基于超聲與電學(xué)多傳感器互相關(guān)測速的多相流測試方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于流體測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種電學(xué)與超聲雙模態(tài)多相流測試方法，包括以下步驟：電學(xué)傳感器陣列采集電信號；超聲傳感器陣列采集超聲信號；利用電學(xué)信號與超聲信號提取被測對象流動特征實(shí)現(xiàn)流型識別；判斷連續(xù)相導(dǎo)電性；利用超聲信號獲取氣相含率；利用超聲信號與互相關(guān)測速方法計(jì)算氣相流速；連續(xù)相導(dǎo)電計(jì)算電導(dǎo)率獲得水相含率；連續(xù)相不導(dǎo)電計(jì)算介電常數(shù)獲得水相含率；利用氣相含率與水相含率計(jì)算油相含率；利用電學(xué)信號與互相關(guān)測速方法計(jì)算液相流速；計(jì)算分相流速和流量；計(jì)算總流量與總流速；本發(fā)明不受多相流連續(xù)相是否導(dǎo)電的影響，具有測量精度高、無擾動、可獲信息多等特點(diǎn)。
【專利說明】基于超聲與電學(xué)多傳感器互相關(guān)測速的多相流測試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于流體測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種電學(xué)與超聲雙模態(tài)多傳感器多相流過程 參數(shù)測試方法，用于實(shí)現(xiàn)多相流分相含率、流速及流量等參數(shù)的在線獲取。本發(fā)明以油/氣 /水多相流測量為描述對象，可是用于以多相流為測量對象的工業(yè)過程和化學(xué)反應(yīng)中。 技術(shù)背景
[0002] 在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中廣泛存在著多相流動現(xiàn)象。多相流中的"相"定義為物 質(zhì)的存在形式，即氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)，因此多相流即為具有兩種或兩種以上"相"物質(zhì)同時(shí)流 動的流體。多相流現(xiàn)象廣泛存在于能源、動力、石油、化工、冶金、醫(yī)藥等工業(yè)過程中，在工業(yè) 生產(chǎn)與科學(xué)研究中有著十分重要的作用，對其流動過程監(jiān)測和描述、以及對流動過程參數(shù) 的準(zhǔn)確檢測給工程師和科研人員提出了挑戰(zhàn)。近年來，國際上對多相流的研究興趣在持續(xù) 增長，其原因在于多相流不僅在一系列現(xiàn)代工程中得到廣泛應(yīng)用，而且對促進(jìn)這些工程設(shè) 備的發(fā)展和創(chuàng)新也起到了重要作用。
[0003] 由于多相流各相間存在界面效應(yīng)和相對速度，相界面在時(shí)間和空間上均呈隨機(jī)變 化，致使多相流的流動特性遠(yuǎn)比單相流復(fù)雜，特征參數(shù)也比單相流多。多相流過程參數(shù)檢測 策略隨著工況與對象屬性變化，可以利用的物理現(xiàn)象與關(guān)系很多，因此檢測手段也多種多 樣。檢測方式可分為兩大類：直接法與間接法。直接法指的是對象參數(shù)能通過測量直接得 至IJ，而間接法需要在測量值（輔助測量值）與被測參數(shù)間建立關(guān)系式通過計(jì)算得到，即"軟 測量"方法。在多相流測量領(lǐng)域內(nèi)，許多直接采用單相流儀表的檢測方法屬于直接法，而新 興的檢測技術(shù)則多采用軟測量的方法，如電學(xué)法、超聲法以及射線法等。在科學(xué)研究與工業(yè) 應(yīng)用中，多相流的檢測手段需要在控制制造成本的前提下，對被測流體不產(chǎn)生任何擾動，因 此電學(xué)法與超聲法由于其結(jié)構(gòu)簡單、非擾動、造價(jià)低而備受關(guān)注。
[0004] 電學(xué)測量方法根據(jù)其傳感器結(jié)構(gòu)、形狀、激勵方式的不同又分為多種形式，如電導(dǎo) 探針、環(huán)形電導(dǎo)陣列等，其中旋轉(zhuǎn)場電阻抗方法，即電學(xué)過程層析成像技術(shù)是電學(xué)法中的一 種重要改進(jìn)形式，能夠提供豐富的物質(zhì)截面分布信息，且能將不透明管道中的多相介質(zhì)分 布進(jìn)行可視化重建。電學(xué)過程層析成像技術(shù)根據(jù)測量敏感原理不同又分為電容式、電阻式、 阻抗式和電磁式層析成像等。該技術(shù)具有非擾動與多點(diǎn)測量的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對多相流體 的相含率與流速等過程參數(shù)的測量，具有很好的應(yīng)用前景。
[0005] 超聲檢測是一種應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)，在醫(yī)學(xué)監(jiān)測、流體測量中有其獨(dú)特的優(yōu)勢， 超聲波在流體中傳播時(shí)不會破壞流體的流場，沒有壓力損失，同時(shí)若將檢測元件置于管道 外壁，可以避免與流體直接接觸，降低傳感器的腐蝕程度。超聲層析成像方法可通過安裝于 管道同一截面處的多個(gè)超聲收發(fā)探頭，以非擾動的形式獲得被測截面內(nèi)部不同聲阻抗介質(zhì) 的分布信息，并通過圖像重建算法實(shí)現(xiàn)該分布的可視化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種能更為精確的、非擾動的多相流過程參數(shù)測試方法。本 發(fā)明的傳感器和測量裝置，將電學(xué)傳感器與超聲傳感器組合，利用電學(xué)傳感器對電導(dǎo)率/ 介電常數(shù)變化敏感的測量原理獲得油氣水多相流高電導(dǎo)率/介電常數(shù)相（水相）信息，利 用超聲傳感器對聲阻抗變化敏感的測量原理獲得油氣水多相流聲阻抗（氣相）信息。無需 對測量流體進(jìn)行預(yù)分離或混合，實(shí)現(xiàn)多相流過程分相含率與分相流速的準(zhǔn)確測量以及流型 的正確識別。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] 所用測試裝置包括電學(xué)傳感器陣列、超聲傳感器陣列、電學(xué)信號發(fā)生與檢測單元、 超聲信號發(fā)生與檢測單元、流動參數(shù)計(jì)算單元；所述的電學(xué)傳感器陣列包括兩組分布在被 測管道不同截面位置的電極陣列，每組電極由一個(gè)及一個(gè)以上分布在被測管道相同截面位 置的電極構(gòu)成，兩組分別為上游電學(xué)傳感器陣列和下游電學(xué)傳感器陣列；所述的超聲傳感 器陣列包括兩組分布在被測管道不同截面位置的探頭陣列，每組探頭陣列由多個(gè)超聲探頭 構(gòu)成，兩組分別為上游超聲傳感器陣列和下游超聲傳感器陣列；電學(xué)傳感器陣列、超聲傳感 器陣列同時(shí)工作，組成一套雙模態(tài)傳感器陣列；電學(xué)信號發(fā)生與檢測單元交替選通分屬電 學(xué)傳感器陣列不同組的一對電極作為激勵電極對，其中一個(gè)電極為激勵電極，另一個(gè)電極 為接地電極，在所述激勵電極對之間建立電學(xué)敏感場，測量其余電極間電勢差；超聲信號發(fā) 生與檢測單元每次選通一個(gè)超聲探頭產(chǎn)生超聲波，選通與該超聲探頭不屬于同組的一個(gè)或 多個(gè)探頭接收超聲波，并將超聲強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號；電學(xué)信號發(fā)生與檢測單元所測電勢差 與超聲信號發(fā)生與檢測單元所獲信號一起，送入流動參數(shù)計(jì)算單元進(jìn)行相含率與流速的計(jì) 算；所述的多相流過程參數(shù)測試方法包括以下步驟：
[0009] 1).采集電學(xué)傳感器陣列信號與超聲傳感器陣列信號；
[0010] 2).根據(jù)電學(xué)傳感器陣列測量數(shù)據(jù)和超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)，結(jié)合特征與分類 算法，實(shí)現(xiàn)多相流流
[0011] 型的識別；
[0012] 3).根據(jù)超聲透射衰減幅度，利用超聲傳感器測量數(shù)據(jù)帶.

【權(quán)利要求】
1. 一種基于電學(xué)與超聲雙模態(tài)傳感器陣列的多相流過程參數(shù)測試方法，所用測試裝置 包括電學(xué)傳感器陣列、超聲傳感器陣列、電學(xué)信號發(fā)生與檢測單元、超聲信號發(fā)生與檢測單 元、流動參數(shù)計(jì)算單元；所述的電學(xué)傳感器陣列包括兩組分布在被測管道不同截面位置的 電極陣列，每組電極由一個(gè)及一個(gè)以上分布在被測管道相同截面位置的電極構(gòu)成，兩組分 別為上游電學(xué)傳感器陣列和下游電學(xué)傳感器陣列；所述的超聲傳感器陣列包括兩組分布在 被測管道不同截面位置的探頭陣列，每組探頭陣列由多個(gè)超聲探頭構(gòu)成，兩組分別為上游 超聲傳感器陣列和下游超聲傳感器陣列；電學(xué)傳感器陣列、超聲傳感器陣列同時(shí)工作，組成 一套雙模態(tài)傳感器陣列；電學(xué)信號發(fā)生與檢測單元交替選通分屬電學(xué)傳感器陣列不同組的 一對電極作為激勵電極對，其中一個(gè)電極為激勵電極，另一個(gè)電極為接地電極，在所述激勵 電極對之間建立電學(xué)敏感場，測量其余電極間電勢差；超聲信號發(fā)生與檢測單元每次選通 一個(gè)超聲探頭產(chǎn)生超聲波，選通與該超聲探頭不屬于同組的一個(gè)或多個(gè)探頭接收超聲波， 并將超聲強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號；電學(xué)信號發(fā)生與檢測單元所測電勢差與超聲信號發(fā)生與檢測 單元所獲信號一起，送入流動參數(shù)計(jì)算單元進(jìn)行相含率與流速的計(jì)算；所述的多相流過程 參數(shù)測試方法包括以下步驟： 1) .采集電學(xué)傳感器陣列信號與超聲傳感器陣列信號； 2) .根據(jù)電學(xué)傳感器陣列測量數(shù)據(jù)和超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)，結(jié)合特征與分類算法， 實(shí)現(xiàn)多相流流型的識別，并識別出連續(xù)相為非導(dǎo)電相還是導(dǎo)電相； 3) .根據(jù)超聲透射衰減幅度，計(jì)算氣相含率ag。 4) .利用超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)，結(jié)合互相關(guān)法計(jì)算氣相流速ug : a. 對上下游超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)采用互相關(guān)算法計(jì)算出氣相的相關(guān)速度ug。。； b. 根據(jù)公式ug = Kgugcx+udg計(jì)算氣相流速ug，其中氣相速度校正因子K g與氣液相間滑 移速度udg，通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定或經(jīng)驗(yàn)公式確定； 5) .根據(jù)流型識別結(jié)果選取相含率估計(jì)模型，并判斷連續(xù)相是否導(dǎo)電，若連續(xù)相為非導(dǎo) 電相，采用電容傳感器測量數(shù)據(jù)與超聲測量數(shù)據(jù)計(jì)算油相含率α。、水相含率 〇￥和氣相含 率ag;若連續(xù)相導(dǎo)電，采用電導(dǎo)傳感器測量數(shù)據(jù)與超聲測量數(shù)據(jù)計(jì)算油相含率α。、水相含 率a w和氣相含率ag。 6) .利用電學(xué)傳感器陣列測量數(shù)據(jù)，結(jié)合互相關(guān)法計(jì)算混合液相流速Ul : a. 依據(jù)步驟5)判斷的連續(xù)相性質(zhì)，選取電容或電導(dǎo)電極陣列測量數(shù)據(jù)，采用互相關(guān)算 法計(jì)算出液相的相關(guān)速度ulcx ; b. 根據(jù)公式Ul = KlUlc;c;+udl計(jì)算液相流速Ul，其中液相速度校正因子K1與液相相間滑 移速度u dl可通過實(shí)驗(yàn)研究與經(jīng)驗(yàn)公式聯(lián)合確定； c. 依據(jù)步驟5)計(jì)算出的油相含率α。與水相含率aw，利用公式
印
卜別計(jì)算出油相流速與水相流速； d. 根據(jù)公式u = 11。+118+11￥計(jì)算總流速u。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電學(xué)與超聲雙模態(tài)傳感器陣列的多相流過程參數(shù)測 試方法，其特征是，構(gòu)成電容電極對的各個(gè)電極在管道軸向方向的長度范圍，即寬度范圍 為20mm-50mm ;構(gòu)成電阻電極對的各個(gè)電極在管道軸向方向的長度范圍，即寬度范圍為
【文檔編號】G01P5/00GK104155471SQ201410328238
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】譚超, 吳昊, 董峰 申請人:天津大學(xué)