基于十字型天线微波传感器截面含气率测量

于晓飞， 张 涛， 徐 英， 方立德

(1.河北大学 质量技术监督学院，河北 保定 071002； 2.天津大学 电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

1 引 言

气液两相流广泛地存在于石油、化工、核能、制冷、动力、冶金等工业生产过程中。截面含气率是气液两相流动的基本参数之一,对两相流的传热特性和流动特性有着较大的影响,又关系到流动压降、分相计量等工业问题[1]。目前,测量截面含气率的方法有很多,主要有γ射线法[2,3]、快关阀法[4,5]、电容法[6～8]、金属丝网法[9～10]、红外技术[11]等。γ射线法是通过γ射线透过介质后的衰减量来得到空隙率,该方法不受流型的影响,是一种成熟的相含率测量方法[2],但该方法有放射性,对人体有一定的损害,使用、存储以及维护都有难度,无法在工程中被广泛应用。电容法发展较早,该方法在不干扰流场的情况下,计算出空隙率[8],电容法不适用于导电介质,而且电容法在低含水率时虽具有较高的分辨率,但高含液率下测量不再敏感[12]。近些年,微波传感器迅速兴起被应用于含水检测[13],微波信号经过介质其本身电信息会有改变,利用其变化信息对管道内流体相关参数进行测量[14]。王进旗等[15]针对高含水率的油水两相流,采用同轴线微波传感器,测量油水混合介质的相位系数来得到油水混合介质的含水率。Yuan C等[16]针对油水混合介质,研究了微波圆柱谐振腔在TM010和TM110两种模式下的性能和适用性,结果表明,适当的谐振腔传感器参数匹配,可以实现无损在线多相流系统中含水率的测量。韦子辉等[17]利用微波同轴线传感器,建立了一种含气率测量模型,预测结果和实验结果的相对误差在±5%范围内。

本文应对截面含气率的测量,设计了新型微波天线结构,管道截面放置双天线呈十字型,可以很好适应各种流型,并且准确反映截面上的含气率信息。同时对大量截面含气率模型进行研究,参考科学有效的评价标准,选用L-M模型经过标准装置给出的标准体积含率得出截面含气率。通过动态实验,论证了与L-M模型的一致性且分析得出双天线测量截面含气率的有效性。

2 微波传感器及测量原理

2.1 微波传感器测量原理

微波是一种频率较高的电磁波,频率范围约为300 MHz～300 GHz,具有似声性和似光性,可穿透大多非金属物质[18]。基于电磁波传输特性,在气液两相流测量系统中,水在微波的作用下被极化,造成微波能量损耗,极化损耗可以通过水复介电常数虚部来表征[19],其表达式为：

ε=ε′+jε″

(1)

式中：ε为水的复介电常数;ε′为复介电常数实部;ε″为复介电常数的虚部。

不同介电常数的介质对其损耗也不同。常温下(20 ℃)水的介电常数大约为80,空气介电常数为1,两者介电常数相差很大,这也是利于测量的原因之一。本文将微波能量损耗转化为电信号,将电信号与参考信号进行幅值和相位的比较,得到幅值衰减量和相位移量,进而构建其与含水率的关系。随着含水率增大,混合介电常数增大,介质对微波信号损耗也增大,双天线归一化输出值KH、KV减小。

2.2 微波传感器设计

水平管气液两相流流型十分复杂,水的密度比气体密度大,由于重力原因使得液体趋向于管道底部流动,造成了流型的复杂化,流型主要分为:分层流、环状流、塞状流、泡状流、波状流、弹状流等[20]。微波传感器为适应各种流型,在φ50 mm的测量管中间位置放置2根微波天线,2条天线均放置在截面圆的直径上,一条水平天线(H-A，horizontal antenna),一条竖直天线(V-A，vertical antenna),直径均为2 mm,天线表层有聚四氟乙烯涂层。2根天线相距40 mm,该距离保证2根天线间工作互不影响,并且当流体先后流经2根天线,流动型态基本保持不变,微波传感器结构如图1所示。

图1 十字型天线微波传感器Fig.1 Cross antenna microwave sensor

图2为双天线在不同流型下感测示意图,从几何关系讲,2条天线构成平面,因此,测量管道截面上的含气率需要综合水平、竖直二维信息,必须使用双天线排布的方式。由于介质对微波信号的损耗也与介质在天线周围的分布有关,从图2(a)可以看出,相同截面、相同含气率α时,若仅竖直天线V-A测量MARS分层流下的α,必定比FLAT分层流下的小,故增加一条水平天线以获取水平信息,与竖直天线是互补作用,提高截面含气率的测量精度。图2(b)、图2(c)分别为常见非均匀分布的环状流和泡状流,非均匀液膜绕管壁一周,液膜厚度分布不一致,双天线设计就可适应非均匀分布情况,且随着流速的增大会有部分液滴被夹带到管道中间,夹带液滴分布,需要水平和竖直天线感测出来。

图2 双天线感测示意图Fig.2 Antenna measurement

图3所示为微波传感器测量系统,通过MCU输出电压信号控制天线驱动频率功率等参数,通过天线回到接收端,再由信号调理电路将接收到的信号送至鉴幅鉴相器,MUC在分析鉴幅鉴相器所输出信号值进行计算,分别对H-A和V-A感应的信息归一化处理,将计算结果水平和竖直天线输出归一化值KH与KV通过通讯系统上传到计算机。

图3 微波传感器测量系统Fig.3 Microwave measuring system

3 截面含气率的参比真值

实验在天津大学双闭环可调压湿气流量装置上进行,实验介质为压缩空气和水。装置运行压力上限为1.6 MPa,气相流量范围1～400 m3/h,液相流量范围0.05～8 m3/h,精度均为0.5级。该实验装置采用双循环回路设计,实验系统如图4所示,装置主要由气路循环回路、水路循环回路、气液混合实验段、气液分离段、计算器控制系统等组成[21]。

图4 中压湿气实验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of experimental setup

由于两相流存在滑差,微波传感器测量的是截面含气率α,流量标准装置给出的是标准体积含气率β。如何利用已知量得到截面含气率参比真值是关键,肖荣鸽等[22]在低液量水平管气液两相分层流压力梯度和持液率研究中,使用Chen等提出的双圆环截面模型来求解持液率。Yu P N等[23]在研究气液两相流,文丘里收缩段压降时,使用了已有的截面含气率经验模型。截面含气率模型的选定一般是参考前人科学合理并达成共识的成果之上进行的,故本文选用截面含气率模型将标准装置给出体积含率通过模型转化为截面含气率参比真值。

截面含气率计算模型归为4大类：滑速比模型、ka模型、漂移流模型和一般模型。其中基于滑速比模型是实践应用最为广泛的[27]。Lockhart和Martinelli等[24]在推导两相流摩擦压降时,考虑并给出了α的计算模型。Chisholm[25]在研究气液两相流的压力梯度预测中,也导出了关于α的计算模型。Chen[26]研究气液两相流环状流下,对α滑速比计算模型的统一形式进行了系数的拟合。这些模型,其计量精度、预测性能和适用范围都有所不同,孙宏军等[27]对α计算方法做了统一评价,选用标准比对数据样本为国际公开发布的295个数据,数据样本是通过快关阀法和射线法获取水平管气液两相流α真值,并论证了该样本数据的一致性,且符合理论规律；又有针对性地选择9种滑速比模型，给出了每种计算模型的标准偏差、平均相对误差、误差频率分布等指标,并引入灰色关联度法,科学评价了计算值与真值之间的关联度,最后给出了结论L-M模型预测最准。所以本文利用L-M模型作为参比真值转换模型,模型如下：

(2)

式中：ρg、ρl为气相、液相工况密度;Usg、Usl为气相、液相表观流速；x为干度,有：

(3)

式中：Mg、Ml为气相、液相质量;A为管道截面积;Qg、Ql为气相、液相体积流量。

湿气标准装置给出标准的气相体积流量Qg和液相体积流量Ql,由式(2)和式(3)可计算出截面含气率α的参比真值。

4 实验数据分析与截面含气率测量

4.1 流动实验

实验选择了3个压力点,见表1所示。表中p为实验管道内表压力;Usg为气相表观流速；Usl为液相表观流速；β为体积含气率。

表1 湿气实验测试点Tab.1 Dynamic experimental points

流动实验采用控制变量法,首先保持p不变,调节Usg、Usl,据式(4)计算出标准β,同时上位机系统采集各个工况点下双天线归一化输出值KH、KV。

(4)

4.2 流动实验现象分析

图5、图6分别为截面含气率与水平、竖直天线的关系图。从图5、图6中可以看出：1) 随着截面含气率α的变化,两天线归一化输出值KH、KV均具有单调性,α越小,说明天线信号损耗越大,归一化输出值越小。2) 气相流速Usg不变,H-A随压力p的增大归一化输出值减小,V-A随压力的增大归一化输出值增大;压力不变,H-A随Usg的增大归一化输出值减小,V-A随Usg的增大归一化输出值增大,显然2天线互相补偿。因为截面含气率的减小,液相增多,随着压力和Usg的增大,会引起液相夹带率增大(夹带率定量计算不在本文的讨论范围),悬浮的液相使得水平天线感应增强,损耗增大,输出值减小,相反竖直天线信号则损耗减小,输出值增大。3) H-A在Usg=5 m/s,α>0.9时的一段范围内是不受压力的影响,而随着Usg增大,压力的影响也变大,在压力没有影响的这段区间中V-A的变化率大,如图6中虚线所示趋势线,说明在此区间内V-A测量截面含气率灵敏度高,并且起主要作用。

图5 截面含气率与水平天线的关系图Fig.5 Relationship between KV and α

图6 截面含气率与竖直天线的关系图Fig.6 Relationship between KH and α

4.3 流动数据分析

为了增加L-M滑速比模型的可信度以及该模型在动态实验中的预测精度和适用性,以及压力对测量α的影响,将所有试验数据分为2组,压力p=0.8 MPa时的数据作为建模数据,压力p=1.0 MPa、1.4 MPa的数据作为测试数据。利用L-M模型计算出αs作为参比真值,通过2个天线在压力p=0.8 MPa时归一化输出值，进行公式拟合：

(5)

式中：Frg为气相弗劳德数表征速度信息,Frg为:

(6)

式中：g为重力加速度;D为管道直径。

部分建模数据见表2,表2中αs为参比真值,α为拟合值,各工况点下的流型Flow-P根据曼德汉流型图得出。从表2可见拟合公式流型覆盖范围广,相对误差δ为：

表2 p=0.8 MPa建模实验数据结果Tab.2 Result of data modeling when p=0.8 MPa

(7)

表3和表4分别为压力p=1.0 MPa、p=1.4 MPa时的测试实验结果。αc为实验测试值,δc为测试相对误差。利用流动实验的另外2个压力点的实验数据验证了模型的准确性,相对误差均较小。由表3和表4看出经过数据拟合模型再通过微波传感器在不同工况点下的实验数据验证,所得结果与L-M模型得到参比真值一致性很好。

表3 p=1.0 MPa建模实验数据结果Tab.3 Result of data modeling when p=1.0 MPa

表4 p=1.4 MPa建模实验数据结果Tab.4 Result of data modeling when p=1.4 MPa

表5 误差评价指标表Tab.5 Evaluation indicators (%)

(8)

(9)

5 结 论

1) 针对气液两相流复杂的流型,设计了十字型天线微波传感器,水平天线反映截面水平信息,竖直天线反映截面竖直信息,很好地适应气液两相流流动形态的多样性,提高测量准确度。

2) 设计流动实验,随着含水率的增加,天线输出值呈单调变化,不同压力、不同流速下微波传感器反应规律很好,为截面含气率的研究提供了基础。

3) 选出模型预测精度高,适用本文工况条件,将其计算值作为参比真值。流动实验数据合理分类,一部分建模拟合,一部分作为测试数据,将拟合公式应用在测试数据上,给出了平均相对误差和均方根误差,结果表明测量出的截面含气率平均误差在2%以内,与L-M模型测量的截面含气率与微波传感器所测值具有很好的一致性,十字型天线微波传感器可以很好地反应出截面含气率信息。