电阻层析成像技术测量两相流气相流量

　　1　引　言

　　两相流的测量是许多现代工业生产过程中长期未能很好解决的一个难题。相关技术在理论上可用来测量任何流体系统的流量,而且测量流速的范围很宽,因而为解决两相流系统测试问题提供了一种强有力的技术手段[1]。电阻层析成像技术(ERT)是一种以两相流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时监测技术。所测得的边界电压数据包含了丰富的两相流场的信息,可以用来提取流型、流速等特征参数[2]。利用相关技术对这些数据进行处理,可以实现两相流流量的测量。

　　2　测量原理

　　利用双截面电阻层析成像系统和相关技术相结合可以实现对两相流气相流量的测量。

　　2.1　ERT技术

　　ERT技术的物理基础是不同媒质具有不同的电导率,判断出敏感场中的电导率分布便可知物场的媒质分布状况。边界测量电压包括了场域内电导率变化的信息。运用相应的成像算法,便可重建出实际对象的电导率分布,实现可视化测量。

　　2.2　相关流速测量技术

　　相关流速测量技术是利用流体内部的噪声来测量流体的流速,测量原理如图1所示。在沿流动管道相距为已知距离L的两个截面处,分别安装有结构相同的传感器。当被测流体在管道内作稳定流动时,随机流动噪声信号x(t)和y(t)可以分别看作是来自各态历经的平稳随机过程xk(t)和yk(t)的两个样本函数。根据G.I.Taylor的“凝固”流动图形假设[3,4],互相关函数Rxy(τ)可由下式求得:

　　3　双ERT电极阵列相关的气相流量测量系统

　　双ERT电极阵列的相关气相流量测量系统的原理如图2所示。当气/液两相流中液相为连续相而气相为离散相时,ERT技术可以测得气相的分布位置σ(x,y)和截面相含率α。气液两相流中气相流量的表达式为:

　　α′(x,y,t)·v′c(x,y,t)的值也就越大。一般而言该项对整体气相流量估计结果的影响也越大。对于式(3)的第二项的处理方法不同,两相流气相流量的测量精度也就不同,由此引出了基于像素相关的两相流气相流量测量方法和基于边界电压特征值的气相流量测量方法。

　　像素相关方法[5,6]是利用有限元剖分后各单元像素灰度值序列进行相关运算,求得渡越时间,最终得到截面上的速度分布廓形。该方法比较适用于离散气相间存在较大差异的情况。但由于需要ERT系统首先通过图像重建单元计算各剖分单元的灰度值,因此影响了系统测速的实时性。

　　如果离散气相间的滑速差很小,速度和相含率分布比较均一,可以用管道截面内的平均气含率αA(t)和气相平均移动速度vc(t)来估计气相流量,也就是基于边界电压特征值相关的气相流量测量法。这种方法简单明了,不需要图像重建过程,实时性高。但是由于不同流型下相含率相同时,边界电压会有所不同,因此需要流型辨识作为先验信息。