两相流相含率超声回波测量方法与流程

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种利用超声回波法测量气液两相流相含率的测试方法，可实现两相流分相含率的准确获取。

技术背景

两相流现象广泛存在于石油、化工以及医药等工业领域。两相流由于存在着相间相互作用使得两相流的参数测量相比于单向流更为复杂。然而两相流参数的准确测量对于提高产量、生产安全等至关重要。相含率作为两相流的关键参数，其获取方法多种多样，目前最常用的方法有电学法和超声法。

超声波在液位测量、金属探伤以及流体测量领域的应用越来越广泛。超声波相比于其他的一些接触和非接触测量方式有非侵入、传播速度快、对被测介质几乎不产生影响、方向性好、穿透能力强、在水中传播距离远等优势，因此在流体测量领域受到了越来越多研究人员的关注。

超声波作为一种机械波以机械振动的形式向外传播，通常表现为纵波的形式，同时又作为一种声波具有反射、折射、散射、衍射等特性，目前超声波被应用于流体测量领域主要体现在两种方法上，即脉冲回波法和超声多普勒。超声的脉冲回波法根据一定条件下超声在同一介质内的速度一定，传播的时间和距离成正比这一原理提取时间或距离这两个变量，或为直接变量或被用来体现其他变量。超声多普勒根据多普勒效应提取速度这一变量。

超声波经过两种声阻抗相差大的介质界面时会发生反射现象(99％以上能量被返回)，在一定条件下超声波在同一介质内的传播速度不变，故通过传播时间即可算出截面相含率，即超声脉冲回波法测截面相含率。该方法只有在介质交界面为平面的前提下才较为准确，然而实际测量中，由于表面张力的作用，液体界面常呈曲面形状，造成测量误差。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对上述不足提出一种修正方法，可修正当界面由平面变为曲面时相应的含率变化，使得测量结果更为准确。本发明利用单一超声传感器测量两相流截面含率，不对两相流动产生扰动且无需对测量流体进行预分离或混合，实现两相流过程分相含率快速准确获取。本发明的技术方案如下：

一种两相流相含率超声回波测量方法，用于对流经被测管道的两相流体的过程参数进行测量，该测量方法将采用单一超声探头的超声传感器置于被测管道底端且与被测介质不接触，超声信号发生与检测单元由同一超声探头实现，超声探头的收发状态由两个单刀双掷开关来实现切换；此开关组合同时可控制发射信号与回声信号的采集时序；利用超声经过声阻抗相差巨大的介质交界面会产生强反射来获取被测两相流体分界面的位置，并结合超声强度衰减率，对气液界面曲率进行补偿，计算出准确的两相流截面相含率,测量方法如下：

1).采集超声传感器信号，获取超声回波时间t₁和回波强度P_b；

2).计算超声波从探头经管壁进入被测流体的时间其中s为超声探头与管道内壁的距离，c_g为超声波在管壁中的传播速度。

3).计算超声在液相中的往返时间t＝t₁-2t₂，进而计算管道截面气液分界面的位置h＝1/2c_Wt，即液相在管道截面的高度，其中c_W为超声波在水中的速度，h为气液分界面的高度；

4).计算超声回波参照强度P_h＝ah+b，其中P_h为在高度h下的参照强度，单位为Pa，a为强度-高度比例系数，b为修正参数；

5).带入液面高度h，计算交界面为平面时的气相含率α_gf＝dh+e，d为含率-高度比例系数，e为修正参数；

6).计算随气液界面高度变化的含率系数k＝fh²+gh+i，其中，f为二次拟合系数，g为一次拟合系数，i为修正系数，含率系数k表征气相含率随超声回波参照强度回声实际强度与比的变化速率；

7).代入超声回波参照强度P_h、参照气相含率α_gf、回声实际强度P_b以及k值，利用公式计算实际气相含率α_gb，当界面为平面时即回声强度比为1时气相实际含率与气相理论含率相等，以上参数a、b、d、e、f、g、h通过实验获得。

发明的有益效果及优点如下：

1、单一超声探头自发自收，具有传感器安装便捷、占用空间少，测量速度快，成本低等优点；

2、具有非侵入无辐射特点，不会对流体产生任何的扰动；

3、该方法不仅局限于水平界面下的含率测量，还可计算管道截面气液界面曲率变化引起的含率变化。

附图说明

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：

图1本发明管道截面超声传感器安装示意图；

图2本发明的相含率计算方法流程图。

具体实施方式

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。下面结合说明书图详细说明本发明的实施例。

图1本发明装置管道截面超声传感器安装示意图。该管道为内径1寸的标准有机玻璃管，包括管壁5以及管路内区域2和3，收发两用超声探头1安装于管道底部，区域2流体介质为空气，区域3为水，4为空气和水的交界面。s为超声探头与管道内壁的距离在本示例中为4mm，根据公式可算出超声波由探头发出传播到管道内壁的时间t₂为1.465us，其中c_g为超声波在有机玻璃中的传播速度常温常压下为2730m/s，超声波在水中传播时间t可根据公式(1)得出

t＝t₁-2t₂ (1)

其中t₁为超声波的返回时间，可由采集数据得出。根据公式(2)即可算出如图1中所示管道底端内壁与气液界面的距离h

h＝1/2c_Wt (2)

式中c_W为超声波在水中的速度，t为超声波在水中传播的时间，h为水的高度。，根据公式

α_gf＝dh+e (3)

计算出不同液位高度下截面的参照气相含率α_gf。d为含率-高度比例系数，e为修正参数。再根据公式

P_h＝ah+b (4)

计算出不同液位高度下的参照回声强度P_h。a为强度-高度比例系数，b为修正参数。

在实际流动中，气水交界面常为图中曲线6所示形态，当气水交界面由平面变为曲面时引起了图中区域7和13的变化，气相所占的区域由2、7、8缩小为了2进而使得气相含率变小，根据公式

k＝fh²+gh+i (5)

计算出含率系数k，f为二次拟合系数，g为一次拟合系数，i为修正系数。计算出的k值反应气水交界面在当前高度下气相含率随回声实际强度与回声参照强度比的变化速率。在一定的实验条件下可由h唯一得出。

最后将超声探头采集到的超声实际回声强度P_b、含率系数k、回声参照强度P_h、参照气相含率α_gf带入式

${\mathrm{\α}}_{gb}=-k\frac{P_h}{P_b}+k+{\mathrm{\α}}_{gf}---\left(6\right)$

即可推算出界面为曲面时的实际气相含率α_gb。当界面保持为平面时气相实际含率α_gb与气相参照含率α_gf相等。

由于在本示例的条件下管道内径为1寸且在常温常压下进行的即超声波在空气、水以及有机玻璃中传播的速度为定值故以上参数a、b、d、e、f、g、h可唯一确定。a＝-2483、b＝84341、d＝-4.7、e＝110、f＝-0.23、g＝3.95、i＝17.87。

图2为本发明的截面相含率计算流程图。

具体的实施方法如下：

1)对管路进行标定实验该条件下可认为在截面上气水交界面为平面，将附图1所示的管道内部水抽干并堵住两个开口用一可读容量的注射器向管道里注水，每注入一定容量的水进行一次测量，得到一组回波强度随交界面高度变化的数据，在本发明的条件下其规律符合式(4)。同时得到一组截面气相含率随交界面高度变化的数据，本发明条件下符合式(3)。

2)将管路安装到测量装置上开展实际测量，此时截面气水交界面一般为曲面，用气泵以及水泵将空气和水抽出并打入混合器中充分混合流向实验管段，待流型充分发展后开始测量，读取超声回波时间t₁以及强度P_b这两个参数。将t₁带入式(1)(2)求出此时交界面的高度h，将这一高度带入式(5)求出含率系数k，并根据高度查找出在步骤1中由这一高度标定的回声参照强度P_h以及参照气相含率α_gf将这3个参数以及由读取的超声实际回波强度P_b带入式(4)即可计算出所求交界面为曲面时的气相实际含率α_gb。