专利名称：气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置，该传感器是用来测量气液两相流的三维流动速度和气体含量的，在使用之前需对其进行标定，因而需要一套适合的标定装置。
背景技术：
气液两相流的流动是工程上最常见的复杂现象，例如水轮机械中的转子周围的流动、燃烧器喷油嘴中的流动，都是气液的两相流流动。设计、分析两相流的流动的机械设备需要了解流场中诸如速度、压力，以及气液两相含量等数据。目前已经开发出多种针对两相流流动的实验方法。例如，粒子成像技术(PIV)、激光多普勒测速技术(LDV)、热膜测量技术、光纤测量技术等。其中用压力传感器和导电电极同时测量两相流流速和气体含量的技术是一种有效、简便的技术。其基本原理是将多孔压力探头和导电电极制作成为一个整体的传感器，被称为气液两相流的速度与气体含量的传感器。利用多孔压力探头测量两相流的三维流动速度和方向，同时用导电电极测量的气体含量。气液两相流的速度与气体含量的传感器在用于测量之前，需要对其进行标定，需要获得多个压力孔的压力系数和流动方向的关系数据表，以及各种组合的电极对的输出电压值与气体含量之间的关系曲线。该传感器中的压力探头的标定不同于单相流(如气体)的压力探头在风洞或水洞中的标定，标定装置必须考虑流体中气液两相的同时存在，也要考虑气液相含量的变化。
发明内容本发明的目的是提供一种针对用压力传感器和导电电极同时测量两相流流速和气体含量的气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置，它包括一个液体供给系统、一个供气系统、一个气液混合器、一个喷嘴、一个标定舱、一个由步进电机控制的有两个转动自由度的支架、以及连接管路、数据采集管理系统及控制计算机等部件。两相流的液体由液体供给系统提供，气体由气体供给系统提供；液体、气体进入气液混合器形成均质气液两相流；两相流从气液混合器的喷嘴流出；在喷嘴下方是标定舱， 在其中是由步进电机控制的有两个转动自由度的支架。本发明采用的技术方案图1是标定装置的布局图。图1表示一个液体供给系统中通过固定高度的液体压头，由管路连接到液体泵、节流阀，将液体输送至气液混合器，而且用液体泵和节流阀控制液体的流动速度。一个供气系统中通过气体泵，由管路连接，经过节气阀、气体流量计、温度传感器，将气体输送至气液混合器，而且用节气阀和气体流量计控制气体的含量。进入气液混合器的液体流量和气体流量可以分别通过节流阀、节气阀控制，从而控制了两相流中的气体的含量。理论上气体的含量可以从0(纯液体)到100% (纯气体)。—个气液混合器的腔体是圆柱形，里面沿轴线方向安装至少三层不锈钢制成的金属网，目的是让液体和气体通过金属网的孔隙均勻混合；工作时，气液混合器沿轴线垂直放置。气液混合器使气体和液体充分混合为均质流体，经过下面的喷嘴流出。喷嘴垂直向下，并与欲标定的测量探头对正。喷嘴和测量探头彼此之间的距离不能过近，以免产生液体的反射现象，改变流体的在喷嘴处的静压，该距离也不能太远，以免流出的液体掺入新的空气，影响标定精度。如图1中所示，外形呈圆柱状的气液两相流的速度与气体含量的传感器(也称作测量探头)被安置在具有两个转动自由度的支架上。安置测量探头时，探头的测量端垂直向上，和喷嘴对正。支架的两个转动自由度是指绕测量探头轴向的转动角度α°和绕与测量探头轴线垂直的轴线的转动角度β °。支架的转动由步进电机控制，支架装有测量探头的部分在标定舱内，步进电机在标定舱外，以防止液体的侵浸。步进电机通过伞形齿轮和蜗轮蜗杆调节测量探头的转动。图2是有两个旋转自由度的支架的结构示意图。标定的时候，步进电机控制的支架按照旋转角度标定范围在两个自由度方向上， 逐步转动测量探头。在每一个固定角度下，数据采集管理系统及控制计算机记录测量探头的多个压力孔的压力值。然后在预定范围调整气体含量，记录不同气体含量下测量探头上的所有导电电极按照多种组合的电极对的输出电压。本发明的优点本发明的标定装置可以对具有多孔压力和多电极的、测量气液两相流三维速度和气体含量的传感器进行标定。该标定装置使用方便、结构简单、制造成本低。

图1标定装置的布局原理图；图中，1液体供给系统、2气液混合器、3供气系统、4数据采集管理系统、5控制计算机、6标定舱、7步进电机控制、8有两个转动自由度的支架、9欲标定的传感器测量探头、 10喷嘴。图2有两个旋转自由度的支架的结构示意图；图中，1步进电机、2步进电机、3支架、4、欲标定的传感器测量探头、5、绕测量探头轴向的转动角度α °、6蜗轮、7蜗杆、8绕与测量探头轴线垂直的轴线的转动角度β °。图3实施方案中欲标定的测量探头的外观图；图中，1测量探头、2电极孔、3导电电极、4动压孔、5静压孔图4实施方案中的标定装置的布局图；图中，1水箱、2溢流管、3旁路节流阀、4液体转子流量、5水流、6气液混合器、7空气流、8气体压力传感器、9温度传感器、10电控节气阀、11通过转子流量、12空气泵、13喷嘴、14数据采集管理系统、15控制计算机、16两自由度支架、17标定舱、18要标定的测量探头、19电控主节流阀、20电控液体泵、21集水池。图5气液混合器的结构示意图；图中，1圆柱形腔体、2进气口、3入水口、4进气口、5三层不锈钢制成的金属网、6 两相流出口
具体实施方式
以一个具体实施方案进一步说明本发明提出的一种气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置的结构和原理。该方案涉及的气液两相流的成分是空气和水，测量速度与空气含量的传感器(也称作测量探头)的外形是呈圆柱形的，测量探头有四个压力孔(中心孔为动压孔，周围三个为静压孔，间隔120° )、三个电极孔，间隔也是120°，与压力孔交错分布。孔径均为0.8mm。三个钼金电极直径0.4mm，安装在电极孔中。测量探头直径为5mm，其测量端的外观图如图3所示。图4是该一个实施方案中的传感器的标定装置的布局图。如图4中所示，外形呈圆柱状的测量探头被安置在具有两个转动自由度的支架上。安置测量探头时，探头的测量端垂直向上。两个转动自由度是指绕测量探头轴向的转动角度α °和绕与测量探头轴线垂直的轴线的转动角度β °。支架的转动由步进电机控制，支架装有测量探头的部分在标定舱内，步进电机在标定舱外，以防止液体的侵浸。步进电机通过伞形齿轮和蜗轮蜗杆调节测量探头的转动。有两个旋转自由度的支架的结构示意图与图2相同。在图4中，一个固定高度的水头是一个有固定高度为6m的水箱，有水源不断加入水箱。水头的高度同时由溢流管控制。下面的水管接到地面上的集水池。集水池中的水通过电控液体泵、旁路节流阀、电控主节流阀、液体转子流量计输送至气液混合器。进入气液混合器的液体流量可以通过电控节流阀控制。另一边，空气泵将压缩空气通过电控节气阀、 通过转子流量计输送至气液混合器。气体流量由电控节气阀控制，从而控制气体的含量。气体压力传感器用于监控输送气体的压力，温度传感器获得的值用来校正气体的密度值。气液混合器结构示意图见图5。图中表明，它有一个圆柱形腔体，其上面和上部侧面各有一个入水口和进气口，分别接入水和空气，下面中心处有一个出口，直径为20mm。在气液混合器里面安装至少三层不锈钢制成的金属网，目的是让水和空气透过金属网的孔隙均勻混合。工作时，气液混合器沿轴线垂直放置，不得倾斜，接上一个内径为20mm的管型喷嘴。这样可以保证喷嘴出口处的两相是一维流动。喷嘴位置在欲标定的测量探头的上方。 喷嘴处的流体流动速度可以通过水头的高度、水的流量来确定。从喷嘴流出的气-水两相流被认为是均质的，喷嘴流出的流体沿喷嘴直径方向的速度分布也被认为是均勻的。喷嘴垂直向下，并与安装在两自由度支架上将要标定的测量探头对正。喷嘴和测量探头彼此之间的距离不能过近，以免产生液体的反射现象，改变两相流的在喷嘴处的静压。同时，该距离也不能太远，以免流出的两相流掺入新的空气，影响标定精度。该距离可定为22mm。从喷嘴流出的流体从标定舱内底部的管道流回集水池。测量探头上的四个压力孔通过柔性管连接到四个压力传感器，三个钼金电极加上 IHz的交流电。压力传感器和三个电极都与数据采集板连接。标定的时候，步进电机控制的支架按照设定的旋转角度标定范围(-20°到 +20° )，逐步在两个方向上转动测量探头。标定范围过大会使附着在测量探头的测量端上的流体产生分离，使标定失败。在每一个固定角度下，采集板采集由计算机记录测量探头的四个压力孔的压力值。然后按照预定的空气比率，理论上可以从0(纯液体)到100% (纯气体)，调节电控节气阀，调整气体含量，记录不同气体含量下三个电极中的任意两个组合产生的三个电极的输出电压值。数据采集板采样频率10Hz，采样时间20秒。经过数据采集管理系统对数据的处理，最终获得的标定结果表示为四个压力孔的压力系数和流动方向(以绕测量探头轴向的转动角度和绕与测量探头轴线垂直的轴线的转动角度表示)的关系数据表，以及分别由三个电极中的任意两个组合为电极对产生的三个电极对的输出电压值与气体含量(从5%至80%)之间的三条关系拟合曲线。
权利要求1.一种气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置，两相流的液体由液体供给系统提供、气体由气体供给系统提供；液体、气体进入气液混合器形成均质气液两相流；两相流从气液混合器的喷嘴流出；在喷嘴下方是一个标定舱，在其中是一个由步进电机控制的有两个转动自由度的支架。
2.根据权利要求1所述的气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置，其特征在于，所述的液体供给系统通过固定高度的液体压头，由管路连接到液体泵、节流阀，将液体输送至权利要求1所述的气液混合器，而且用液体泵和节流阀控制液体的流动速度。
3.根据权利要求1所述的气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置，其特征在于，所述的一个供气系统通过气体泵，由管路连接，经过节气阀、气体流量计、温度传感器，将气体输送至权利要求1所述的气液混合器，而且用节气阀和气体流量计控制气体的含量。
4.根据权利要求1所述的气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置，其特征在于，所述的一个具有两个转动自由度的支架的转动自由度是指绕测量探头轴向转动角度和绕与测量探头轴线垂直的轴线的转动角度。
5.根据权利要求4所述的气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置，其特征在于，所述的具有两个转动自由度的支架的转动由步进电机控制，支架装有测量探头的部分在标定舱内，步进电机在标定舱外。
6.根据权利要求1所述的气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置，其特征在于，所述的一个气液混合器的腔体是圆柱形，里面沿轴线方向安装至少三层不锈钢制成的金属网；工作时，气液混合器沿轴线垂直放置。
7.根据权利要求1所述的气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置，其特征在于，所述的喷嘴垂直向下，上面连接权利要求6所述的气液混合器，下面与将要标定的测量探头对正。
专利摘要本实用新型是提供一种针对用压力传感器和导电电极同时测量两相流流速和气体含量的气液两相流的速度与气体含量的传感器的标定装置，它包括一个液体供给系统、一个供气系统、一个由步进电机控制的有两个转动自由度的支架、一个气液混合器、一个喷嘴、一个标定舱、连接管路、数据采集管理系统及控制计算机等部件。标定的时候，步进电机控制的支架按照旋转角度标定范围在两个自由度方向上，逐步转动测量探头。在每一个固定角度下，记录测量探头的多个压力孔的压力值。然后在预定范围调整气体含量，记录不同气体含量下测量探头上的所有导电电极按照多种组合的电极对的输出电压。所有数据通过数据采集板获得，并由计算机控制。
文档编号G01N27/60GK202305563SQ20112026374
公开日2012年7月4日 申请日期2011年7月25日 优先权日2011年7月25日
发明者路明 申请人:天津空中代码工程应用软件开发有限公司