淺談絲網(wǎng)探測技術(shù)的原理與應(yīng)用

龔隨軍　閆曉　張君毅　余詩墨

中圖分類號： TS871.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0155-002

Talking about the Principle and Application of Screen Detection Technology

GONG Sui-jun YAN Xiao ZHANG Jun-yi YU Shi-mo

（China Nuclear Power Research and Design Institute，Chengdu Sichuan 610000，China）

0 前言

絲網(wǎng)探測技術(shù)，又稱wire-mesh探測技術(shù)，是一種新型的基于電學(xué)的介入式兩相流測量技術(shù)，它由互成90度且相隔很近的兩層平行電極絲組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過測量絲網(wǎng)交叉點處流動介質(zhì)的電學(xué)特性（電阻值或者電容值）得到流體的局部相態(tài)信息。

絲網(wǎng)探測技術(shù)的應(yīng)用最早源于美國的Johnson，他用絲網(wǎng)對原油中水的體積含率進(jìn)行了測量，不過與現(xiàn)代絲網(wǎng)探測技術(shù)不同的是，Johnson將電路收集的信號通過閾值識別的方法轉(zhuǎn)化為兩種狀態(tài)（水和空氣），通過計數(shù)的形式統(tǒng)計單相比例。由于閾值識別算法引入的測量誤差較大，德國學(xué)者 Prasser 等人在Johnson的wire-mesh探測原理的基礎(chǔ)上，融合了數(shù)據(jù)成像分析技術(shù)，發(fā)展了當(dāng)前廣泛使用的絲網(wǎng)探測技術(shù)。

與目前廣泛應(yīng)用的兩相流測量方法（射線衰減法、光學(xué)法、探針法以及阻抗測量法）相比，絲網(wǎng)探測技術(shù)兼顧了良好的空間精度、時間精度以及良好的經(jīng)濟(jì)性，在兩相流動截面相態(tài)分布的精細(xì)化測量方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

1 絲網(wǎng)探測技術(shù)的原理介紹

絲網(wǎng)探測技術(shù)的原理構(gòu)成如圖1所示，它主要由絲網(wǎng)傳感器（絲網(wǎng)模塊）、測量控制模塊（包括邏輯控制單元、采集處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元）以及上位機圖像處理軟件組成。

圖1 Wire-mesh探測器測量原理示意圖（硬件部分）

其中，絲網(wǎng)傳感器（絲網(wǎng)模塊）是由兩層平行電極絲網(wǎng)彼此成90度上下錯位（不接觸）安裝而成，每兩根上下交叉的電極絲交叉點即為絲網(wǎng)傳感器的一個測量點，兩層平行電極絲中一層用作信號激勵（激勵層），另一層用作信號接收（接收層）；邏輯控制單元控制激勵的時序邏輯，采集處理單元負(fù)責(zé)微小信號的采集、濾波、運算放大、AD轉(zhuǎn)換等，采樣數(shù)據(jù)最終經(jīng)傳輸單元送給上位機，做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)后處理和成像分析。

為達(dá)到捕捉流動流體瞬間相態(tài)的目的，絲網(wǎng)探測器需要首先安裝于流道內(nèi)垂直于流動方向的截面上，邏輯控制單元采用循環(huán)激勵的策略，每次順序激勵發(fā)射層上的一根電極絲，數(shù)據(jù)采集單元會同時收集接收層上所有電極絲的響應(yīng)信號，響應(yīng)信號經(jīng)濾波、運算放大、AD轉(zhuǎn)換等處理流程交由通訊單元實時向上位機傳輸；隨后再激勵、接收、處理、傳輸，依此類推，直到完成所有發(fā)射層電極絲的激勵，由此完成一個完整截面點的相態(tài)信息捕獲。上位機對接收到每一個完整截面點的相態(tài)信息交互數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行原始信號轉(zhuǎn)換（見式1所示）、相態(tài)識別、截面數(shù)據(jù)成像等操作，最終得到流場截面上的兩相分布特性。

由上式1可以看出絲網(wǎng)探測器具有如下的特征：

1）絲網(wǎng)探測器的測量值由純液相與純氣相環(huán)境下標(biāo)定值之差的相對情況而定，這就決定了它與具體的測量對象（本研究內(nèi)容主要討論不同離子濃度下的空氣-水組合）關(guān)系不大，而主要取決于絲網(wǎng)傳感器的幾何結(jié)構(gòu)，包括電極線的尺寸和絲網(wǎng)交叉點的垂直距離。因此，在絲網(wǎng)的測量過程中（此時電極絲尺寸已定），為保證測量的準(zhǔn)確性，最重要的是要確保絲網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)的完整性，即兩層平等絲網(wǎng)間距不隨流體沖擊而發(fā)生較大的變形；

2）絲網(wǎng)探測器測量準(zhǔn)確性與兩相邊界尺寸規(guī)則與否沒有關(guān)系。因為絲網(wǎng)探測器的每個交叉測量點都可準(zhǔn)確地反映該局部點處的瞬間相態(tài)信息，只要能保證單點測量相態(tài)信息的準(zhǔn)確性，當(dāng)絲網(wǎng)矩陣數(shù)較大，分辨率較高時，截面上所有測點的相態(tài)信息可形成一個完整的氣相云圖，從而反映出兩相的邊界信息，這與相邊界的幾何尺寸沒有關(guān)系。

2 絲網(wǎng)探測技術(shù)的測量應(yīng)用

基于上述的原理介紹，絲網(wǎng)探測技術(shù)測量得到的原始數(shù)據(jù)為各個絲網(wǎng)交叉點的相態(tài)信息（是氣態(tài)、液態(tài)還是氣液相界面），從而得到流動截面上的瞬（穩(wěn)）態(tài)相態(tài)分布?；谙鄳B(tài)分布這一原始數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列的數(shù)據(jù)處理，還可以得到如下更廣泛的兩相關(guān)鍵參數(shù)。

1）截面空泡份額

當(dāng)截面上的絲網(wǎng)測點較密時，借助圖像處理算法（插值法等），可將分散的相態(tài)信息通過相關(guān)性原理處理成連續(xù)的氣（液）相區(qū)域，從而實現(xiàn)氣、液相邊界的劃分，進(jìn)而實現(xiàn)氣相面積Ag、液相面積Al更為真實的估算。這是絲網(wǎng)探測技術(shù)相對于探針法最為突出的優(yōu)勢，即連續(xù)氣相的識別是基于真實的數(shù)據(jù)，而不是事先的氣泡形狀估計。

依據(jù)得到的氣、液相面積，截面空泡份額計算表達(dá)式見式2所示。

2）氣泡速率

氣泡的不同部位接觸絲網(wǎng)時，絲網(wǎng)探測結(jié)果是不同的。利用氣泡邊緣接觸絲網(wǎng)上下層電極絲的時間間隔△t和絲網(wǎng)上下層的距離△s，則氣泡速率v的計算方法見式3所示，氣泡速率的測量原理見圖2所示。

3）氣泡的三維信息

氣泡的三維信息主要包括氣泡的形狀、直徑、界面面積濃度等?；谏鲜鼋孛婵张莘蓊~、氣泡速度的獲取，當(dāng)絲網(wǎng)探測頻率遠(yuǎn)高于氣泡速度時，絲網(wǎng)探測可捕獲氣泡經(jīng)過絲網(wǎng)傳感器時的多個斷層掃描數(shù)據(jù)，借助斷層掃描技術(shù)的后處理技術(shù)，可還原氣泡真實的三維信息（形狀、直徑、表面積等）。圖3中間圖像為高速攝像儀拍攝得到的一個氣泡經(jīng)過絲網(wǎng)的多個瞬間圖片；最左邊圖像為絲網(wǎng)傳感器同步捕獲得到的多個斷層掃描數(shù)據(jù)，最右邊的圖為借助后處理技術(shù)還原得到的氣泡三維信息，兩者具有很好的一致性?；跉馀莞鼮闇?zhǔn)確的三維信息，還可進(jìn)一步反映界面面積濃度等參數(shù)。

4）體積含氣率

截面空泡份額的時間累積可得到體積含氣率，見式4所示。

5）質(zhì)量含氣率

依據(jù)體積含氣率可以很方便地計算得到質(zhì)量含氣率，見式5所示。

4 后記

絲網(wǎng)探測技術(shù)作為一種新型的兩相流探測技術(shù)，相比傳統(tǒng)的兩相流測量方法，不僅可以實現(xiàn)更加精細(xì)化的兩相微觀參數(shù)測量，而且兼顧了良好的空間、時間精度和經(jīng)濟(jì)性，具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，在國際兩相流測量領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，但在國內(nèi)應(yīng)用報道較少，值得進(jìn)一步研究和應(yīng)用拓展。