基于超声与电学多传感器互相关测速的多相流测试方法
【专利摘要】本发明属于流体测量【技术领域】，涉及一种电学与超声双模态多相流测试方法，包括以下步骤：电学传感器阵列采集电信号；超声传感器阵列采集超声信号；利用电学信号与超声信号提取被测对象流动特征实现流型识别；判断连续相导电性；利用超声信号获取气相含率；利用超声信号与互相关测速方法计算气相流速；连续相导电计算电导率获得水相含率；连续相不导电计算介电常数获得水相含率；利用气相含率与水相含率计算油相含率；利用电学信号与互相关测速方法计算液相流速；计算分相流速和流量；计算总流量与总流速；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】基于超声与电学多传感器互相关测速的多相流测试方法
【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传感器多相流过程 参数测试方法，用于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，可是用于以多相流为测量对象的工业过程和化学反应中。 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 的准确检测给工程师和科研人员提出了挑战。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在控制制造成本的前提下，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。该技术具有非扰动与多点测量的特点，可以实现对多相流体 的相含率与流速等过程参数的测量，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。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种能更为精确的、非扰动的多相流过程参数测试方法。本 发明的传感器和测量装置，将电学传感器与超声传感器组合，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/介电常数相（水相）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）信息。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测量以及流型 的正确识别。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 所用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、流动参数计算单元；所述的电学传感器阵列包括两组分布在被 测管道不同截面位置的电极阵列，每组电极由一个及一个以上分布在被测管道相同截面位 置的电极构成，两组分别为上游电学传感器阵列和下游电学传感器阵列；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，每组探头阵列由多个超声探头 构成，两组分别为上游超声传感器阵列和下游超声传感器阵列；电学传感器阵列、超声传感 器阵列同时工作，组成一套双模态传感器阵列；电学信号发生与检测单元交替选通分属电 学传感器阵列不同组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 生与检测单元每次选通一个超声探头产生超声波，选通与该超声探头不属于同组的一个或 多个探头接收超声波，并将超声强度转换为电信号；电学信号发生与检测单元所测电势差 与超声信号发生与检测单元所获信号一起，送入流动参数计算单元进行相含率与流速的计 算；所述的多相流过程参数测试方法包括以下步骤：
[0009] 1).采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号；
[0010] 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，结合特征与分类 算法，实现多相流流
[0011] 型的识别；
[0012] 3).根据超声透射衰减幅度，利用超声传感器测量数据带.
【权利要求】
1. 一种基于电学与超声双模态传感器阵列的多相流过程参数测试方法，所用测试装置 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、流动参数计算单元；所述的电学传感器阵列包括两组分布在被测管道不同截面位置的 电极阵列，每组电极由一个及一个以上分布在被测管道相同截面位置的电极构成，两组分 别为上游电学传感器阵列和下游电学传感器阵列；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，每组探头阵列由多个超声探头构成，两组分别为上游 超声传感器阵列和下游超声传感器阵列；电学传感器阵列、超声传感器阵列同时工作，组成 一套双模态传感器阵列；电学信号发生与检测单元交替选通分属电学传感器阵列不同组的 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每次选通 一个超声探头产生超声波，选通与该超声探头不属于同组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；电学信号发生与检测单元所测电势差与超声信号发生与检测 单元所获信号一起，送入流动参数计算单元进行相含率与流速的计算；所述的多相流过程 参数测试方法包括以下步骤： 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，结合特征与分类算法， 实现多相流流型的识别，并识别出连续相为非导电相还是导电相； 3) .根据超声透射衰减幅度，计算气相含率ag。 4) .利用超声传感器阵列测量数据，结合互相关法计算气相流速ug : a. 对上下游超声传感器阵列测量数据采用互相关算法计算出气相的相关速度ug。。； b. 根据公式ug = Kgugcx+udg计算气相流速ug，其中气相速度校正因子K g与气液相间滑 移速度udg，通过实验标定或经验公式确定； 5) .根据流型识别结果选取相含率估计模型，并判断连续相是否导电，若连续相为非导 电相，采用电容传感器测量数据与超声测量数据计算油相含率α。、水相含率 〇￥和气相含 率ag;若连续相导电，采用电导传感器测量数据与超声测量数据计算油相含率α。、水相含 率a w和气相含率ag。 6) .利用电学传感器阵列测量数据，结合互相关法计算混合液相流速Ul : a. 依据步骤5)判断的连续相性质，选取电容或电导电极阵列测量数据，采用互相关算 法计算出液相的相关速度ulcx ; b. 根据公式Ul = KlUlc;c;+udl计算液相流速Ul，其中液相速度校正因子K1与液相相间滑 移速度u dl可通过实验研究与经验公式联合确定； c. 依据步骤5)计算出的油相含率α。与水相含率aw，利用公式
印
卜别计算出油相流速与水相流速； d. 根据公式u = 11。+118+11￥计算总流速u。
2. 根据权利要求1所述的基于电学与超声双模态传感器阵列的多相流过程参数测 试方法，其特征是，构成电容电极对的各个电极在管道轴向方向的长度范围，即宽度范围 为20mm-50mm ;构成电阻电极对的各个电极在管道轴向方向的长度范围，即宽度范围为
【文档编号】G01P5/00GK104155471SQ201410328238
【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