專利名稱：采用主導(dǎo)相判別器的液液兩相流測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及采用主導(dǎo)相判別器的液液兩相流 測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
液液兩相流在石油和化工等工業(yè)領(lǐng)域中廣泛存在?，F(xiàn)有的計(jì)量方法有密度 計(jì)結(jié)合單相流量計(jì)的方法獲得分相流量，但實(shí)際使用時(shí)測(cè)量精度不理想、成本 高，常用的振動(dòng)管密度計(jì)對(duì)介質(zhì)的溫度、壓力等現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)十分敏感，介質(zhì)條件 的變化直接影響密度和流量的測(cè)量，而射線密度計(jì)又存在安全問題，對(duì)操作條 件要求高。先將液液兩相分離，然后使用單相流量計(jì)分別計(jì)量也是經(jīng)常使用的 方法，但分離器體積龐大且分離需要一定的時(shí)間，計(jì)量實(shí)時(shí)性受到影響。近幾 年出現(xiàn)的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)也可以用來進(jìn)行分相測(cè)量，但存在成本昂貴、使 用條件苛刻、安裝維修不方便等缺點(diǎn)。另外，先用混流器將兩相流混合均勻成 為均相流，再利用單相流量計(jì)如節(jié)流式流量計(jì)、容積式流量計(jì)等的組合來進(jìn)行 測(cè)量的方法，測(cè)量精度尚需進(jìn)一步提高，且混流器也引入了額外的壓損。
本實(shí)用新型采用單相流儀表的組合和主導(dǎo)相判別器進(jìn)行液液兩相流的測(cè) 量，不需使用混流器對(duì)流體進(jìn)行預(yù)先混合，既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又減少了壓損， 同時(shí)利用以電導(dǎo)傳感器為主體的液液兩相流主導(dǎo)相判別器來提高兩相流測(cè)量精 度。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種采用主導(dǎo)相判別器的液液兩相流測(cè)量方法和 裝置。
采用主導(dǎo)相判別器的液液兩相流測(cè)量裝置具有計(jì)量管道，在計(jì)量管道上依 次安裝電導(dǎo)傳感器、節(jié)流元件、體積流量計(jì)、溫度變送器，電導(dǎo)傳感器經(jīng)電導(dǎo) 測(cè)量及采集電路與計(jì)算機(jī)相連接，節(jié)流元件與差壓變送器相連接，差壓變送器、 體積流量計(jì)、溫度變送器經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路與計(jì)算機(jī)相連接，電導(dǎo)傳感器、電導(dǎo) 測(cè)量及采集電路與計(jì)算機(jī)構(gòu)成主導(dǎo)相判別器。
所述的電導(dǎo)傳感器的傳感管段采用有機(jī)玻璃材料，兩端通過連接法蘭與被
測(cè)管道相連，傳感管段內(nèi)壁四周等間距地安裝有n個(gè)電極，其中論6，電極通 過高頻屏蔽線與電導(dǎo)測(cè)量及采集電路相連。
節(jié)流元件為文丘里管，體積流量計(jì)為容積式流量計(jì)。
本實(shí)用新型利用簡(jiǎn)單的單相流量計(jì)解決了工程上一直難以很好解決的液液 兩相流測(cè)量問題。不需要使用混流器進(jìn)行流體的預(yù)先混合，既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 又減少了測(cè)量裝置的壓損，并且利用主導(dǎo)相的判別克服了采用單一的節(jié)流元件 流量系數(shù)引起的較大誤差，提高了測(cè)量精度，同時(shí)具有不需要液液兩相分離、 帶溫度補(bǔ)償、可靠性好、成本低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于石油、化工等諸 多領(lǐng)域中的液液兩相流系統(tǒng)的測(cè)量。

圖1是采用主導(dǎo)相判別器的液液兩相流測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是主導(dǎo)相判別器的組成結(jié)構(gòu)框圖3 (a)是電導(dǎo)傳感器的縱向剖面圖(以16個(gè)針狀電極為例)； 圖3 (b)是電導(dǎo)傳感器的橫向剖面圖(以16個(gè)針狀電極為例)； 圖4是主導(dǎo)相判別器中計(jì)算機(jī)主導(dǎo)相判別模塊的工作步驟示意圖； 圖5是采用主導(dǎo)相判別器的液液兩相流測(cè)量方法的工作步驟示意圖。
具體實(shí)施方式

如圖1所示，采用主導(dǎo)相判別器的液液兩相流測(cè)量裝置具有計(jì)量管道，在 計(jì)量管道上依次安裝電導(dǎo)傳感器、節(jié)流元件、體積流量計(jì)、溫度變送器，電導(dǎo) 傳感器經(jīng)電導(dǎo)測(cè)量及采集電路與計(jì)算機(jī)相連接，節(jié)流元件與差壓變送器相連接， 差壓變送器、體積流量計(jì)、溫度變送器經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路與計(jì)算機(jī)相連接。電導(dǎo) 傳感器、電導(dǎo)測(cè)量及采集電路與計(jì)算機(jī)構(gòu)成主導(dǎo)相判別器。所述的節(jié)流元件為 文丘里管，體積流量計(jì)為容積式流量計(jì)(包括齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、刮板 流量計(jì)等)。
測(cè)量時(shí)，液液兩相流進(jìn)入計(jì)量管道，流經(jīng)電導(dǎo)傳感器、節(jié)流元件和體積流 量計(jì)。電導(dǎo)測(cè)量及采集電路與電導(dǎo)傳感器相連，測(cè)量得到管道內(nèi)兩相流的多個(gè) 電導(dǎo)值，并將其送入計(jì)算機(jī)。差壓變送器與節(jié)流元件配套安裝，差壓信號(hào)轉(zhuǎn)變 為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路送入計(jì)算機(jī)。體積流量計(jì)獲取管路中液液兩相流 的總體積流量，并將流量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路送入計(jì)算機(jī)。
溫度變送器用來測(cè)量?jī)上嗔鞯臏囟萺 ，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù) 采集電路送入計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中設(shè)有存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)兩相流體在不同溫度下 的密度和節(jié)流元件的流量系數(shù)(包括用單相流體1標(biāo)定的系數(shù)&和用單相流體 2標(biāo)定的系數(shù)A)等數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，進(jìn)行液液兩相流主導(dǎo)相的判 別，并獲取混合密度、總質(zhì)量流量和分相流量等。
需要指出的是，相對(duì)于孔板、噴嘴等其他節(jié)流元件，文丘里管所產(chǎn)生的管
路壓損最小，因此節(jié)流元件選用文丘里管。體積流量計(jì)之所以選用容積式流量 計(jì)，是因?yàn)槿莘e式流量計(jì)的測(cè)量精度較高，且液液兩相流流型的變化對(duì)其精度 的影響很小。
不論本裝置采用的是何種節(jié)流元件，都可利用不可壓縮流體體積流量計(jì)算
公式:<formula>formula see original document page 5</formula>
其中
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-液液兩相流流經(jīng)節(jié)流元件產(chǎn)生的差壓，
-液液兩相流混合密度，
-節(jié)流元件的流量系數(shù)。
由于液體的不可壓縮性和連續(xù)性方程，體積流量計(jì)測(cè)得的總體積流量a即
為流經(jīng)節(jié)流元件的體積流量^，所以得到<formula>formula see original document page 5</formula>
對(duì)式(2)進(jìn)行變換，得到液液兩相流的混合密度為
<formula>formula see original document page 5</formula>
以上各式中，節(jié)流元件的流量系數(shù)《是一個(gè)重要的參數(shù)，但由于目前對(duì)液 液兩相流中節(jié)流元件的流量系數(shù)的研究還比較少，因此測(cè)量中使用節(jié)流元件的 單相流流量系數(shù)。而用單相流體1標(biāo)定的流量系數(shù)《和用單相流體2標(biāo)定的流 量系數(shù)A是有所不同的，在流量較小的情況下這種差異會(huì)更大。因此為了克服 采用單一流量系數(shù)引起的較大誤差，提高液液兩相流的測(cè)量精度，利用主導(dǎo)相 判別器對(duì)液液兩相流的主導(dǎo)相進(jìn)行判別，依據(jù)判別結(jié)果選擇合適的流量系數(shù)作 為節(jié)流元件的兩相流流量系數(shù)。若流體1為主導(dǎo)相(流體1含率x^60。/。)，則 其兩相流流量系數(shù)選擇為用單相的流體1標(biāo)定的流量系數(shù)^ ，若流體2為主導(dǎo) 相(流體2含率^^60%)，則節(jié)流元件的兩相流流量系數(shù)選擇為用單相流體2 標(biāo)定的流量系數(shù)i^，若液液兩相流處于過渡狀態(tài)(40%<x,<60%)，則其兩相流 流量系數(shù)選擇為^和^的平均值，艮口
^ , 流體l為主導(dǎo)相 尺二4(A +《2)/2 ， 過渡狀態(tài) (4)
《，， 流體2為主導(dǎo)相
如圖2所示，主導(dǎo)相判別器具有相連接的電導(dǎo)傳感器、電導(dǎo)測(cè)量及采集電
路、計(jì)算機(jī)主導(dǎo)相判別模塊。電導(dǎo)傳感器如圖3所示，具有傳感管段l，傳感 管段l采用有機(jī)玻璃材料，兩端通過連接法蘭2與被測(cè)管道相連，傳感管段內(nèi) 壁四周等間距地安裝有n個(gè)電極3 (論6，圖中11=16)，電極可以為點(diǎn)狀、矩形 或其他形狀(圖中電極為針狀)，電極通過高頻屏蔽線4與電導(dǎo)測(cè)量及采集電路 相連。電導(dǎo)測(cè)量及采集電路采用"相鄰電極注入激勵(lì)電流、非激勵(lì)的相鄰電極 檢測(cè)電壓"的方式獲取管道內(nèi)兩相流的電導(dǎo)值(共n(n-3)/2個(gè))，并將其送入計(jì)
由于兩相流不同主導(dǎo)相下電導(dǎo)值存在差異，主導(dǎo)相判別器基于此差異進(jìn)行 主導(dǎo)相的判別，判別方法包括如下步驟
1) 電導(dǎo)測(cè)量及采集電路獲取管道內(nèi)兩相流的電導(dǎo)值；
2) 計(jì)算機(jī)主導(dǎo)相判別模塊使用由最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)建立的 分類器，根據(jù)電導(dǎo)信號(hào)將液液兩相流的流動(dòng)狀態(tài)分成三類流體1為主導(dǎo)相(流 體1的體積含率^^60%)、流體2為主導(dǎo)相(流體2的體積含率;c^60。/。)、過 渡狀態(tài)(40%<^<60%)。
分類器的建立可以采用支持向量機(jī)多類分類問題中的One-versus-Rest算 法，建立多個(gè)兩類分類器分別將每一類與其他兩類區(qū)分開來，因此共需三個(gè)子 分類器，每個(gè)子分類器的表達(dá)式如下
少o)=詠" 其中，<formula>formula see original document page 6</formula>
(5)
"n(n-3)/2個(gè)電導(dǎo)值組成的向: -類別標(biāo)號(hào)；
廠
TV~~訓(xùn)練集中樣本的個(gè)數(shù)；
——訓(xùn)練集中的電導(dǎo)值向量和相應(yīng)的類別標(biāo)號(hào)，
仏
-分#數(shù)，zW義
^( )——LS-SVM分類器的核函數(shù)，yO^) = eXp廠一。
0"
7為其參
分類器中的各參數(shù)",，6， cr由訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和LS-SVM算法經(jīng)優(yōu)化計(jì)算獲得。
計(jì)算機(jī)主導(dǎo)相判別模塊的工作步驟如圖4所示，將測(cè)量得到的電導(dǎo)值送入 三個(gè)子分類器中進(jìn)行分類，根據(jù)三個(gè)分類結(jié)果對(duì)此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行推斷，歸 入最可能的一類。然后根據(jù)判別結(jié)果和式(4)確定節(jié)流元件的流量系數(shù)《，進(jìn)
而由式(3)計(jì)算得到液液兩相流的混合密度/7。
由于整個(gè)計(jì)量管路比較短，可以認(rèn)為整個(gè)管路的溫度是一致的，計(jì)算機(jī)根
據(jù)溫度測(cè)量值r從存儲(chǔ)模塊中提取出兩相流體在溫度r時(shí)的密度A和P2 。設(shè)&和
X2分別是兩流體的分相體積含率，根據(jù)/^x^+X2^和x^X2-l，可以得到
總質(zhì)量流量(6)
流體l的體積含率x,=^^; (7)
流體2的體積含率；c2=t^; (8)
流體1的體積流量仏=x必； (9)
流體2的體積流量a2=^a; (io)
流體1的質(zhì)量流量l = a仏； (11)
流體2的質(zhì)量流量a 2=p2a2。 (12)
綜上，采用主導(dǎo)相判別器的液液兩相流測(cè)量方法的步驟如圖5所示
1) 由各個(gè)測(cè)量?jī)x表獲得液液兩相流的電導(dǎo)信號(hào)、總體積流量a、差壓信
號(hào)Ap和溫度r;
2) 主導(dǎo)相判別器根據(jù)電導(dǎo)信號(hào)判別液液兩相流的主導(dǎo)相，依此由式(4) 確定節(jié)流元件的流量系數(shù)《；
3) 由溫度r査得各流體的密度A和/v然后將差壓信號(hào)Ap、總體積流量a、
流量系數(shù)《、各流體密度a、 a代入式(3)、式(6) (12)計(jì)算得到兩相流 混合密度、總質(zhì)量流量和各流體分相流量等數(shù)據(jù)。
己針對(duì)柴油-水兩相流在內(nèi)徑為15mm、 25mm和40mm的水平管上進(jìn)行了 試驗(yàn)，電導(dǎo)傳感器采用16個(gè)針狀電極，容積式流量計(jì)采用橢圓齒輪流量計(jì)，油 水總體積流量為1.2~5.5m3/h，分相含率覆蓋0%到100%。試驗(yàn)結(jié)果表明，若文 丘里管采用單一的單相水標(biāo)定的流量系數(shù)，兩相流混合密度和總質(zhì)量流量的測(cè) 量相對(duì)誤差可分別達(dá)到8.2%、 8.3%，若采用單相柴油標(biāo)定的流量系數(shù)，混合密 度和總質(zhì)量流量的測(cè)量相對(duì)誤差則分別達(dá)到了 7.9%、 8.0%，而使用本方法和裝 置，兩相流混合密度和總質(zhì)量流量的測(cè)量相對(duì)誤差均在±4%以內(nèi)。
權(quán)利要求1. 一種采用主導(dǎo)相判別器的液液兩相流測(cè)量裝置，其特征在于它具有計(jì)量管道，在計(jì)量管道上依次安裝電導(dǎo)傳感器、節(jié)流元件、體積流量計(jì)、溫度變送器，電導(dǎo)傳感器經(jīng)電導(dǎo)測(cè)量及采集電路與計(jì)算機(jī)相連接，節(jié)流元件與差壓變送器相連接，差壓變送器、體積流量計(jì)、溫度變送器經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路與計(jì)算機(jī)相連接，電導(dǎo)傳感器、電導(dǎo)測(cè)量及采集電路與計(jì)算機(jī)構(gòu)成主導(dǎo)相判別器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液液兩相流測(cè)量裝置，其特征在于所述的電 導(dǎo)傳感器的傳感管段(1)采用有機(jī)玻璃材料，兩端通過連接法蘭(2)與被測(cè) 管道相連，傳感管段內(nèi)壁四周等間距地安裝有n個(gè)電極(3)，其中論6，電極 通過高頻屏蔽線(4)與電導(dǎo)測(cè)量及采集電路相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液液兩相流測(cè)量裝置，其特征在于所述的節(jié) 流元件為文丘里管，體積流量計(jì)為容積式流量計(jì)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種采用主導(dǎo)相判別器的液液兩相流測(cè)量裝置。包括計(jì)量管道、電導(dǎo)傳感器、節(jié)流元件、體積流量計(jì)、差壓變送器、溫度變送器、電導(dǎo)測(cè)量及采集電路、數(shù)據(jù)采集電路和計(jì)算機(jī)，電導(dǎo)傳感器經(jīng)電導(dǎo)測(cè)量及采集電路接計(jì)算機(jī)，各變送器和流量計(jì)經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路接計(jì)算機(jī)。根據(jù)體積流量計(jì)獲取的總體積流量、節(jié)流元件處獲取的差壓、溫度變送器獲取的溫度得到兩相流混合密度、總質(zhì)量流量和分相流量等。不需使用混流器對(duì)流體預(yù)先混合，同時(shí)利用以電導(dǎo)傳感器為主體的主導(dǎo)相判別器判別兩相流的主導(dǎo)相，依此為節(jié)流元件選擇兩相流流量系數(shù)，提高了測(cè)量精度。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、成本低、適用范圍廣，可用于石油、化工等領(lǐng)域中液液兩相流的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F1/00GK201210060SQ20082008289
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者冀海峰, 孟振振, 霞 李, 李海青, 王保良, 黃志堯 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)