基于微波传输时间的两相流相含率检测装置的制作方法

本实用新型涉及多相流参数检测技术领域，具体地说是一种基于微波传输时间的两相流相含率检测装置。

背景技术：

目前，对于流体中相含率的检测方法有快关阀法、电容法、光学法、射线法、微波技术、同轴线相位法等。

快关阀法是一种直接测量法。其实验原理是在实验管道两端安装两个距离已知且可同时开启同时关闭的快关阀，当两相流体经充分发展后通过该实验管段时，同时关闭两个阀门将流体截断在管路内，通过对测量管路内取出的流体进行简单气液分离并对液相进行测量，结合管径和两个阀门间的距离，便可以得到该测量段内平均截面含率。但是该方法在测量时需要切断流体系统，影响流体的正常流动。因此，这种方法很难应用于高流速和高压力的气液两相流相含率测量。

以测量油水两相流持水率为例，电容法是利用原油乳化液的介电常数的微小变化与原油中水的含量多少有关的原理来实现原油含水率测量的。它可以安装在管道内部，对介电常数的检测比较敏感，但是，长期使用会导致器材老化，环境的变化也会影响检测精度。

光学法同核辐射法原理相似，依据衰减、放射线和电磁波的漫反射以及两相介质一些物理性质变化实现截面相含率的测量。

射线法最常见的是伽马射线衰减测量技术，由于气液衰减系数已知，通过已知的入射伽马射线强度并利用朗伯比尔定律推断出平均液相含率，但伽马射线法仅仅适用于气液两相轴对称分布条件下的液相含率测量，采样间隔时间长且需要很强的放射源；伽马射线散射法也被用于研究空隙率的分布，但是该方法很难应用于工业现场，其采样时间间隔长，不适用于快速波动流动。X射线法由于具有强大的能量谱，难以兼顾既要保证连续恒定的光子流，又要避免影响探测系统。而中子散射和衰减法尤其适用于湿蒸汽的测量，且与伽马射线和X射线相比，与金属管壁相互作用不强。β射线衰减法也被用于液相含率测量，但由于其强烈的吸收性，被限制应用于管壁非常薄的真空系统里。显而易见，上述方法均需要必要的安全防护并受到使用环境的限制。

微波技术多用于有机流体的密度和液相含率(空隙率)测量。其典型应用为利用谐振腔中两相流谐振频率的频移与介质的介电常数间函数关系来实现液相含率的测量。用微波进行检测要从传输波或反射波中检出微波所携带的信息，一般的作法是把它们与一个参考信号进行幅度或相位的比较。衰减是两个波进行幅度比较的结果。相移则是两个波进行相比较的结果。但是具有局限性，目前测量油水两相流持水率主要集中在低含水率和高含水率。

同轴线相位法是利用同轴线作为传感器对电磁波相位进行检测的一种方法，根据两相流中各相的介电常数不同会对电磁波在传播过程中相位产生大的影响，进而获得信号传播后的相位差，通过相位差的值来确定相含率大小。但是，相关电路比较复杂，而且相位差测量范围最大为2π，测量量程受限，当被测量相位差变化超过2π时，测量结果存在二值性问题。为此只能降低微波信号频率或增大微波传输距离，使相位差变化不超过2π，这影响了测量分辨率的提高。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是提供一种基于微波传输时间的两相流相含率检测装置，以解决现有相位差法测量超过2π时所存在的二值性问题。

本实用新型是这样实现的：一种基于微波传输时间的两相流相含率检测装置，包括主管道、两个辅助管道、两个微波收发天线、两个SMA接口、三个DW1000芯片和两个单片机；两个辅助管道设置在所述主管道侧壁上，两个辅助管道的内腔与所述主管道的内腔相连通；两个辅助管道的轴心线处于同一直线上，且两个辅助管道的轴心线与所述主管道的轴心线垂直；两个微波收发天线分别置于两个辅助管道内，两个微波收发天线与主管道的内侧壁平齐；两个微波收发天线分别为第一微波收发天线和第二微波收发天线，两个SMA接口分别为第一SMA接口和第二SMA接口，三个DW1000芯片分别为第一DW1000芯片、第二DW1000芯片和第三DW1000芯片，两个单片机分别为第一单片机和第二单片机；第一微波收发天线和第一SMA接口通过功分器连接第一DW1000芯片，第一DW1000芯片连接第一单片机；两个SMA接口之间通过同轴电缆连接；第二SMA接口与第二DW1000芯片直接相连，第二微波收发天线与第三DW1000芯片直接相连；第二DW1000芯片和第三DW1000芯片由同一晶振驱动，且第二DW1000芯片和第三DW1000芯片均与第二单片机相接；向所述主管道内通入待测两相流，第一微波收发天线和第二微波收发天线可通过发射、接收微波信号进行双向双边测距，进而可由第二单片机计算出微波信号在两相流中由第一微波收发天线传输至第二微波收发天线的时间，再结合微波频率，可计算得到出总相位差除以2π所得的整数部分所对应的相位差；第一微波收发天线向第二微波收发天线发射微波信号的同时，第一SMA接口也通过同轴电缆向第二SMA接口发射微波信号，第二单片机根据第二微波收发天线和第二SMA接口接收微波信号的相位差，可计算得到总相位差除以2π所得的小数部分所对应的相位差；第二单片机根据总相位差，结合相位差与相含率之间的关系，即可得到两相流相含率。

本实用新型中检测装置可以用来测量油水两相流、气液两相流等多种两相流的相含率。

本实用新型中，第一微波收发天线、第二微波收发天线均为与DW1000芯片连接的天线；第一微波收发天线和第一SMA接口通过功分器与第一DW1000芯片相连，第二微波收发天线和第二SMA接口分别与第三DW1000芯片和第二DW1000芯片直接相连。

两个SMA接口、三个DW1000芯片和两个单片机均位于管道外部，在辅助管道端部的盖子上开导线孔，使导线穿过导线孔，用于实现辅助管道内微波收发天线与外部电路的连通。还可以在辅助管道内充隔离物质，通过所述隔离物质，一方面可隔离微波收发天线与主管道内的两相流，另一方面可用于固定穿过辅助管道的导线。

本实用新型可以很好地解决现有的相位差法在测量时相位差不能超过2π的问题，采用本实用新型中装置在进行相位差测量时，结合双向双边测距方法，将双向双边测距过程中测得的时间结合频率，计算得到待测总相位差除以2π后的整数部分所对应的相位差，并通过所测得第二SMA接口和第二微波收发天线接收微波信号的相位差，计算得到待测总相位差除以2π后所得的小数部分所对应的相位差，整数部分和小数部分所对应的相位差之和即为待测总相位差，以此来消除现有技术中相位差测量时存在的二值性问题，提高了传统相位差法测量的测量范围，为两相流相含率的测量提供了一种新装置、新思路。

附图说明

图1是本实用新型中两相流相含率检测装置的管道结构示意图。

图2是本实用新型进行两相流相含率检测时的信号传输示意图。

图3是本实用新型中采用两个微波收发天线和两个SMA接口进行相位差测量的原理图。

具体实施方式

本实用新型在理论分析及前期工作经验的基础上，对两相流相含率的检测装置进行了结构设计，优化了设计方案。本实用新型基于微波信号传输时间测量技术，鉴于两相流中各相的介电常数不同，相浓度发生变化时两相流的介电常数随之变化；介电常数的变化会影响微波信号的传输时间，最终影响相位差的测量值。本实用新型将双向双边测距与相位差法相结合，利用双向双边测距过程中测得的时间结合微波信号频率，计算得到总相位差除以2π的整数部分所对应的相位差，并通过所测得的第二微波收发天线和第二SMA接口接收到的微波信号的相位差，计算得到总相位差除以2π的小数部分所对应的相位差，以测得精确的相位差。通过测量总相位差，进而可得到两相流中各相相含率。

下面结合附图对本实用新型进行详细描述。

如图1所示，本实用新型所提供的基于微波传输时间的两相流相含率检测装置包括主管道1，主管道1的两端通过法兰5连接两相流的上下游管道。在主管道1同一截面上的两端侧分别开一个合适的有利于微波信号接收、发射的开口，并在开口处焊接辅助管道2，辅助管道2的内腔与主管道1的内腔相连通，两个辅助管道2的轴心线处于同一直线，且两个辅助管道2的轴心线垂直于主管道1的轴心线。在两个辅助管道2内分别安装一个微波收发天线，本实施例中在下面的辅助管道2内安装第一微波收发天线，在上面的辅助管道2内安装第二微波收发天线。两个微波收发天线刚好覆盖各自所在辅助管道2的截面，且两个微波收发天线与主管道1的内侧壁平齐。在辅助管道2的端部设有盖子3，在盖子3的中心开有导线孔4，导线穿过导线孔4用于使辅助管道2内的微波收发天线与外部的电路相连接。在微波收发天线的表面包裹有特殊固体胶，以防止主管道1内的流体与微波收发天线相接触而腐蚀微波收发天线，避免对测量精度造成影响。在辅助管道2内充有隔离物质，隔离物质可对穿过辅助管道2内的导线进行固定，导线在辅助管道2内一般被固定在轴心线上。隔离物质可以为橡胶、玻璃、特殊固体胶等。主管道1、辅助管道2、盖子3、法兰5均由金属材料制成，用于屏蔽外界信号。

结合图2，本实用新型中两个微波收发天线均为与DW1000射频芯片(简称DW1000芯片)相接的天线，DW1000射频芯片具有500MHz的典型带宽，芯片利用延时发送机理可以精确计数，它的频率范围在10GHz以下而且发射功率可调。DW1000射频芯片以及与其相连的单片机和其他外围电路一起构成DW1000通信模块。第一微波收发天线和第一SMA接口通过功分器与第一DW1000芯片相连，第一DW1000芯片与第一单片机相接；第一SMA接口与第二SMA接口之间通过同轴电缆相连，第二SMA接口与第二DW1000芯片直接相接；第一微波收发天线和第二微波收发天线之间所传输的微波信号经过主管道内的两相流，第二微波收发天线与第三DW1000芯片直接相接。第二DW1000芯片和第三DW1000芯片由同一晶振驱动，且第二DW1000芯片和第三DW1000芯片均与第二单片机相接。第二单片机、第二DW1000芯片和第三DW1000芯片组成一个电路板，第一单片机和第一DW1000芯片组成另一个电路板。两个SMA接口、两个单片机以及三个DW1000芯片设置在管道外部。供电电源用于给两个单片机和三个DW1000芯片提供工作所需电压。两个单片机又分别与上位机相接。

结合图3，工作时，第一微波收发天线发射微波信号，微波信号经主管道1内的两相流后被第二微波收发天线所接收，由于第一微波收发天线和第二微波收发天线处于主管道1的同一横截面上，因此微波信号在主管道1内直射传输，可减少多径干扰，便于测量。第二微波收发天线接收微波信号后延迟一段时间，再发送微波信号给第一微波收发天线。第一微波收发天线接收微波信号后延时一段时间，再发送微波信号给第二微波收发天线。第三DW1000芯片采集第二微波收发天线发射、接收的微波信号，并将数据发送至第二单片机，第二单片机根据第一微波收发天线和第二微波收发天线之间微波信号的发射、接收，进行双向双边测距。在双向双边测距过程中，可获得微波信号在主管道1内的传输时间，再结合微波信号频率，通过计算就可得到总相位差除以2π所得的整数部分所对应的相位差。

第一微波收发天线在发射微波信号给第二微波收发天线的同时，第一SMA接口发射微波信号给第二SMA接口，由第一SMA接口发射的微波信号不经过流体，而是通过同轴电缆传输至第二SMA接口，第二SMA接口作为参考端。第二DW1000芯片采集第二SMA接口的信号，并将相应数据发送给第二单片机。第二单片机根据第二SMA接口和第二微波收发天线收到微波信号的相位之差，计算得到总相位差除以2π所得的小数部分所对应的相位差。

第二DW1000芯片和第三DW1000芯片由相同的晶振驱动，因此提供给两个混频器所产生的载波具有相同的相位。微波信号到达第二SMA接口和第二微波收发天线的时间不同，经过混频器，会产生不同相位的载波。最后根据两个基带处理器对微波信号进行处理，可由此计算得到总相位差除以2π的小数部分对应的相位差。

双向双边测距方法与DW1000射频芯片结合能发挥出很好的测距效果，可以达到10厘米测距精度。结合图2，第二单片机利用测距过程中所测量的微波传输时间，结合微波频率，计算得到总相位差除以2π后的整数部分所对应的相位差，再根据第二SMA接口和第二微波收发天线接收信号的相位差，计算得到总相位差除以2π后的小数部分所对应的相位差。第二单片机将总相位差除以2π后的整数部分所对应的相位差，与总相位差除以2π后的小数部分所对应的相位差求和即得总相位差，这样就解决了相位差法测量中当测量范围超过2π时存在的二值性问题。

最后第二单片机可根据总相位差，计算相含率，计算结果可上传至上位机，在人机交互界面上进行显示。两相流中各相的介电常数不同，在相含率不同的情况下微波信号在管道内的传播情况也不同，所测得的总相位差的数值与相含率具有特定函数关系，因此可以通过微波信号处理得到待测两相流中各相相含率。当然，也可以由上位机代替第二单片机来进行相关计算。

本实用新型所提供的基于微波传输时间的两相流相含率检测装置，可以用来对油水两相流、气液两相流等多种两相流的相含率进行测量。

本实用新型致力于一种两相流相含率检测方法，减少环境变化对相含率测量的影响，为两相流相含率的测量提供一种可靠的测量方法。

下面以油水两相流持水率的测量为例，介绍本实用新型中基于微波传输时间的两相流相含率的检测方法。

(1)按上述描述将基于微波传输时间的两相流相含率检测装置准备完毕，向主管道内充满油(即持水率为0％的介质)，进行多次测量取平均，获得初始值θ0，θ0＝2πn0+α0。

n0和α0的求解方式如下：

如图3所示，第一微波收发天线发射第一微波信号给第二微波收发天线，并检测发射时间τAS。第一微波信号经主管道内的油相后被第二微波收发天线所接收，第二微波收发天线记录第一微波信号的到达时间τBR。第二微波收发天线接收第一微波信号后延时一段时间treplyB，于τBS时刻发射第二微波信号给第一微波收发天线。第二微波信号经主管道内的油相后被第一微波收发天线所接收，第一微波收发天线记录第二微波信号的到达时间τAR，并延时一段时间treplyA，于τAF时刻发射第三微波信号给第二微波收发天线。第三微波信号经主管道内的油相后被第二微波收发天线所接收，第二微波收发天线记录第三微波信号的到达时间τBF。

根据以上过程得到微波信号在油相中由第一微波收发天线传输至第二微波收发天线的传输时间tp0：

4tp0＝troundA-treplyB+troundB-treplyA＝(τAR-τAS)-(τBS-τBR)+(τBF-τBS)-(τAF-τAR) (1)

根据微波信号在油相中的传输时间tp0，结合微波频率f(单位：Hz)可计算出微波信号在油相中由第一微波收发天线传输至第二微波收发天线产生的相位差除以2π的整数部分对应的相位差2πn0，n0的求解如下：

第一微波收发天线在向第二微波收发天线发射第一微波信号和第三微波信号的同时，第一SMA接口也通过同轴电缆向第二SMA接口发射第一微波信号和第三微波信号。由于与第二微波收发天线相接的第三DW1000芯片和与第二SMA接口相接的第二DW1000芯片由同一晶振驱动，因此可根据第二微波收发天线和第二SMA接口接收到第一微波信号、第三微波信号的相位，获得两个相位差，分别如下：

Δα1＝α2-α1 (4)

Δα2＝α4-α3 (5)

两者取平均得到如下相位差：

对于全油介质下获得的初始值如下：

θ0＝2πn0+α0 (7)

(2)向主管道内通水、油测试：依次加入持水率为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％的水油混合物，多次测量并取平均值，计算得到不同持水率的两相流相对于全油介质的总相位差Δθi＝2π(ni-n0)+(αi-α0)，i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10，分别对应持水率Φi为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％的情形。对于ni和αi的求解方式可参照步骤(1)在全油介质中求解n0和α0的过程。

(3)曲线拟合：根据所测结果，进行曲线拟合，得到拟合曲线，以及相位差和持水率的关系。

将步骤(2)中得到的十个数据点，记为(Δθi，Φi)，i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10，其中，Δθi为相应含水率的两相流相对于全油介质的总相位差，Φi为含水率。

根据这十个数据点做出散点图，并根据散点图确定较为合适的曲线类型，可以选择一次函数曲线、二次函数曲线、三次函数曲线、指数函数曲线、对数函数曲线、幂函数曲线进行拟合。

以一元线性函数拟合为例，可设

Φ＝aΔθi+b (8)

则残差平方和为

为了确保残差平方和最小，需要针对函数分别对a和b求偏导，令

根据公式(10)确定a和b的取值后，计算出残差平方和，得到一元线性函数的拟合曲线。

由于曲线类型不确定，因此可进行多种曲线拟合。在进行非线性曲线拟合时，通过适当的变量替换，转换为线性拟合问题，得到拟合曲线后，再转化为原参数的曲线拟合方程。

最后计算得到不同拟合曲线的残差平方和，比较残差平方和，残差平方和最小的曲线，即为最后的最佳拟合曲线，最佳拟合曲线对应的解析式Φ＝f(Δθ)即为测量过程中含水率的计算的公式。

(4)向主管道内加入待测的油水两相混合物，通过测量油水两相流相对全油介质的总相位差Δθ，依据步骤(3)中最佳拟合曲线的解析式Φ＝f(Δθ)，确定油水两相流的持水率。

本实用新型利用微波技术与两相流体动力学知识，实现了对两相流相含率参数的在线监测和测量。将双向双边测距法与相位差法结合，根据双向双边测距过程中测得的时间再结合微波频率，计算得到总相位差除以2π的整数部分所对应的相位差，并通过所测得的第二SMA接口和第二微波收发天线接收微波信号的相位差，计算得到总相位差除以2π的小数部分所对应的相位差，以此获得精确的相位差。结合各相介电常数的差异性，获得多种情况下不同的相位差，再利用相关模型得到两相流的相含率。与其他微波测量方法相比，微波测距法具有实时性好、测量精度高、范围大、易操作等优点，它可以在更远的范围里准确探测相含率；简化了装置结构，提高了装置的灵活性，而且精度也得到了很大提高，为两相流相含率的测量提供了一种新思路。