淺談絲網探測技術的原理與應用

龔隨軍　閆曉　張君毅　余詩墨

中圖分類號： TS871.1 文獻標識碼： 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

絲網探測技術，又稱wire-mesh探測技術，是一種新型的基于電學的介入式兩相流測量技術，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絡，通過測量絲網交叉點處流動介質的電學特性（電阻值或者電容值）得到流體的局部相態信息。

絲網探測技術的應用最早源于美國的Johnson，他用絲網對原油中水的體積含率進行了測量，不過與現代絲網探測技術不同的是，Johnson將電路收集的信號通過閾值識別的方法轉化為兩種狀態（水和空氣），通過計數的形式統計單相比例。由于閾值識別算法引入的測量誤差較大，德國學者 Prasser 等人在Johnson的wire-mesh探測原理的基礎上，融合了數據成像分析技術，發展了當前廣泛使用的絲網探測技術。

與目前廣泛應用的兩相流測量方法（射線衰減法、光學法、探針法以及阻抗測量法）相比，絲網探測技術兼顧了良好的空間精度、時間精度以及良好的經濟性，在兩相流動截面相態分布的精細化測量方面具有顯著的技術優勢。

1 絲網探測技術的原理介紹

絲網探測技術的原理構成如圖1所示，它主要由絲網傳感器（絲網模塊）、測量控制模塊（包括邏輯控制單元、采集處理單元、數據傳輸單元）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，絲網傳感器（絲網模塊）是由兩層平行電極絲網彼此成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，采集處理單元負責微小信號的采集、濾波、運算放大、AD轉換等，采樣數據最終經傳輸單元送給上位機，做進一步的數據后處理和成像分析。

為達到捕捉流動流體瞬間相態的目的，絲網探測器需要首先安裝于流道內垂直于流動方向的截面上，邏輯控制單元采用循環激勵的策略，每次順序激勵發射層上的一根電極絲，數據采集單元會同時收集接收層上所有電極絲的響應信號，響應信號經濾波、運算放大、AD轉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，直到完成所有發射層電極絲的激勵，由此完成一個完整截面點的相態信息捕獲。上位機對接收到每一個完整截面點的相態信息交互數據處理軟件進行原始信號轉換（見式1所示）、相態識別、截面數據成像等操作，最終得到流場截面上的兩相分布特性。

由上式1可以看出絲網探測器具有如下的特征：

1）絲網探測器的測量值由純液相與純氣相環境下標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（本研究內容主要討論不同離子濃度下的空氣-水組合）關系不大，而主要取決于絲網傳感器的幾何結構，包括電極線的尺寸和絲網交叉點的垂直距離。因此，在絲網的測量過程中（此時電極絲尺寸已定），為保證測量的準確性，最重要的是要確保絲網幾何結構的完整性，即兩層平等絲網間距不隨流體沖擊而發生較大的變形；

2）絲網探測器測量準確性與兩相邊界尺寸規則與否沒有關系。因為絲網探測器的每個交叉測量點都可準確地反映該局部點處的瞬間相態信息，只要能保證單點測量相態信息的準確性，當絲網矩陣數較大，分辨率較高時，截面上所有測點的相態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系。

2 絲網探測技術的測量應用

基于上述的原理介紹，絲網探測技術測量得到的原始數據為各個絲網交叉點的相態信息（是氣態、液態還是氣液相界面），從而得到流動截面上的瞬（穩）態相態分布。基于相態分布這一原始數據，經一系列的數據處理，還可以得到如下更廣泛的兩相關鍵參數。

1）截面空泡份額

當截面上的絲網測點較密時，借助圖像處理算法（插值法等），可將分散的相態信息通過相關性原理處理成連續的氣（液）相區域，從而實現氣、液相邊界的劃分，進而實現氣相面積Ag、液相面積Al更為真實的估算。這是絲網探測技術相對于探針法最為突出的優勢，即連續氣相的識別是基于真實的數據，而不是事先的氣泡形狀估計。

依據得到的氣、液相面積，截面空泡份額計算表達式見式2所示。

2）氣泡速率

氣泡的不同部位接觸絲網時，絲網探測結果是不同的。利用氣泡邊緣接觸絲網上下層電極絲的時間間隔△t和絲網上下層的距離△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。基于上述截面空泡份額、氣泡速度的獲取，當絲網探測頻率遠高于氣泡速度時，絲網探測可捕獲氣泡經過絲網傳感器時的多個斷層掃描數據，借助斷層掃描技術的后處理技術，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過絲網的多個瞬間圖片；最左邊圖像為絲網傳感器同步捕獲得到的多個斷層掃描數據，最右邊的圖為借助后處理技術還原得到的氣泡三維信息，兩者具有很好的一致性。基于氣泡更為準確的三維信息，還可進一步反映界面面積濃度等參數。

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）質量含氣率

依據體積含氣率可以很方便地計算得到質量含氣率，見式5所示。

4 后記

絲網探測技術作為一種新型的兩相流探測技術，相比傳統的兩相流測量方法，不僅可以實現更加精細化的兩相微觀參數測量，而且兼顧了良好的空間、時間精度和經濟性，具有獨特的技術優勢，在國際兩相流測量領域得到了較為廣泛的應用，但在國內應用報道較少，值得進一步研究和應用拓展。