专利名称：单截面阻抗式长腰内锥传感器及多相流测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种融合差压测量原理与电学测量原理 的测量装置，用于确定连续相为导电相或者非导电相的多相流各相组分含率、流速及流量 等参数。本发明以油/气/水多相流测量为描述对象，但并不仅限于该应用，在其他工业过 程和化学反应中本发明的测量装置仍适用。
背景技术：
多相流通常指同时存在两种或两种以上物质的流动，包括气液两相流、气固两相 流、液固两相流、液液两相流以及气液液和气液固多相流等。管路内多相流经常出现在动 力、核能、化工、石油、制冷、冶金、管道输送、宇航、医药、食品等现代工程领域与设备中，如 不实现对其流动过程参数的准确测量就无法保证有关设备的可靠设计和安全运行。多相流 在自然界和工业过程中存在的广泛性和应用的重要性使其在国民经济和日常生活中占有 十分重要的地位。随着动力工业及石化工业迅速发展，以及对环境保护的日益重视，促使多 相流领域研究工作迅速发展，目前已成为国内外给予极大关注的前沿学科。由于多相流各相间存在界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上均呈随机变 化，致使多相流的流动特性远比单相流复杂，特征参数也比单相流多。目前油气水三相流测 量方法可以分为两方面1、将多相流视作气液两相流进行流量的测量。2、对多相流中各相 组分含率的测量。其中将多相流视作气液两相流测量流量的方法主要有相关法、容积法、 节流法、涡轮式检测法、激光多普勒法、PIV粒子成像测速法、热线热膜风速仪、过程层析成 像技术、核磁共振法以及科里奥利法等，这几种方法应用范围广泛，但需其他辅助测量手段 (如密度计等)测量含气率。相含率的测量方法有两种，一是间接法，即通过实验回归或理 论推导得出以气液两相介质的物性参数和工艺参数为函数的相含率计算式；二是测量装置 直接测量法，如电磁波检测法、电导法、电容法、热学法、微波法、Y组分表法和核磁共振法 等。在实际测量中，一般采用测量装置直接测量法确定相含率。应用传统的单相流测量仪表与两相流辅助参数测量手段相结合是解决管道内多 相流过程参数测量问题的一种主要思路。差压式流量计，如孔板、文丘里管、喷嘴和内锥式 流量计等，是目前应用最多的一种工业在线流量测量仪表，在多相流过程参数测量领域的 研究也比较普遍。其中内锥式流量计将流体节流收缩到管道中心轴线附近的概念从根本上 改变为利用同轴安装在管道中心的锥体将流体逐渐节流收缩到管道内壁，通过测量锥体前 后差压确定流体流量。内锥流量计能在更短的直管段条件下，以更宽的量程比对洁净或脏 污流体实现更准确、更有效的流量测量，但是其自身结构特点也存在一些缺点在锥体尾部 存在漩涡区造成此处取压信号存在脉动，使测量精度和重复性降低，且整体压损较大，如根 据多相流的流动特征对内锥式流量计做结构变形，如内文丘里管、纺锤体流量计和梭式流 量计等，能有效提高其在多相流测量中的精度和稳定性。基于电学敏感原理的多相流测量 方法已有较好的理论和应用基础，通过测量管道内流体的电学参数(电阻抗、介电常数等) 变化实现多相流各相组分含率的测量，该方法根据测量参数的不同而分为电容式、电导式等模态。如果采用多模态传感器与多工作模式(激励测量策略)组合方法，利用各模态的测 量优势，通过组合优化可实现多相流过程参数的综合提取，及流动信息的全面准确地获得。专利CN99257650. 4、CN200420093532. 6、CN200420061026. 9 分别公布了一种用于 节流装置的异型文丘里管、纺锤体流量计、梭式流量计，均为克服内锥流量计一些不足而设 计的。异型文丘里管相对内锥流量计在腰部，增加等直径段，形成环形流通空间，有助于改 善流出系数的稳定性，但是将动能转化为势能的出口圆锥形扩散段短而角度大，流体通过 锥体后分离而产生漩涡，永久压损相对内锥流量计并无明显改善。纺锤体流量计和梭式流 量计十分接近，仅在外形轮廓上有所区别纺锤体流量计的节流件是流线型的纺锤体，而梭 式流量计的节流件是由前锥体、中间等直径段体和后锥体组成的梭形体，节流件沿管道轴 线安装，中间具有一段足够长的等直径段，与管道内壁之间形成均勻的环形通道。这两种变 形体在流出系数稳定性，抗扰流性及低压损性均优于内锥流量计，但是节流件过长G倍于 管道内径)，在管径较大时显得比较笨重，并且测量多相流过程参数相对单一，需要配合其 他流量计才能完成过程参数的测量。专利CN86207384、CN200810151346. 6, CN03234526. 7 分别公布了文丘里管节流装
置与孔板节流装置组合、内锥节流装置与文丘里管节流装置组合、双内锥节流装置组合及 英国Solartron公司提出的“混合器+双文丘里管”湿气测量装置，采用双差压法测量气液 两相含率及流量，即两种同类或不同类的节流装置组合测量气液两相流过程参数。利用均 相流模型，对不同流量系数的节流装置上得到的差压信号进行处理，获得气相质量含率，然 后由混合流体总的质量流量计算得到混合流体中气液分相流量，同时对气液流量进行温度 和压力补偿。该组合方法只适用于测量混合较均勻的两相流体，并且两个节流装置组装在 一起不能保证空间上的一致性，因此两相流在流动过程中流型和过程参数很难保持一致， 容易违背组合式测量的前提条件——两相流体流过每个组成部分时其基本参数不变的原 则，即存在原理性误差。专利US 5485743、US 5130661、US 6857323、US 6940286、CN99209502. 6、 CN200680055193. 4等公布了采用过程层析成像技术测量多相流过程参数。过程层析成像 由获取被测物场信息的敏感器空间阵列、数据采集与处理单元、图像重建与物场参数提取 单元组成，敏感器阵列在一定的工作模式下依次在测量空间内建立敏感场，通过数据采集 及处理单元对反映不同敏感区域内被检测物场介质分布的信号进行采集和处理，然后使用 图像算法重建出反映介质分布的图像，在此基础上采用一定的信息处理方法提取所需的参 数。然而层析成像技术在实时性、测量精度和图像质量等方面尚未满足工业应用的要求，且 多相流的快速变化特性与层析成像图像重建算法的复杂性冲突，可能会导致计算结果存在 较大误差。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种能够更为精确地测量多 相流过程参数的复合型传感器，同时提供一种利用这种根据各类型传感器自身特点实现传 感器间的信号互补及冗余，实现测量最优化的多相流测量装置。本发明的传感器和测量装 置，将一种长腰内锥节流装置与一种单截面电学敏感传感器相组合，不对测量流体进行预 分离或混合，实现连续相是导电相或者不是导电相的多相流过程参数，如分相含率(截面相含率、质量相含率)、分相流速、体积流量和质量流量的准确测量。本发明的技术方案如 下一种单截面阻抗式长腰内锥传感器，包括锥体节流件、收缩压降差压变送器、永久 压损差压变送器、电学敏感传感器，所述的锥体节流件为一种长腰内锥节流件，由前段圆锥 体、作为锥体腰部的中段柱状体、后段圆锥体三段构成，通过支架同轴固定于管道中心，与 管道的管壁形成环形流通空间；所述的收缩压降差压变送器的两个取压孔，一个设置在锥 体节流件上游处，另一个设置在环形流通空间处或锥体尾部；所述的永久压损差压变送器 的两取压孔分别设置在锥体节流件上游和下游压力恢复处；所述的电学敏感传感器包括 一组分布在环形流通空间且处于管道相同截面位置的电极，该组电极由一个或一个以上的 内电极和一个或一个以上的外电极构成，内电极为锥体节流件或固定在锥体腰部表面的电 极，外电极固定在管道内壁。作为优选实施方式，所述的单截面阻抗式长腰内锥传感器，所述的锥体腰部为等 直径圆柱体，其长度取管道内径的0. 1-3倍，等效直径比A = Λ/d2 -《为0.5到0.85， 其中，d为锥体腰部的直径，D为管道内径。本发明同时提供一种采用上述传感器的单截面阻抗式长腰内锥多相流测量装置， 用于对流经管道的多相流进行测量，包括锥体节流件、收缩压降差压变送器、永久压损差压 变送器、电学敏感传感器、计算单元，所述的锥体节流件为一种长腰内锥节流件，由前段圆 锥体、作为锥体腰部的中段柱状体、后段圆锥体三段构成，通过支架同轴固定于管道中心， 与管道的管壁形成环形流通空间；所述的收缩压降差压变送器的两个取压孔，一个设置在 锥体节流件上游处，另一个设置在环形流通空间处或锥体尾部；所述的永久压损差压变送 器的两取压孔分别设置在锥体节流件上游和下游压力恢复处；所述的电学敏感传感器包括 一组分布在环形流通空间且处于管道相同截面位置的电极，该组电极由一个或一个以上的 内电极和一个或一个以上的外电极构成，内电极为锥体节流件或固定在锥体腰部表面的电 极，外电极固定在管道内壁，当选通内电极中的一个和外电极中的一个作为一个电极对时， 选通的两个电极，一个为激励电极和测量电极，一个为接地电极，分别与计算单元相连；收 缩压降差压变送器和永久压损差压变送器输出的信号被送入计算单元。作为优选实施方式，本发明的单截面阻抗式长腰内锥多相流测量装置，所述的锥
体腰部为等直径圆柱体，其长度取管道内径的0.1-3倍，等效直径比A = Λ/d2 - d乂为 0. 5到0. 85，其中，d为锥体腰部的直径，D为管道内径；该组电极中，内电极可以为固定在锥体腰部表面的环形电极，该电极作为接地电 极；外电极可以为环形电极或者至少一个弧形电极，作为激励电极和测量电极；内电极也 可以为环形电极或者至少一个弧形电极，作为激励电极和测量电极，外电极可以为作为接 地电极的环形电极；内电极和外电极均可以为弧形电极，个数为一个或多个。本发明的有益效果及优点如下1、锥体节流件与管道壁形成的环形流通空间对多相流混合流体进行整流，形成标 准的环形通道流动，通道内压力稳定且压力沿轴线呈线性下降，使测量的重复性和精确度 提高成为可能；可靠灵活的安装结构可根据不同测量对象更换不同直径比的锥体节流件，以扩展测量的适用范围。2、多相流混合流体流过锥体节流件在环形流通空间中产生收缩压降Δp，并在锥 体下游一定距离的压力恢复处产生永久压损δ p，本发明采用收缩压降Δp和永久压损δ p 作差压信号，包含了更充分的流动信息，可利用双差压模型同时获得多相流的流量与相含 率等过程参数。3、电学敏感传感器的形式多样化，如环形电极、圆弧形电极等，采用圆弧形电极可 将环形电极的平均测量特性改变为多测量空间组合的形式，提高了局部测量敏感度，进而 提高整体测量精度；电学敏感传感器的激励方式多样化，如电压激励和电流激励等，内外电 极均可作为激励电极。
以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其 中图1本发明实施例1单截面阻抗式长腰内锥多相流测量装置主视图；图2本发明实施例1单截面阻抗式长腰内锥多相流测量装置横向剖面图； 图3本发明实施例1锥体节流件主视图；图4(a)为本发明实施例1锥体节流件的纵向C_C剖面图；(b)为锥体的俯视图； (c)为锥体的横向B-B剖面图；图5本发明装置实施例2的横向剖面图内电极为环形电极，外电极为单截面8圆 弧形电极；图6本发明装置实施例3的横向剖面图内外电极均为单截面8圆弧形电极；图7为本发明采用的计算单元结构图；图8计算单元中的信号发生及模式选择模块结构图；图9计算单元中的信号调理模块结构图；图10计算单元中的AD采集及信号预处理模块结构图；图11本发明装置电容式测量方法流程图；图12本发明装置电导式测量方法流程图；图中标号说明不同截面电极分别用a，b来区分，标号16-21中a，b表示不同截 面电极的16-21。
权利要求
1.一种单截面阻抗式长腰内锥传感器，包括锥体节流件、收缩压降差压变送器、永久 压损差压变送器、电学敏感传感器，所述的锥体节流件为一种长腰内锥节流件，由前段圆锥 体、作为锥体腰部的中段柱状体、后段圆锥体三段构成，通过支架同轴固定于管道中心，与 管道的管壁形成环形流通空间；所述的收缩压降差压变送器的两个取压孔，一个设置在锥 体节流件上游处，另一个设置在环形流通空间处或锥体尾部；所述的永久压损差压变送器 的两取压孔分别设置在锥体节流件上游和下游压力恢复处；所述的电学敏感传感器包括一 组分布在环形流通空间且处于管道相同截面位置的电极，该组电极由一个或一个以上的内 电极和一个或一个以上的外电极构成，内电极为锥体节流件本身或固定在锥体腰部表面的 电极，外电极固定在管道内壁。
2.根据权利要求1所述的单截面阻抗式长腰内锥传感器，其特征在于所述的锥体腰部为等直径圆柱体，其长度取管道内径的0. 1-3倍，等效直径比
3.一种单截面阻抗式长腰内锥多相流测量装置，用于对流经管道的多相流进行测量， 包括锥体节流件、收缩压降差压变送器、永久压损差压变送器、电学敏感传感器、计算单元， 所述的锥体节流件为一种长腰内锥节流件，由前段圆锥体、作为锥体腰部的中段柱状体、后 段圆锥体三段构成，通过支架同轴固定于管道中心，与管道的管壁形成环形流通空间；所述 的收缩压降差压变送器的两个取压孔，一个设置在锥体节流件上游处，另一个设置在环形 流通空间处或锥体尾部；所述的永久压损差压变送器的两取压孔分别设置在锥体节流件上 游和下游压力恢复处；所述的电学敏感传感器包括一组分布在环形流通空间且处于管道 相同截面位置的电极，该组电极由一个或一个以上的内电极和一个或一个以上的外电极构 成，内电极为锥体节流件本身或固定在锥体腰部表面的电极，外电极固定在管道内壁，当选 通内电极中的一个和外电极中的一个作为一个电极对时，选通的两个电极，一个为激励电 极和测量电极，一个为接地电极，分别与计算单元相连；收缩压降差压变送器和永久压损差 压变送器输出的信号被送入计算单元。
4.根据权利要求3所述的单截面阻抗式长腰内锥多相流测量装置，其特征在 于所述的锥体腰部为等直径圆柱体，其长度取管道内径的0. 1-3倍，等效直径比
5.根据权利要求3所述的单截面阻抗式长腰内锥多相流测量装置，其特征在于该组 电极中，内电极为固定在锥体腰部表面的环形电极，该电极作为接地电极；外电极为环形电 极或者至少一个弧形电极，作为激励电极和测量电极。
6.根据权利要求3所述的单截面阻抗式长腰内锥多相流测量装置，其特征在于该组 电极中，内电极为环形电极或者至少一个弧形电极，作为激励电极和测量电极，外电极为作 为接地电极的环形电极。
7.根据权利要求3所述的单截面阻抗式长腰内锥多相流测量装置，其特征在于该组 电极中，内电极和外电极均为弧形电极，个数为一个或多个。
全文摘要
本发明属于流体测量技术领域，涉及一种单截面阻抗式长腰内锥传感器，包括锥体节流件、收缩压降差压变送器、永久压损差压变送器、电学敏感传感器，锥体节流件为一种长腰内锥节流件，由前段圆锥体、作为锥体腰部的中段柱状体、后段圆锥体三段构成，通过支架同轴固定于管道中心，与管道的管壁形成环形流通空间；电学敏感传感器包括一组分布在环形流通空间且处于管道相同截面位置的电极，该组电极由内电极和外电极构成，内电极为锥体节流件本身或固定在锥体腰部表面的电极，外电极固定在管道内壁。本发明同时提供一种采用该种传感器的单截面阻抗式长腰内锥多相流测量装置。本发明的传感器和测量装置具有精度高、可靠性高、成本低等特点。
文档编号G01N27/02GK102147384SQ20111004791
公开日2011年8月10日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者于雪连, 董峰, 谭超, 魏灿 申请人:天津大学