李柯良，牟泽霖，吴 川，樊辰星，王爱艳

（1.广州海洋地质调查局，广东 广州 510075；2.自然资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510075；3.中国地质大学（武汉），机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074）

0 引 言

天然气水合物是一种清洁能源，在我国南海储量丰富，天然气的开采对于缓解我国的能源危机具有重要意义。天然气水合物的开采过程中，必然涉及气液两相流动问题[1-2]，其中气液两相流体中的气泡速度至关重要，它是开采工艺设计及工艺控制的重要依据之一[3]，因此有必要对其进行测量。传统的气泡速度测量方法包括电导探针法[4]、机器视觉法[5]、超声波衰减法[6]、电阻或电容层析成相法[7]等，上述方法都有其特定的适应环境，在各自领域均有应用，但均需外接电源进行供电，而采用摩擦纳米理论研制的自供电传感器由于无需外接电源便可驱动[8-9]，无疑将更加适应深水的实际工况环境。本文基于摩擦纳米发电理论对自供电式两相流气泡速度传感器进行了初步研究，后期课题组将进一步对所研制的传感器进行密封研究，理论上将更加适合实际工况环境。

1 传感器设计

1.1 工作原理

传感器工作原理示意图如图1 所示。其中，图1a）为传感器组成结构示意图，图1b）～图1f）为传感器工作过程电荷转移示意图。由图1a）可知，传感器主要由定子、转子、销轴、连杆及挡板组成，其中定子和转子上均粘贴有摩擦层，其中定子摩擦层材料为0.05 mm 的铜（Cu），而转子的摩擦层为0.05 mm 的Cu 及0.03 mm 的聚四氟乙烯（PTFE），其余主体结构材料为聚乳酸（PLA）。

传感器的基本工作原理为：当上升中的气泡碰到挡板后（挡板为微型薄膜制作，对气泡的姿态造成的影响较小），将推动挡板向上运动，从而进一步推动连杆机构运动，使得转子绕定子转动，当挡板运动到顶部后，由于定子的阻碍作用将导致气泡破裂，此时挡板将在重力作用下恢复到初始位置。气泡的上升距离为d（常量），通过合理设计连杆机构尺寸可保证气泡上升d距离时，定子绕转子转动一周并回到初始位置，由于定、转子之间的摩擦层相互摩擦产生电荷转移，因此通过硬件电路对电荷转移进行捕获可获取气泡运动d距离的时间t，则气泡上升速度v=d t。

现结合图1b）～图1f）所示的传感器工作过程电荷转移示意图对传感器的工作原理进行进一步的详细说明：如图1b）所示为初始位置，此时定、转子的摩擦层相接触并产生电荷，由于Cu 比PTFE 更容易失电子[10]，因此定子的摩擦层带正电荷，转子的摩擦层带负电荷；如图1c）所示，气泡接触挡板并推动挡板上升，导致转子绕定子转动，从而导致两摩擦层的接触面积减小，由于电荷平衡被打破，此时转子的电荷将向定子转移，由此产生转移电流；如图1d）所示，当定子和转子的摩擦层完全分离时电荷转移完毕；如图1e）所示，随着气泡的进一步上升，当转子转动接近一周并重新与定子摩擦层相接触时，转子的电荷平衡被打破，定子的电荷向转子反向转移，此时电路中出现反向电流；如图1f）所示，当气泡运动到顶部破裂时，转子运动一周并回到初始位置，此时两摩擦层重新接触，电荷分布与初始状态相同，反向电荷转移完毕，正负电荷再次达到平衡。

图1 传感器工作原理示意图

综上可知，在单个气泡运动过程中，传感器将输出对称的交流电峰值信号，因此可通过数据处理电路采集该峰值信号，并结合电路的采样频率，便可计算得到气泡运动时间t，由于气泡的运动距离d为固定值，因此气泡的上升速度v=d t可计算得到。

1.2 室内试验

1.2.1 试验装置

图2a）所示为试验装置总体概括图，图2b）为传感器实物图。

图2 室内试验装置实物图

由图2 可知，试验装置主要由气泵、模拟井筒、视觉系统（包括上位机软件，用于计算气泡速度）、6514 静电计及所设计的传感器等组成。其中，气泵产生的压缩空气经调节阀后输入模拟井筒，用以模拟不同速度气泡的运行；视觉系统实时采集气泡的速度并经上位机软件进行显示；传感器安装在模拟井筒上方，传感器所测量到的数据经6514 静电计进行实时显示。

此外，将视觉系统所计算得到的数据命名为“标准速度”，将传感器测量得到的气泡速度命名为“测量速度”，并将试验误差定义为：

1.2.2 试验结果

气泡测量结果曲线图如图3 所示。

图3 气泡测量结果曲线图

由图3 可得如下结论：

1）由图3a）可知，单个气泡测量过程中出现了交流峰值信号，图中所标注t即为气泡运行时间，且信号值远大于干扰信号值，信噪比较高，因此所设计的传感器可实现单个气泡的测量且抗干扰能力较强。

2）由图3b）可知，对于高速上升或相邻两气泡间距较小的情况下，对于连续气泡的冲击，传感器仅输出一个交流峰值信号，原因在于连续气泡冲击使得挡板无法恢复到初始位置，因此传感器对高速或近距离连续气泡不适用。通过后续大量试验可得，当速度＞0.35 m/s，或相邻气泡间距＜0.03 m 时，传感器不适用。

3）由图3c）可知，对于低速上升且相邻两气泡间距较大的情况下，传感器输出了与气泡个数相同的连续交流峰值信号，因此所设计的传感器可实现连续气泡的测量，但对气泡的速度及间距均有要求。通过后续大量试验可得：当速度≤0.35 m/s，且相邻气泡间距≥0.03 m 时，传感器适用。

4）由图3d）并结合大量测试数据可知，传感器的最大测量误差＜5%，且测量误差与气泡速度无相关规律性。

2 结 论

针对天然气水合物开采过程中气液两相流气泡速度探测的需要，设计了一种基于摩擦纳米发电机原理的气泡速度传感器，可实现气泡速度的测量，且传感器可实现自供电（即无需额外电源即可工作），后续相关试验表明，当气泡速度≤0.35 m/s，且相邻气泡间距≥0.03 m时，传感器可正常工作，且最大测量误差＜5%，反之，则不适用。

与常规方法相比，所设计的传感器具有以下特点：

1）传感器基于摩擦纳米理论研制，即摩擦起电现象，而摩擦起电不受温度影响，因此传感器对温度的适应性更强。此外，传感器为自供电的传感器，无需额外供电便可工作，无疑将更加适宜深水的实际工况环境。

2）传感器为机械接触式的传感器，在低速及相邻气泡间距较大的情况下使用，同时由于接触式的传感器均在一定程度上对气泡的形态造成一些影响，因此限制了其使用范围，下一步的研究将重点对此进行改进，以进一步扩大传感器的使用范围。