超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置，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、流动参数计算与可视化单元；电学传感器阵列包括一组分布在被测管道相同截面位置的电极阵列；超声传感器阵列包括两组分布在被测管道不同截面位置的探头阵列，每组探头阵列由两个以上的超声探头构成，其中至少一组以超声多普勒方式工作，获取被测多相流体流速，另外至少一组以超声透射法工作，获取被测多相流体相含率；电学电极与超声探头在被测管道上同时安装、同时工作，组成一套双模态传感器。本发明的测量装置具有可视化、适用范围宽、无扰动、无辐射、成本低等特点。
【专利说明】超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置
【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测试装置，可 实现多相流分相含率、流速及流量等参数的在线获取。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本发 明的测试装置仍适用。 技术背景
[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。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。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。
[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。同时，当入射超声波遇到离散相液 滴和气泡时会发生反射作用，并在超声接收端产生与反射物体（离散相液滴和气泡）流速 有关的声波频率差，即超声多普勒效应。利用该效应可有效获得油气水多相流的流速分布 信息。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种精确的、非扰动的多相流过程参数可视化测试方法。本 发明的传感器和测量方法，将电学传感器阵列与超声传感器相组合提取多相流流动信息， 应用信息融合技术对多相流的多源信息进行处理，不对多相流动产生扰动且无需对测量流 体进行预分离或混合，实现多相流过程分相含率与分相流速的准确获取，流型的正确识别 以及相分布的可视化重建。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] -种超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置，用于对流经被测管道 的多相流体的过程参数进行测量，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、流动参数计算与可视化单元；所述的电学传感器阵列 包括两组分布在被测管道相同截面位置的电极阵列；所述的超声传感器阵列包括两组分 布在被测管道不同截面位置的探头阵列，每组探头阵列由两个以上的超声探头构成，其中 第一组以超声多普勒方式工作，包括高频超声探头与低频超声探头，前者用于发射高频超 声信号，以获取被测多相流体内的液滴流速，后者用于发射低频的超声信号，以获取被测多 相流体内的气泡流速，第二组以超声透射法工作，通过超声幅值衰减获取被测多相流体相 含率；所述的电学传感器阵列与超声传感器阵列组成一套双模态传感器阵列；电学信号发 生与检测单元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；对于第一组超声探头，超声信号发生与检测单元选通该组探头阵列中的一个探头发出 超声波，该探头自身或另一个探头接收超声波，将超声强度转换为电信号并提取频移信息； 对于第二组超声探头，超声信号发生与检测单元选通该组探头阵列中的一个探头发出超声 波，其余探头中的一个或多个探头接收超声波，并将超声强度转换为电信号并提取幅值信 息；电学信号发生与检测单元与超声信号发生与检测单元所获信号一起，送入流动参数计 算与可视化单元，实现流型在线识别、相含率与分相流速的计算，以及相分布的可视化重建 与显示。
[0009] 基于电学敏感原理的信息检测技术对被测流体的电学性质变化敏感，如电导率或 介电常数，但对密度差较大的气液相间边界信息模糊，不易获得。而多相流中，由于气相与 液相界面处声阻抗的巨大差异，使得超声在气液界面的反射特性极为明显（可达99% )，因 此超声对气液分界面有极好的分辨能力。同时，超声波在液滴或气泡的界面处产生反射波， 该反射波的频率变化与反射体的速度有关，即超声多普勒效应，可实现分散相（液滴或气 泡）流速的测量。因此，将基于电学敏感原理与基于超声敏感原理的传感器阵列相结合，利 用电学传感器阵列获取液相流动信息，利用超声传感器阵列获取气相流动信息，可准确、全 面地实现多相流流型在线识别、相含率和相流速在线估计，以及相分布的可视化重建。本发 明的有益效果及优点如下：
[0010] 1、电学测量法对多相流体的导电性有很好的区分作用，也即对油气水混合物中的 水相变化敏感。而超声对多相流体的密度变化敏感，两类测量模态有互补性；
[0011] 2、超声多普勒法可直接获得被测流体的流速信息；
[0012] 3、该方法为非侵入的测量手段，不会对流体产生任何的扰动；
[0013] 4、多传感器阵列可获得对多相流动过程更全面的描述；
[0014] 5、测量速度快，成本低；
[0015] 6、可提供被测流体瞬时相分布状态的图像，并对过程参数的测量结果进行可视化 显不。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 以下图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性图而非穷举或限制性，其中：
[0017] 图1本发明装置整体结构图；其中，ο-来流方向；1-管道；2-电学传感器阵列， 包括电容式电极与电导式电极的单独或组合使用，以及同时实现电容与电导检测的电极； 3_电学信号发生与采集单元；4-超声传感器阵列；5-超声信号发生与采集单元；6-流动参 数计算与可视化单元
[0018] 图2本发明装置电学传感器阵列结构图，其中图2(a)为传感器阵列结构侧视图， 包括被测管道1，安装于不同截面位置的弧形电极阵列2 ;图2(b)为纵向A-A截面剖视图； 图2(c)为横向B-B截面剖视图；
[0019] 图3本发明装置超声传感器阵列结构图，其中图3(a)为传感器阵列结构侧视图， 包括被测管道1与超声探头阵列（4a，4b);图3(b)为纵向B-B截面剖视图；图3(c)为横向 A-A截面剖视图。
[0020] 图4本发明装置的超声与电学双模态测量系统结构图；
[0021] 图5本发明装置电学信号发生与检测单元结构图；
[0022] 图6本发明装置超声信号发生与检测单元结构图；
[0023] 图7本发明装置计算中心功能结构图。
【具体实施方式】
[0024] 以下详细描述制造和操作本发明的步骤，旨在作为本发明的实施例描述，并非是 可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围 内。本发明中的电学测量包括电阻、电容或电磁信息的检测，既可同时使用几种电学测量方 式亦可分别使用。
[0025] 下面结合说明书图详细说明本发明的实施例。
[0026] 图1描述了本发明装置的整体结构图，包括一个被测管段1，一组电学传感器阵列 2以及与其相连的电学信号发生与采集单元3, 一组超声传感器阵列4以及超声信号发生与 采集单元5。电学传感器阵列2包括一组或一组以上由多个分布在被测管道相同截面位置 的电极构成；超声传感器阵列4包括两组分布在被测管道不同截面位置的探头阵列，每组 探头阵列由两个以上的超声探头构成，其中第一组以超声多普勒方式工作，包括高频超声 探头与低频超声探头，前者用于发射高频超声信号，以获取被测多相流体内的液滴流速，后 者用于发射低频的超声信号，以获取被测多相流体内的气泡流速，第二组以超声透射法工 作，通过超声幅值衰减获取被测多相流体相含率；所述的电学传感器阵列2与超声传感器 阵列4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，且不对多相流动造成任何干扰，因此所述的两类传感器阵列在管道上下 游的安装顺序不影响测量效果。
[0027] 当被测多相流从来流方向0进入被测管段时，电学传感器阵列2可通过电学信号 发生与采集单元3获得包含被测流体电导率/介电常数（水相含率）波动信息的测量数 据，超声传感器阵列4可通过超声信号发生与采集单元5获得被测流体气相含率波动以及 流速的测量数据。将以上信息同时送入流动参数计算与可视化单元6进行流型识别，判断 连续相是否导电，并依据判别结果选择使用电学传感器阵列2中的电容传感器或电导传感 器，根据电学信号发生与采集单元3获得的电容或电导测量数据进行电导率或介电常数分 布（水相分布）的重建以及水相含率计算，根据超声信号发生与采集单元5获得测量数据 进行声阻抗分布（气相分布）的重建以及流速与气相含率的计算。最后依据流型识别结果 选择计算模型，获得混合与分相流速。
[0028] 图2本发明装置的电学传感器阵列结构图，传感器阵列为安装在被测管道1的弧 形电极阵列2组成，包含安装在被测管道同一截面位置内的两个及以上弧形电极。弧形电 极尺寸与数目视应用条件可以改变。工作时可在任意弧形电极上施加激励信号，任意其他 电极接地形成激励电极对。在该激励电极对中间形成电学测量敏感场，当多相流体流过该 敏感场时，由于场内电学参数随着多相介质的含率与分布变化，导致激励电极对间，以及其 他电极之间的电势差发生相应的变化，通过测量该电势差可实现多相流参数的测量。本发 明中的电学测量包括电阻、电容或电磁信息的检测，既可同时使用几种电学测量方式亦可 分别使用，可在同一截面内通过安装不同尺寸的电极实现同一截面内信息的多样化获取， 故本装置的电极结构具有多种形式。本发明装置的电学传感器阵列可使用不同频率的激励 信号，通过获得被测多相流体在不同激励信号频率下的响应数据实现多相流信息更全面的 提取。
[0029] 图3为本发明装置的超声传感器阵列，包括多套安装在被测管道不同截面位置的 超声探头阵列（4a，4b)组成，每套探头阵列包含安装在被测管道1同一截面位置内的两个 及两个以上超声探头，其中一组以超声多普勒方式工作，获取被测多相流体流速，另外一组 以超声透射法工作，获取被测多相流体相含率。超声探头尺寸与数目视应用条件可以改变。 工作时可在同一截面内的任意探头上施加激励信号，任一其他探头接收超声信号，成激励 电极对。在该激励电极对中间形成超声调制测量敏感场，当多相流体流过该敏感场时，由于 场内介质密度随着多相介质的含率与分布变化，导致超声调制测量敏感场内超声强度发生 相应的变化，通过声电转换装置（如压电陶瓷等）获取该超声信息，进而实现超声测量通路 内相含率的测量，以及气相分布的重建。
[0030] 由于不同尺寸的颗粒对不同频率的超声入射波所产生的多普勒频移调制特性不 同，且油气水多相流动过程中，液相中的油滴（或水滴）的尺寸要明显小于气泡，且超声在 油水界面与超声在气液界面处的反射率不同，因此本发明装置的超声传感器阵列可使用不 同频率的激励信号，通过采集不同频率超声在不同强度和时间尺度上的频移实现多相流中 不同尺寸液滴与气泡流速的测量，进而结合分相含率计算结果实现各分相流速的测量。
[0031] 图4描述了本发明装置的超声与电学双模态测量系统结构，包括电学传感器阵列 激励与检测单元，超声传感器阵列激励与检测单元，计算机总线以及计算中心，在同一总线 平台下实现双模态传感器的测量信息获取。电学传感器阵列激励与检测单元用于在被测管 道1中建立电学敏感场，进而获得多相流含水率信息，可实现电学与电导不同模态传感器 信息的获取，具体结构如图5所示；超声传感器阵列激励与检测单元用于向被测管道1中的 多相流体发射超声波，进而获得多相流含气率与流速信息，具体结构如图6所示。电学传感 器阵列激励与检测单元，以及超声传感器阵列激励与检测单元所获得的测量数据通过计算 机总线送入计算中心实施信号的实时处理，实现流型识别、相含率和流速的计算以及流动 相分布的重建。
[0032] 图5描述了电学信号发生与检测单元结构。可将电容与电导两种电学模式传感器 的激励与信号采集在同一测量系统中实现。系统控制与设置信息由计算机通过计算机总线 传送至逻辑控制单元，并通过逻辑控制单元对系统整体工作逻辑和参数进行控制和设定， 根据系统设定要求在激励信号发生模块中实现激励信号的产生以及信号驱动能力的提升， 即采用电压控电压源（VCVS)或电压控电流源（VCCS)将原始激励信号转换为幅值和相位可 调的恒定电压或电流信号，并通过逻辑控制按一定规律选通电容/电导电极阵列的对应电 极，使激励信号施加至测量空间中形成电学敏感场。当多相流体流过所述电学敏感场时，由 于流体的电学参数变化导致电场强度分布发生变化，进而在电极阵列中会获得不同的电势 差，利用信号解调模块与参考信号将该电势差进行解调处理，提取出包含多相流分相含率 变化的模拟信号，并送入模拟-数字转换（A/D转换）阵列实现模拟信号的数字化，再通过 计算机总线将测量数据送至计算中心实现流动参数的计算与电学参数分布的可视化重建。
[0033] 图6描述了超声信号发生与检测单元结构。系统控制与设置信息由计算机通过 计算机总线传送至逻辑控制单元，并通过逻辑控制单元对系统整体工作逻辑和参数进行控 制和设定，根据系统设定要求在激励信号发生模块中实现激励信号的产生。通过逻辑控制 单元按一定规律选通超声传感器阵列的对应探头，使激励信号通过电声转换功能产生超声 波，当多相流体流过所述超声传播路径时，由于气液两相密度差会在气液界面处将一部分 超声反射，并有一部分未反射超声波被接收探头接收，透射部分超声幅值的衰减幅度与超 声传播路径中的气相尺寸有直接关系，反射波的频率变化与流速有直接关系，并通过差分 放大与滤波电路对信号进行整形后通过A/D转换阵列转为数字信号，通过计算机总线送入 计算中心，利用图像重建算法与流动参数计算模型实现气相分布图像重建与流速参数提 取。
[0034] 图7描述了计算中心的功能结构，包括电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数 据的相含率提取功能，超声多普勒测速功能，以及流动过程相分布重建与参数可视化功能。 电学传感器阵列与超声传感器阵列的测量数据分别送入各自的相含率计算单元实现相含 率信息的获取，超声传感器阵列利用所测反射波的频率变化实现流速计算，同时对电学传 感器阵列与超声传感器阵列的测量数据进行信息融合与相分布重建。利用电学传感器阵列 与超声传感器阵列所获得的流速与相含率信息，与重建的相分布结果一起送入参数计算与 可视化单元实现最终结果的可视化输出。
【权利要求】
1. 一种超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置，用于对流经被测管道的 多相流体的过程参数进行测量，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、流动参数计算与可视化单元；所述的电学传感器阵列包 括两组分布在被测管道相同截面位置的电极阵列；所述的超声传感器阵列包括两组分布在 被测管道不同截面位置的探头阵列，每组探头阵列由两个以上的超声探头构成，其中第一 组以超声多普勒方式工作，包括高频超声探头与低频超声探头，前者用于发射高频超声信 号，以获取被测多相流体内的液滴流速，后者用于发射低频的超声信号，以获取被测多相流 体内的气泡流速，第二组以超声透射法工作，通过超声幅值衰减获取被测多相流体相含率； 所述的电学传感器阵列与超声传感器阵列组成一套双模态传感器阵列；电学信号发生与 检测单元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； 对于第一组超声探头，超声信号发生与检测单元选通该组探头阵列中的一个探头发出超声 波，该探头自身或另一个探头接收超声波，将超声强度转换为电信号并提取频移信息；对于 第二组超声探头，超声信号发生与检测单元选通该组探头阵列中的一个探头发出超声波， 其余探头中的一个或多个探头接收超声波，并将超声强度转换为电信号并提取幅值信息； 电学信号发生与检测单元与超声信号发生与检测单元所获信号一起，送入流动参数计算与 可视化单元，实现流型在线识别、相含率与分相流速的计算，以及相分布的可视化重建与显 /_J、i 〇
【文档编号】G01P5/24GK104155358SQ201410328236
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】谭超, 吴昊, 董峰 申请人:天津大学