WMS | 金属 "丝网" 传感器与多相流测量

介绍

流体成像领域的丝网传感技术，主要用于高空间和高时间分辨率的多相流研究。丝网传感器的原理基于测量点的矩阵状布置。两组“线电极”沿着容器或管道安装，彼此之间具有小的轴向间隔且彼此垂直。这样，横截面上就形成了一个电极丝网或网格（见图1）。

图 1（左）管道中具有8×8电极丝网传感器的测试原理

（右）4×4电极丝网传感器电子电路原理图

当所有接收器电极被并行取样时，发射器电极被顺序地激活。以这样的方式可以评估每个交叉点中的流体的电特性（电导率或介电常数）。 基于这些测量，传感器能够确定管道横截面上的瞬时流体分布。

原理

最初开发丝网传感器是为了研究液体流动的电导率。它们能够确定研究区域横截面中的液体局部电导率。它们非常适合用作研究具有一个导电相的混合物：例如在 水-空气 或 水-蒸汽 混合物的情况下。这种传感器已经在全世界范围内被广泛用于各种实际应用中。

然而，电导率丝网传感器的应用领域仍受制于到以下事实：至少一个流体相必须具有κ>0.5μS/ cm的电导率。出于这个原因，丝网传感器的应用扩展到了非导电液体领域。由此，电容（或介电常数）测量技术本身的发展，及其与丝网传感器的整合开发是至关重要的。所谓的电容丝网传感器也适用于油或其他有机和非导电液体的流动测量问题。因此，该传感器开启了各种新的应用领域，如化学工程和石油天然气工业等。

特性

丝网传感器可以根据不同应用的要求（不同的横截面几何形状和工作参数）设计制造。同时，用于高温和高压的丝网传感器可以在高达400°C和10 MPa的环境条件下工作。用于信号生成和数据采集的相关电子系统实现了10,000帧/秒的最大时间分辨率，同时电极可以多达128 x 128个。丝网传感器的类型、尺寸和制造技术与其应用同样地丰富多姿。为了分析获得的原始数据并可视化，采用了多种算法，例如，用于计算相分数分布，气含率分布，气泡尺寸分布，速度分布等。这些算法捆绑在 “丝网传感器数据分析框架”中。

安装

图2是一个典型的WMS测量板，中间设有48*48两层丝网阵列，导线通过导出接头与外部电路连接。

图 2 WMS测量板

图3是双层WMS测量板安装照片，通过螺栓紧固，保证整个流通管道密封。

图 3 WMS测量板安装图

应用

图4显示的是采用丝网传感器采集的TOPFLOW测试设备垂直测试部分的 空气-水 流动3D可视化图片。在水 表观速度 恒定（Jwater =1m/s）条件下，通过改变空气 表观速度Jair获得管道中的不同流动状态。在图4中的气泡流中，可以识别出段塞流和紊流湍流。

图 4 采用丝网传感器采集的垂直管道空气-水两相流态图

图5显示了一个 空气-水 垂直流在三种不同空气入射条件下10秒钟内平均气含率分布图，表观速度Jwater = 1 m/s, Jair = 0.13 m/s。

图 5 不同进口长度处三种不同空气进口条件下10秒平均气含率分布图

未来发展

目前在丝网传感器技术领域的研究有是主要集中于工业应用的在线测量系统，即应用的扩展：例如，三相介质、高度导电的介质（如盐水）、爆炸区域。研究者还关注高精度多相计量系统，高空间分辨丝网传感器与流量通量测量的耦合。除此之外，丝网传感器技术的原理也可用于分辨空间温度和速度测量，如风速测量。

注:  WMS：Wire-Mesh Sensor  

参考文献

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Visualization of gas-liquid multiphase pseudo-slug flow using Wire-Mesh Sensor

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Experimental investigation of interfacial structures within churn flow using a dual wire-mesh sensor

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