基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法
【专利摘要】本发明属于流体测量【技术领域】，涉及一种基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法，所用测量装置包括电学传感器阵列、超声传感器阵列、电学信号发生与检测单元、超声信号发生与检测单元、流动参数计算单元；该测量方法包括以下步骤：采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号；根据电学传感器阵列测量数据和超声传感器阵列测量数据，结合特征提取与分类算法，实现多相流流型的识别；利用所述电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数据进行油气水多相流相分布重建；利用所获得的各种相分布图像，对上游测量截面、下游测量截面的每一对应像素间采用互相关测速方法获得该点的流速；计算多相流各分相参数。本发明不受多相流连续相是否导电的影响，具有测量精度高、无扰动、可获信息多等特点。
【专利说明】基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于流体测量【技术领域】，涉及一种电学与超声双模态多相流可视化测试方 法，可实现多相流分相含率与流速等参数的在线获取以及流动状态的可视化监测。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 存在的多相流动现象中，本发明的测试装置仍适用。
【背景技术】
[0002] 在工业生产与日常生活中广泛存在着多相流动现象。多相流中的"相"定义为物 质的存在形式，即气态、液态或固态，因此多相流即为具有两种或两种以上"相"物质同时流 动的流体。多相流现象广泛存在于能源、动力、石油、化工、冶金、医药等工业过程中，在工业 生产与科学研究中有着十分重要的作用，对其流动过程监测和描述、以及对流动过程参数 的准确检测也给工程师和科研人员提出挑战。近年来，国际上对多相流的研究兴趣在持续 增长，其原因在于多相流不仅在一系列现代工程中得到广泛应用，而且对促进这些工程设 备的发展和创新也起到了重要作用。
[0003] 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。多相流过程参数检测 策略随着工况与对象属性变化，可以利用的物理现象与关系很多，因此检测手段也多种多 样。检测方式可分为两大类：直接法与间接法。直接法指的是对象参数能通过测量直接得 至IJ，而间接法需要在测量值（辅助测量值）与被测参数间建立关系式通过计算得到，即"软 测量"方法。在多相流测量领域内，许多直接采用单相流仪表的检测方法属于直接法，而新 兴的检测技术则多采用软测量的方法，如电学法、超声法以及射线法等。在科学研究与工业 应用中，多相流的检测手段需要对被测流体不产生任何扰动，因此电学法与超声法由于其 结构简单、非扰动、造价低而备受关注。
[0004] 电学测量方法根据其传感器结构、形状、激励方式的不同又分为多种形式，如电导 探针、环形电导阵列等，其中旋转场电阻抗方法即电学过程层析成像技术是电学法中的一 种重要改进形式，能够提供丰富的物质截面分布信息，且能将不透明管道中的多相介质分 布进行可视化重建。此外，该技术具有非扰动与多点测量的特点，可以实现被测多相流体的 相含率与流速等过程参数，具有很好的应用前景。电学过程层析成像技术根据测量敏感原 理不同又分为电容式、电阻式、阻抗式和电磁式层析成像等。
[0005] 超声检测是一种应用较为广泛的技术，在医学监测、流体测量中有其独特的优势， 超声波在流体中传播时不会破坏流体的流场，没有压力损失，同时若将检测元件置于管道 外壁，可以避免与流体直接接触，降低传感器的腐蚀程度。超声层析成像方法可通过安装于 管道同一截面处的多个超声收发探头，以非扰动的形式获得被测截面内部不同声阻抗介质 的分布信息，并通过图像重建算法实现该分布的可视化。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种能精确地、非扰动的多相流可视化测试方法。本发明使 用基于电学与超声敏感原理的传感器阵列提取多相流流动信息，利用电学传感器对电导率 /介电常数变化敏感的测量原理获得油气水多相流高电导率相（水相）的分布信息，利用超 声传感器对声阻抗变化敏感的测量原理获得油气水多相流声阻抗（气相）分布信息，应用 信息融合技术对以上多源信息进行处理，对多相流动不产生扰动且无需对流体进行预分离 或混合，利用图像重建算法对流动过程进行可视化重建，实现多相流过程相分布与流速分 布的计算与可视化以及流型的正确识别。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] -种电学与超声双模态多相流可视化测试方法，用于对流经被测管道的多相流体 进行测量，所用测量装置包括电学传感器阵列、超声传感器阵列、电学信号发生与检测单 元、超声信号发生与检测单元、电学测量数据相分布重建单元、超声测量数据相分布重建单 元、流动参数计算与可视化单元；所述的电学传感器阵列包括两组及两组以上分布在被测 管道不同截面位置的电极阵列，每组电极由多个分布在被测管道相同截面位置的电极构 成；所述的超声传感器阵列包括两组及两组以上分布在被测管道不同截面位置的探头阵 列，每组探头阵列由多个超声探头构成；所述的电学传感器阵列与超声探头在被测管道上 同时安装，无安装顺序要求，可交叉位置安装，同时工作，组成一套双模态传感器阵列；电学 信号发生与检测单兀选通电学传感器阵列中的一对电极作为激励电极对，其中一个电极为 激励电极，另一个电极为接地电极，在所述激励电极对之间建立电学敏感场，测量其余电极 间电势差；超声信号发生与检测单元选通超声传感器阵列中的一个探头发出超声波，另一 个或多个探头接收超声波，并将超声强度转换为电信号；电学信号发生与检测单元所获信 号送入电学测量数据相分布重建单元，进行电学参数分布重建；超声信号发生与检测单元 所获信号送入超声测量数据相分布重建单元，进行声阻抗参数分布重建；以上所重建后的 各测量截面相分布信息一起送入流动参数计算与可视化单元实现相分布与流速分布的重 建。
[0009] 该测量方法包括下列步骤：
[0010] 1).采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号；
[0011] 2).根据电学传感器阵列测量数据和超声传感器阵列测量数据，结合特征提取与 分类算法，实现多相流流型的识别；
[0012] 3).利用所述电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数据进行油气水多相流相分 布重建，定义截面2a和2b为上游测量截面，简称截面a ;定义截面2b和5b为下游测量截 面，简称截面b :
[0013] a.根据流型识别结果判断连续相是否导电，若连续相导电，将电学传感器阵列视 为电导传感器阵列，设采用电导传感器测量数据结合图像重建算法分别实现两个电学传感 器被测截面（2a，2b)内的电导率分布
【权利要求】
1. 一种基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法，用于对流经被测管道的多 相流体进行测量，所用测量装置包括电学传感器阵列、超声传感器阵列、电学信号发生与检 测单元、超声信号发生与检测单元、电学测量数据相分布重建单元、超声测量数据相分布重 建单元、流动参数计算与可视化单元；所述的电学传感器阵列包括两组及两组以上分布在 被测管道不同截面位置的电极阵列，每组电极由多个分布在被测管道相同截面位置的电极 构成；所述的超声传感器阵列包括两组及两组以上分布在被测管道不同截面位置的探头阵 列，每组探头阵列由多个超声探头构成；所述的电学传感器阵列与超声探头在被测管道上 同时安装，无安装顺序要求，可交叉位置安装，同时工作，组成一套双模态传感器阵列；电学 信号发生与检测单兀选通电学传感器阵列中的一对电极作为激励电极对，其中一个电极为 激励电极，另一个电极为接地电极，在所述激励电极对之间建立电学敏感场，测量其余电极 间电势差；超声信号发生与检测单元选通超声传感器阵列中的一个探头发出超声波，另一 个或多个探头接收超声波，并将超声强度转换为电信号；电学信号发生与检测单元所获信 号送入电学测量数据相分布重建单元，进行电学参数分布重建；超声信号发生与检测单元 所获信号送入超声测量数据相分布重建单元，进行声阻抗参数分布重建；以上所重建后的 各测量截面相分布信息一起送入流动参数计算与可视化单元实现相分布与流速分布的重 建。 该测量方法包括下列步骤： 1) .采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号； 2) .根据电学传感器阵列测量数据和超声传感器阵列测量数据，结合特征提取与分类 算法，实现多相流流型的识别； 3) .利用所述电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数据进行油气水多相流相分布重 建，定义截面2a和2b为上游测量截面，简称截面a ;定义截面2b和5b为下游测量截面，简 称截面b : a. 根据流型识别结果判断连续相是否导电，若连续相导电，将电学传感器阵列视为电 导传感器阵列，设采用电导传感器测量数据结合图像重建算法分别实现两个电学传感器被 测截面（2a，2b)内的电导率分布
利用二值化方法获得截面a内水相 分布截面b内水相分布
其中X与y为像素坐标，若像素（X，y)为水相， 则其但为
1，若像素（X，y)为气相或油相，则该值为〇 ; b. 若连续相为非导电相，将电学传感器阵列视为电容传感器阵列，采用电容传感器测 量数据结合图像重建算法分别实现两个电学传感器被测截面（2a，2b)内的介电常数分布
利用二值化方法获得截面a内水相分布和截面b内水相分布
若像素（X，y)为水相，则其值为1，若像素（X，y)为气相或油相，则该值为〇 ; c. 利用超声传感器阵列测量数据结合图像重建算法分别实现两个超声传感器被测截 面（5a，5b)内的声阻抗分布〗
利用二值化方法获得截面a内气相分布
,
和截面b内气相分布 g像素（x，y)为气相，则其值为1，若像素（x，y)为 水相或油相，则该值为〇 ; d. 设
％截面a内的相分布，且各像素值均为1，由于油、气、水三相充满管道截 面，因此可得油相分布
《其中，若像素（x，y)为油相， 则其值为1，若像素（x，y)为水相或气相，则该值为〇 ;同理获得截面b内水相分冇
气相分术
4) .利用所获得的各种相分布图像，对上游测量截面a、下游测量截面b的每一对应像 素间采用互相关测速方法获得该点的流速uicx : a.按照上游和下游划分两组电学传感器阵列和两组超声传感器阵列的测量数据，对于 所获重建图像中的每一像素采用互相关算法进行计算，获得流体流经上游和下游的传感器
阵列对应像素点的延迟时间
，根据公式 卜算出各像素点处的相关速度ux，y，
进而获得速度分布u(x，y)，式中L为上游的列的测量截面（2a)与上游的超声 传感器阵列（5a)的轴向中心位置，与下游的电学传感器阵列的测量截面（2b)与下游的超 声传感器阵列（5b)的轴向由」、、你晋的i、mP日。
h相捉和; 气相分布. 以及油相分布 _结合速度分布u(x, y)，可分别获得水相速度分布uw(x, y)，气相速度分 布ug(x, y)和油相速度分布ujx, y); 5) .综合以上相分布与流速分布重建结果，计算多相流各分相参数： a. 利用相分布图像重建结果，计算各分相含率：分别利用水相分布
气相分布
A及油相分布
计算水相所占像素数气相所占像素数
以及油相所占像素数
因此可计算出截面a内水相含率
气相含_
?油相含率
I油、气、水三相含率
.同理分别获得截面b内水相含；
|气相含：
与油相含率对截 面a与截面b所计算出的分相含率做平均，得到平均水相含率
平均气相含率
与平均油相含_
b. 对各分相流速分布取平均，可分别获得水相平均流速，气相平均流速和油相平均流 速。
【文档编号】G01N29/032GK104089985SQ201410328237
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】董峰, 董虓霄, 谭超 申请人:天津大学