一激光源(12)经第一光学仪器组(11)与第一光电传感器组(10)相连，第二激光源(20)经第二光学仪器组(19)与第二光电传感器组(18)相连，传感器的信号经NI采集模块(15)采集后传输到微型计算机(16)。

2.一种使用如权利要求1所述装置的基于PVT法的小通道气液两相流流量测量方法,其特征在于，方法的步骤如下:

(1)让氮气和水流入传输管道，并经过混相器(9)后形成稳定的两相流流入透明小通道(17)；

(2)用液体转子流量计(3)、气体转子流量计(4)、第一压力传感器A(5)、第二压力传感器A(6)、第一温度传感器A(7)、第二温度传感器A(8)分别对氮气和水进行测量，得到它们混相前的流量、压力和温度参数Q_g,P_g,T_g,Q_l,P_l,T_l；

(3)在透明小通道(17)的上下游设置两个检测点,第一激光源(12)发出激光，经第一光学仪器组(11)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第一个检测点上，穿过小通道后的光被第一光电传感器组(10)接收，第二激光源(20)发出激光，经第二光学仪器组(19)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第二个检测点上，穿过小通道后的光被第二光电传感器组(18)接收，用NI数据采集模块(15)采集两个检测点的光电池信号后输入到计算机(16)，获得两个检测点的两组电信号S₁(t),S₂(t)；S₃(t),S₄(t)；

(4)由第一光电传感器组(10)测得到的电信号,利用互相关性原理算出多相流的流速，公式如下：

R(τ)=limT→∞∫0TS1(t)S2(t+τ)dt]]>

其中S₁(t),S₂(t)为通过第一光电传感器组(10)采集到的电压信号，光电传感器电压信号的渡越时间可以通过计算R(τ)的最大值获得，当τ＝τ₀时,R(τ)最大，由公式:

v₁＝L/τ₀

便算出气液两相流流速，其中，v₁为通过互相关算法获得的气液两相流段塞流第一个测量点的流速，L为第一光电传感器组(10)中两个光电传感器的中心点距离，τ₀为通过互相关算法得到的光电池电压信号的渡越时间，同理利用第二光电传感器组(18)测得到的电信号,利用互相关性原理算出第二个测量点的流速v₂；

(5)由算出的流速和管道截面积就得到上下游流体体积流量,公式如下：

Q_g1+Q_l1＝V₁＝v₁A

Q_g2+Q_l2＝V₂＝v₂A

其中Q_g1,Q_g2,Q_l1,Q_l2分别为上下游两相流的气相和液相流量，V₁，V₂为上下游总体积流量，v₁,v₂为上下游流体速度，A为小通道截面面积；

(6)用第一压力传感器B(13)、第一温度传感器B(14)、第二压力传感器B(21)、第二温度传感器B(22)分别对透明小通道两个检测点进行测量，得到它们的压力和温度参数P₁,T₁,P₂,T₂；

(7)由于气液两相流中气体可以认为满足理想气体状态方程，因此将测得的上下游两相流参数代入方程，便计算出气液各相的流量,上下游气液分相流量与两相流参数关系可以用下列方程表示：

P1Qg1T1=P2Qg2T2=PgQgTg]]>

其中P₁,P₂,T₁,T₂分别为上下两个检测点的压力与温度，Q_g1,Q_g2分别为上下两个检测点处两相流的气相流量，P_g,Q_g,T_g分别为该气相混相前的压力、流量、温度，由于液体的不可压缩性，并且忽略他的热膨胀性，在本实验中可以认为：

Q_l1＝Q_l2＝Q_l

其中，Q_l1,Q_l2分别为两个检测点处的液相流量，Q_l为该液相混相前的流量，

从上面的参数关系式得到上下游的气液分相流量为：

Qg1=(v2-v1)AT1P2P1T2-T1P2]]>

Qg2=(v2-v1)AT2PP1T2-T1P2]]>

Ql1=v1AP1T2-v2AT1P2P1T2-T1P2]]>

由于气液两相流在上下游距离接近，流体摩擦引起的温度变化可以忽略，因此在氮气罐与水罐出口位置、上下游位置的气液两相流温度非常接近，假设气液两相流温度不发生变化，即：

T_g＝T_l＝T₁＝T₂

其中，T_g,T_l分别为气体和液体混相前的温度，

则气液两相流流量可以简化为：

Qg1=(v2-v1)AP2P1-P2]]>

Ql1=v1AP1-v2AP2P1-P2.]]> 2