龚随军　闫晓　张君毅　余诗墨

中图分类号： TS871.1 文献标识码： A 文章编号： 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

丝网探测技术，又称wire-mesh探测技术，是一种新型的基于电学的介入式两相流测量技术，它由互成90度且相隔很近的两层平行电极丝组成传感器网络，通过测量丝网交叉点处流动介质的电学特性（电阻值或者电容值）得到流体的局部相态信息。

丝网探测技术的应用最早源于美国的Johnson，他用丝网对原油中水的体积含率进行了测量，不过与现代丝网探测技术不同的是，Johnson将电路收集的信号通过阈值识别的方法转化为两种状态（水和空气），通过计数的形式统计单相比例。由于阈值识别算法引入的测量误差较大，德国学者 Prasser 等人在Johnson的wire-mesh探测原理的基础上，融合了数据成像分析技术，发展了当前广泛使用的丝网探测技术。

与目前广泛应用的两相流测量方法（射线衰减法、光学法、探针法以及阻抗测量法）相比，丝网探测技术兼顾了良好的空间精度、时间精度以及良好的经济性，在两相流动截面相态分布的精细化测量方面具有显著的技术优势。

1 丝网探测技术的原理介绍

丝网探测技术的原理构成如图1所示，它主要由丝网传感器（丝网模块）、测量控制模块（包括逻辑控制单元、采集处理单元、数据传输单元）以及上位机图像处理软件组成。

图1 Wire-mesh探测器测量原理示意图（硬件部分）

其中，丝网传感器（丝网模块）是由两层平行电极丝网彼此成90度上下错位（不接触）安装而成，每两根上下交叉的电极丝交叉点即为丝网传感器的一个测量点，两层平行电极丝中一层用作信号激励（激励层），另一层用作信号接收（接收层）；逻辑控制单元控制激励的时序逻辑，采集处理单元负责微小信号的采集、滤波、运算放大、AD转换等，采样数据最终经传输单元送给上位机，做进一步的数据后处理和成像分析。

为达到捕捉流动流体瞬间相态的目的，丝网探测器需要首先安装于流道内垂直于流动方向的截面上，逻辑控制单元采用循环激励的策略，每次顺序激励发射层上的一根电极丝，数据采集单元会同时收集接收层上所有电极丝的响应信号，响应信号经滤波、运算放大、AD转换等处理流程交由通讯单元实时向上位机传输；随后再激励、接收、处理、传输，依此类推，直到完成所有发射层电极丝的激励，由此完成一个完整截面点的相态信息捕获。上位机对接收到每一个完整截面点的相态信息交互数据处理软件进行原始信号转换（见式1所示）、相态识别、截面数据成像等操作，最终得到流场截面上的两相分布特性。

由上式1可以看出丝网探测器具有如下的特征：

1）丝网探测器的测量值由纯液相与纯气相环境下标定值之差的相对情况而定，这就决定了它与具体的测量对象（本研究内容主要讨论不同离子浓度下的空气-水组合）关系不大，而主要取决于丝网传感器的几何结构，包括电极线的尺寸和丝网交叉点的垂直距离。因此，在丝网的测量过程中（此时电极丝尺寸已定），为保证测量的准确性，最重要的是要确保丝网几何结构的完整性，即两层平等丝网间距不随流体冲击而发生较大的变形；

2）丝网探测器测量准确性与两相边界尺寸规则与否没有关系。因为丝网探测器的每个交叉测量点都可准确地反映该局部点处的瞬间相态信息，只要能保证单点测量相态信息的准确性，当丝网矩阵数较大，分辨率较高时，截面上所有测点的相态信息可形成一个完整的气相云图，从而反映出两相的边界信息，这与相边界的几何尺寸没有关系。

2 丝网探测技术的测量应用

基于上述的原理介绍，丝网探测技术测量得到的原始数据为各个丝网交叉点的相态信息（是气态、液态还是气液相界面），从而得到流动截面上的瞬（稳）态相态分布。基于相态分布这一原始数据，经一系列的数据处理，还可以得到如下更广泛的两相关键参数。

1）截面空泡份额

当截面上的丝网测点较密时，借助图像处理算法（插值法等），可将分散的相态信息通过相关性原理处理成连续的气（液）相区域，从而实现气、液相边界的划分，进而实现气相面积Ag、液相面积Al更为真实的估算。这是丝网探测技术相对于探针法最为突出的优势，即连续气相的识别是基于真实的数据，而不是事先的气泡形状估计。

依据得到的气、液相面积，截面空泡份额计算表达式见式2所示。

2）气泡速率

气泡的不同部位接触丝网时，丝网探测结果是不同的。利用气泡边缘接触丝网上下层电极丝的时间间隔△t和丝网上下层的距离△s，则气泡速率v的计算方法见式3所示，气泡速率的测量原理见图2所示。

3）气泡的三维信息

气泡的三维信息主要包括气泡的形状、直径、界面面积浓度等。基于上述截面空泡份额、气泡速度的获取，当丝网探测频率远高于气泡速度时，丝网探测可捕获气泡经过丝网传感器时的多个断层扫描数据，借助断层扫描技术的后处理技术，可还原气泡真实的三维信息（形状、直径、表面积等）。图3中间图像为高速摄像仪拍摄得到的一个气泡经过丝网的多个瞬间图片；最左边图像为丝网传感器同步捕获得到的多个断层扫描数据，最右边的图为借助后处理技术还原得到的气泡三维信息，两者具有很好的一致性。基于气泡更为准确的三维信息，还可进一步反映界面面积浓度等参数。

4）体积含气率

截面空泡份额的时间累积可得到体积含气率，见式4所示。

5）质量含气率

依据体积含气率可以很方便地计算得到质量含气率，见式5所示。

4 后记

丝网探测技術作为一种新型的两相流探测技术，相比传统的两相流测量方法，不仅可以实现更加精细化的两相微观参数测量，而且兼顾了良好的空间、时间精度和经济性，具有独特的技术优势，在国际两相流测量领域得到了较为广泛的应用，但在国内应用报道较少，值得进一步研究和应用拓展。