一種同質氣液混合介質質量流量測試裝置及方法與流程

本發明屬于流體質量流量測量技術領域，特別是氣液混合流體流量測量，用于檢測同一類介質由于汽化混合而出現的氣液兩相流的測量方法及裝置，具體是一種同質氣液混合介質質量流量測試裝置及方法，主要用于低溫工程、航空航天、石油化工等行業的介質由于溫度變化引起的屬性變化的測量。

背景技術：

氣液兩相流動現象廣泛存在于低溫工程、航空航天、石油化工、核能、制冷及冶金等工業領域中。現已有資料表明等溫液體屬性模型或者等溫正壓流體屬性模型都不能夠模擬實際的流體屬性變化，必須考慮同質介質受汽化等因素而形成的氣液混合的實際情況。特別是在上述領域中出現的苛刻工況環境下，傳統的單向流的理論不再適用，比如在火箭發動機用動靜壓軸承在運轉過程中產生的溫升會導致潤滑介質(液氧、液氫等)兩相流的出現，這時軸承的性能就會發生很大的變化，這時就需要運用兩相流的模型來分析軸承的性能，同時需要測量以得到混合的兩相流介質的流量情況。再如在不同領域涉及摩擦學(潤滑、磨損、摩擦等范疇)的實際狀況，尤其對于現階段經常出現的“三高”(高速、高溫、高功率)工況，非常有必要把摩擦副相關的潤滑液當作兩相流來看待，這就使我們需要知道兩相流的一些參數，從而建立新的兩相流模型或者參數獲取方法，并將它更好地應用到這些領域中。

目前氣液兩相流的流量測量方法大致分為兩種，即總流量測量法和相含率連續在線測量檢測方法。

其中總流量法大多是針對孔板、文丘里管、流量計等進行改進，從而達到測量的目的。如CN102759383A公開了一種基于單節流元件的氣液兩相流氣相流量在線測量方法及裝置，它包括安裝在測量管道上的差壓流量計，在其上還安裝有與數據采集處理器相連接的壓力變送器、差壓變送器和溫度變送器，它通過由實驗得到的模型，再根據測得的兩相壓力、溫度及節流元件兩端的差壓信號，從而計算得到氣相質量流量；CN1256413A通過渦街發生體使兩相流產生渦街，并檢測出其迎流面上受到的沖擊力和渦街的頻率，再由相關模型得到兩相流的流量與組份。CN1609563A公開了一種氣液兩相流流量測量裝置，包括壓力變送器、過濾器、流量計、90°彎頭、差壓變送器、溫度傳感器和氣液兩相流流量計算儀等，它通過過濾器對流體進行過濾，然后經過流量計得到兩相流的工況流量Q，再經過連接兩個導體管距離為定值孔眼的差壓變送器垂直管道進行密度測量；CN103674139A公開了一種基于質量流量參數統計特征的兩相流測量方法，它采用科氏質量流量計測得的瞬時質量流量和瞬時密度及其統計特征，結合存儲于計算機中的關聯式關系，實現氣液兩相流含率及流量的測量。

而上面講到的這些方法主要存在的問題是在對兩相流進行測量時得到的差壓信號一般波動性比較大，穩定性差，其模型大多為實驗得到的模型，針對特別的工況具有一定的精度，但對于用于一般的氣液兩相流測量，其模型的可重復性較差。另外他們的方法主要用于如油氣等不同介質兩相流混合的情況，如油介質中混合空氣等不同氣體介質，適用范圍比較局限。

在線測量法無需分離氣液兩相流，直接進行流量測量。目前應用較多的是進行一些常規儀器儀表的組合應用式的測量方法，包括節流元件或者各種是流量計與電容傳感器、電感傳感器、電阻層析技術、超聲波傳感器、微波傳感器、光學成像原理及數據傳感器的組合等。如CN102305645A公開了一種氣液兩相流測量裝置，它包括介質流通管、差壓變送器、數據采集單元和數據傳感器，它將流量傳感器與電容傳感器結合，并通過數據傳感器來分析數據，從而達到在氣液兩相流不分離的情況下同時對氣液兩相流的流量以及流相含率進行測定，實現了氣液兩相流與相含率的準確測量；CN 103822676 A公開了一種雙錐流量計輔以相關超聲波流量計的氣液兩相流測量裝置，它包括雙錐力量計、相關超聲波流量計、相關超聲波流量計信號處理電路和雙錐流量計處理電路，它是在V錐流量計的結果上提出的一種新型節流裝置，同時利用到了相關超聲波流量計信號處理電路和雙錐流量計信號處理電路，從而通過計算得到兩相流體積流量及氣相體積含率的測量精度；CN 1963403 A公開了一種基于截面測量的氣液兩相流測量方法及裝置，該裝置在計量管道上有電學層析成像傳感器陣列、壓力傳感器、V形內錐式節流元件計、壓差變送器和溫度傳感器，它利用單相流測量儀表和基于電學敏感原理的過程成像技術來進行數據采集和處理，從而獲得氣液兩相流的流型和截面含氣率；CN 103884747 A公開了一種氣液兩相流相含率實時電容測量系統及其測量方法，利用體積測量的雙凹面電容電極測量兩相流相含率，主要針對氣液分層流、泡狀流和段塞流等流型的相含率測量。

上述提到的裝置都或多或少的能夠解決氣液兩相流的測量問題。然而上述提到的或者現有的裝置，大多用于非同質氣液的分離和測量，如油中含有氣泡等的測量，而對同質流體卻很少關注。另外這類方法用于不同屬性介質混合的測量都具有一定的適用性，可以起到不錯的效果。但應用這些方法測量同質混合介質，則不可避免地出現溫度或者壓力變化引起的屬性變化的情況，價值無任何保護措施，這些方法極為不適用。

技術實現要素：

本發明的目的是克服上述現有技術中存在的問題，提供一種同質氣液混合介質質量流量測試裝置及方法，能夠提高測試精度，同時縮小測量裝置的體積，并簡化測量裝置，可改善測量的實時性和提高測量的效率，便于工程上的應用，特別是對于同質介質氣液混合流體流量的分離及測試具有重要意義；對混合介質的保護，可以確保其在測量過程中不會出現二次氣液混合介質的屬性變化，保證同質介質在測量時的維持原有的屬性狀態不變。

本發明的技術方案是：一種同質氣液混合介質質量流量測試裝置，包括進口管、分離器、U形管、倒U形管、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、氣路文丘里管、液路文丘里管、第一差壓變送器、第二差壓變送器以及出口管，所述進口管的入口連接被測試同質氣液兩相流混合流體的出口端；進口管的出口連接分離器，將氣液兩相流進行分離；所述分離器上端的氣體出口與倒U形管的左端口連接，所述倒U形管的右端口與氣路文丘里管的上端連接，氣路文丘里管的下端與出口管連接；所述倒U形管上連接有測量其內部氣體溫度的第一溫度傳感器以及測量其內部氣體壓力的第一壓力傳感器；所述氣路文丘里管上連接有測量其內部氣體差壓的第一差壓變送器；所述分離器下端的液體出口與U形管的左端口連接，所述U形管的右端口與液路文丘里管的下端連接，液路文丘里管的上端與出口管連接；所述U形管上連接有測量其內部液體溫度的第二溫度傳感器以及測量其內部液體壓力的第二壓力傳感器；所述液路文丘里管上連接有測量其內部液體差壓的第二差壓變送器。

上述分離器采用雙層真空隔熱結構，包括內、外兩層，兩層間設有間隙；分離器上端設有連通內、外兩層之間間隙的出氣嘴，出氣嘴連接有防止外部空氣進入分離器的單向閥。

一種同質氣液混合介質質量流量測試方法，包括如下步驟：

1)對分離器進行抽真空處理：利用抽真空壓力機將分離器內外層之間的空氣從出氣嘴處排除；

2)將要測量的同質氣液兩相流混合流體接入進口管，通過分離器將氣液兩相流進行分離；

3)分離后的氣體通過分離器上方的倒U形管以及氣路文丘里管，通過第一溫度傳感器和第一壓力傳感器測量氣體在經過分離器后的溫度和壓力，再利用第一差壓變送器測得壓差，利用該壓差和文丘里管結構參數計算得到氣相的流量；另一方面，分離后的液體通過分離器下方的U型管以及液路文丘里管，通過第二溫度傳感器和第二壓力傳感器測量液體在經過分離器后的溫度和壓力，再利用第二差壓變送器測量壓差，從而利用該壓差和文丘里管結構參數計算得到液相的流量；氣體和液體分別經過氣路文丘里管和液路文丘里管后再通過出口管再次混合后流出。

上述氣路的流量計算公式為：

其中：C₁——氣體流出系數，ε₁——氣體可膨脹系數，β₁——氣路文丘里管直徑比，A₁——氣路文丘里管孔板開孔面積，ρ₁——氣體密度，Δp₁——氣路文丘里管壓差；其中氣路文丘里管直徑比d₁為氣路文丘里管內徑，D₁為氣路文丘里管外徑；氣路文丘里管孔板開孔面積

上述液路的流量的計算公式為：

其中：C₂——液體流出系數，β₂——液路文丘里管直徑比，A₂——液路文丘里管孔板開孔面積，ρ₂——液體密度，Δp₂——液路文丘里管壓差；液路文丘里管直徑比d₂為液路文丘里管內徑，D₂為液路文丘里管外徑，液路文丘里管孔板開孔面積

本發明的有益效果：本發明涉及的裝置和方法可用于同質兩相流介質混合的介質流量測量，如用于液氮(氮氣)、液氫(氫氣)、水(水蒸氣)等同質介質。本發明集中于獲取同質介質受工況影響而出現兩相流情況下的流量參數，該兩相流參數的測量方法對于發展實驗測試技術和提高工程領域測量精度都具重要的意義。本發明的測試方法及裝置設置的隔熱處理方案，將最大程度地確保同質介質在測量過程不會產生屬性的變化，從而提高測試參數的精度。其裝置主要針對的是同質氣液兩相流體的各個混合單相流體的流量測試，是兩相流流量測試方法及其裝置的重要補充。鑒于其結構簡單，測量精度高、抗環境干擾性強等特性，特別適用于低溫工程、航空航天工程、石油化工領域等中的軸承潤滑或者高速密封流量或泄漏量的測試。

以下將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。

附圖說明

附圖1是本發明的裝置結構示意圖；

附圖2是本發明的測試流程圖。

附圖標記說明：1、進口管；2、分離器；3、倒U形管；4、U形管；5、第一溫度傳感器；6、第一壓力傳感器；7、氣路文丘里管；8、第一差壓變送器；9、第二溫度傳感器；10、第二壓力傳感器；11、液路文丘里管；12第二差壓變送器；13、出口管。

具體實施方式

如附圖1及圖2所示，本發明公開了一種同質氣液混合介質質量流量測試裝置及方法，其裝置包括進口管1、分離器2、U形管4、倒U形管3、第一溫度傳感器5、第二溫度傳感器9、第一壓力傳感器6、第二壓力傳感器10、氣路文丘里管7、液路文丘里管11、第一差壓變送器8、第二差壓變送器12以及出口管13，所述進口管1的入口連接被測試同質氣液兩相流混合流體的出口端；進口管1的出口連接分離器2，將氣液兩相流進行分離；所述分離器2上端的氣體出口與倒U形管3的左端口連接，所述倒U形管3的右端口與氣路文丘里管7的上端連接，氣路文丘里管7的下端與出口管13連接；所述倒U形管3上連接有測量其內部氣體溫度的第一溫度傳感器5以及測量其內部氣體壓力的第一壓力傳感器6；所述氣路文丘里管7上連接有測量其內部氣體差壓的第一差壓變送器8；所述分離器2下端的液體出口與U形管4的左端口連接，所述U形管4的右端口與液路文丘里管11的下端連接，液路文丘里管11的上端與出口管13連接；所述U形管4上連接有測量其內部液體溫度的第二溫度傳感器9以及測量其內部液體壓力的第二壓力傳感器10；所述液路文丘里管11上連接有測量其內部液體差壓的第二差壓變送器12。

所述分離器2采用雙層真空隔熱結構，包括內、外兩層，兩層間設有間隙；分離器2上端設有連通內、外兩層之間間隙的出氣嘴，出氣嘴連接有防止外部空氣進入分離器2的單向閥。使用前利用抽真空壓力機通過該出氣嘴把兩層之間的空氣進行排除，形成真空環境，使得分離器內部處于一個不受外界影響的狀態；而內部采用的分離原理是重力沉降(按比重)的分離原理。

參見圖2，本發明的同質氣液混合介質質量流量測試方法，包括如下步驟：

1)對分離器2進行抽真空處理：先將分離器2與各部件連接固定好，利用抽真空壓力機將分離器2內外層之間的空氣從出氣嘴處排除，讓內、外兩層之間間隙形成真空，出氣孔的單向閥工作，保證無外部壓力空氣進入，從而保護內層里進行氣液分離的混合流體不受外界的壓力和溫度的影響，保證在進行分離時是真空絕熱的，如此可保證在分離過程中氣液兩相流體的各項參數不發生變化，進而達到測量的準確性。

2)將要測量的同質氣液兩相流混合流體接入進口管1，通過分離器2將氣液兩相流進行分離；

3)分離后的氣體通過分離器2上方的倒U形管3以及氣路文丘里管7，通過第一溫度傳感器5和第一壓力傳感器6測量氣體在經過分離器2后的溫度和壓力，再利用第一差壓變送器8測得壓差，利用該壓差和文丘里管結構參數計算得到氣相的流量；另一方面，分離后的液體通過分離器2下方的U型管4以及液路文丘里管11，通過第二溫度傳感器9和第二壓力傳感器10測量液體在經過分離器2后的溫度和壓力，再利用第二差壓變送器12測量壓差，從而利用該壓差和文丘里管結構參數計算得到液相的流量；氣體和液體分別經過氣路文丘里管7和液路文丘里管11后再通過出口管13再次混合后流出。

所述氣路的流量計算公式為：

其中：C₁——氣體流出系數，ε₁——氣體可膨脹系數，β₁——氣路文丘里管直徑比，A₁——氣路文丘里管孔板開孔面積，ρ₁——氣體密度(根據測得的溫度和壓力查介質屬性手冊得到)，Δp₁——氣路文丘里管壓差(由第一壓差變送器測試得到)；C₁和ε₁根據節流裝置推薦公式獲得，具體采用里德—哈里斯/加拉赫公式(Reader-Harris/Gallagher)計算得到流出系數；采用經典文丘里噴嘴公式計算得到可膨脹系數；在計算上述的參數及流量過程中，將直接利用第一壓力傳感器、第一溫度傳感器及第一壓差變送器測得的數值。β₁和A₁都由氣路文丘里管結構大小決定，其中氣路文丘里管直徑比d₁為氣路文丘里管內徑，D₁為氣路文丘里管外徑；氣路文丘里管孔板開孔面積

所述液路的流量的計算公式為：

其中：C₂——液體流出系數，β₂——液路文丘里管直徑比，A₂——液路文丘里管孔板開孔面積，ρ₂——液體密度(根據測得的溫度和壓力查介質屬性手得到)，Δp₂——液路文丘里管壓差；(由第二壓差變送器測試得到)，C₂根據節流裝置推薦公式獲得，具體采用里德—哈里斯/加拉赫公式(Reader-Harris/Gallagher)得到；而β₂和A₂都由液路文丘里管結構大小決定。液路文丘里管直徑比d₂為液路文丘里管內徑，D₂為液路文丘里管外徑，液路文丘里管孔板開孔面積

綜上所述，本發明首先將要測量的氣液兩相流體經過進口管1進入裝置，然后通過分離器2將氣液兩相流進行分離。由于分離器2所必須具有的功能是真空絕熱的，可以保證同質混合流體不受外界的影響，在分離器2把氣液兩相流進行分離，這樣就能夠使得分離后的氣體和液體的各項參數不會改變，進而保證后面測量的準確性。

分離后的氣體流向分離器2上方的倒U型管3，然后再流入氣路文丘里管7中進行氣體流量的測量。測量方式如下：通過第一溫度傳感器5和第一壓力傳感器6測量氣體在經過分離器2后、氣路文丘里管7前的溫度T₁和壓力P₁，再利用第一差壓變送器8測得壓差Δp₁。

采用公式計算得到氣路的介質流量。分離后的液體流向分離器下方的U型管4，然后再流入液路文丘里管11中進行液體流量的測量，測量方式跟氣體測量類似，采用公式計算得到液路的介質流量。

最后分離后的氣體和液體再經過出口管13混合后流出本發明的裝置。

本發明的裝置能夠使氮氣與液氮混合得同質兩相流體在流進進口管的各項流體屬性與流出出口管時的是一致的，確保了實驗的準確性；本裝置主要針對同質氣液兩相流介質的流量測量，能夠完善現有兩相流測試裝置及方法的不足。本裝置及方法首先實現同質氣液混合兩相流通過進口管后到達豎直的分離管，由此實現混合流體分離成為單相流體；然后再利用文丘里管和差壓變送器分別對各相的流量進行單獨測量。本裝置在分離過程中采用了真空隔熱處理，實現對混合介質的保護，保證了同質介質在測量時的維持原有的屬性狀態不變，對于同質介質氣液混合流體流量的分離及測試具有重要意義，是常規兩相流流量測試方法及其裝置的重要補充。提出的裝置結構簡單，流量測量方法精度高、抗環境干擾性強，特別適用于低溫工程、航空航天工程、石油化工領域等中的軸承潤滑或者高速密封流量或泄漏量的測試以及同質混合流體的氣液兩相流流量或流體流量的單獨測試。

本實施方式中沒有詳細敘述的部分屬本行業的公知的常用手段，這里不一一敘述。以上例舉僅僅是對本發明的舉例說明，并不構成對本發明的保護范圍的限制，凡是與本發明相同或相似的設計均屬于本發明的保護范圍之內。