超聲多普勒與電學(xué)傳感器組合多相流可視化測(cè)試裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超聲多普勒與電學(xué)傳感器組合多相流可視化測(cè)試裝置，包括電學(xué)傳感器陣列、超聲傳感器陣列、電學(xué)信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元、超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元、流動(dòng)參數(shù)計(jì)算與可視化單元；電學(xué)傳感器陣列包括一組分布在被測(cè)管道相同截面位置的電極陣列；超聲傳感器陣列包括兩組分布在被測(cè)管道不同截面位置的探頭陣列，每組探頭陣列由兩個(gè)以上的超聲探頭構(gòu)成，其中至少一組以超聲多普勒方式工作，獲取被測(cè)多相流體流速，另外至少一組以超聲透射法工作，獲取被測(cè)多相流體相含率；電學(xué)電極與超聲探頭在被測(cè)管道上同時(shí)安裝、同時(shí)工作，組成一套雙模態(tài)傳感器。本發(fā)明的測(cè)量裝置具有可視化、適用范圍寬、無(wú)擾動(dòng)、無(wú)輻射、成本低等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】超聲多普勒與電學(xué)傳感器組合多相流可視化測(cè)試裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于流體測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種電學(xué)與超聲雙模態(tài)多相流測(cè)試裝置，可 實(shí)現(xiàn)多相流分相含率、流速及流量等參數(shù)的在線獲取。本發(fā)明以油/氣/水多相流測(cè)量為 描述對(duì)象，但并不僅限于該應(yīng)用，在其他工業(yè)過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)中存在的多相流動(dòng)現(xiàn)象本發(fā) 明的測(cè)試裝置仍適用。 技術(shù)背景
[0002] 在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中廣泛存在著多相流動(dòng)現(xiàn)象。多相流中的"相"定義為物 質(zhì)的存在形式，即氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)，因此多相流即為具有兩種或兩種以上"相"物質(zhì)同時(shí)流 動(dòng)的流體。多相流現(xiàn)象廣泛存在于能源、動(dòng)力、石油、化工、冶金、醫(yī)藥等工業(yè)過(guò)程中，在工業(yè) 生產(chǎn)與科學(xué)研究中有著十分重要的作用，對(duì)其流動(dòng)過(guò)程監(jiān)測(cè)和描述、以及對(duì)流動(dòng)過(guò)程參數(shù) 的準(zhǔn)確檢測(cè)也給工程師和科研人員提出挑戰(zhàn)。近年來(lái)，國(guó)際上對(duì)多相流的研究興趣在持續(xù) 增長(zhǎng)，其原因在于多相流不僅在一系列現(xiàn)代工程中得到廣泛應(yīng)用，而且對(duì)促進(jìn)這些工程設(shè) 備的發(fā)展和創(chuàng)新也起到了重要作用。
[0003] 由于多相流各相間存在界面效應(yīng)和相對(duì)速度，相界面在時(shí)間和空間上均呈隨機(jī)變 化，致使多相流的流動(dòng)特性遠(yuǎn)比單相流復(fù)雜，特征參數(shù)也比單相流多。多相流過(guò)程參數(shù)檢測(cè) 策略隨著工況與對(duì)象屬性變化，可以利用的物理現(xiàn)象與關(guān)系很多，因此檢測(cè)手段也多種多 樣。檢測(cè)方式可分為兩大類：直接法與間接法。直接法指的是對(duì)象參數(shù)能通過(guò)測(cè)量直接得 至IJ，而間接法需要在測(cè)量值（輔助測(cè)量值）與被測(cè)參數(shù)間建立關(guān)系式通過(guò)計(jì)算得到，即"軟 測(cè)量"方法。在多相流測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)，許多直接采用單相流儀表的檢測(cè)方法屬于直接法，而新 興的檢測(cè)技術(shù)則多采用軟測(cè)量的方法，如電學(xué)法、超聲法以及射線法等。在科學(xué)研究與工業(yè) 應(yīng)用中，多相流的檢測(cè)手段需要對(duì)被測(cè)流體不產(chǎn)生任何擾動(dòng)，因此電學(xué)法與超聲法由于其 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非擾動(dòng)、造價(jià)低而備受關(guān)注。
[0004] 電學(xué)測(cè)量方法根據(jù)其傳感器結(jié)構(gòu)、形狀、激勵(lì)方式的不同又分為多種形式，如電導(dǎo) 探針、環(huán)形電導(dǎo)陣列等，其中旋轉(zhuǎn)場(chǎng)電阻抗方法即電學(xué)過(guò)程層析成像技術(shù)是電學(xué)法中的一 種重要改進(jìn)形式，能夠提供豐富的物質(zhì)截面分布信息，且能將不透明管道中的多相介質(zhì)分 布進(jìn)行可視化重建。電學(xué)過(guò)程層析成像技術(shù)根據(jù)測(cè)量敏感原理不同又分為電容式、電阻式、 阻抗式和電磁式層析成像等。此外，該技術(shù)具有非擾動(dòng)與多點(diǎn)測(cè)量的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)多 相流體的相含率與流速等過(guò)程參數(shù)，具有很好的應(yīng)用前景。
[0005] 超聲檢測(cè)是一種應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)，在醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)、流體測(cè)量中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)， 超聲波在流體中傳播時(shí)不會(huì)破壞流體的流場(chǎng)，沒(méi)有壓力損失，同時(shí)若將檢測(cè)元件置于管道 外壁，可以避免與流體直接接觸，降低傳感器的腐蝕程度。超聲層析成像方法可通過(guò)安裝于 管道同一截面處的多個(gè)超聲收發(fā)探頭，以非擾動(dòng)的形式獲得被測(cè)截面內(nèi)部不同聲阻抗介質(zhì) 的分布信息，并通過(guò)圖像重建算法實(shí)現(xiàn)該分布的可視化。同時(shí)，當(dāng)入射超聲波遇到離散相液 滴和氣泡時(shí)會(huì)發(fā)生反射作用，并在超聲接收端產(chǎn)生與反射物體（離散相液滴和氣泡）流速 有關(guān)的聲波頻率差，即超聲多普勒效應(yīng)。利用該效應(yīng)可有效獲得油氣水多相流的流速分布 信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種精確的、非擾動(dòng)的多相流過(guò)程參數(shù)可視化測(cè)試方法。本 發(fā)明的傳感器和測(cè)量方法，將電學(xué)傳感器陣列與超聲傳感器相組合提取多相流流動(dòng)信息， 應(yīng)用信息融合技術(shù)對(duì)多相流的多源信息進(jìn)行處理，不對(duì)多相流動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)且無(wú)需對(duì)測(cè)量流 體進(jìn)行預(yù)分離或混合，實(shí)現(xiàn)多相流過(guò)程分相含率與分相流速的準(zhǔn)確獲取，流型的正確識(shí)別 以及相分布的可視化重建。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種超聲多普勒與電學(xué)傳感器組合多相流可視化測(cè)試裝置，用于對(duì)流經(jīng)被測(cè)管道 的多相流體的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，包括電學(xué)傳感器陣列、超聲傳感器陣列、電學(xué)信號(hào)發(fā)生與 檢測(cè)單元、超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元、流動(dòng)參數(shù)計(jì)算與可視化單元；所述的電學(xué)傳感器陣列 包括兩組分布在被測(cè)管道相同截面位置的電極陣列；所述的超聲傳感器陣列包括兩組分 布在被測(cè)管道不同截面位置的探頭陣列，每組探頭陣列由兩個(gè)以上的超聲探頭構(gòu)成，其中 第一組以超聲多普勒方式工作，包括高頻超聲探頭與低頻超聲探頭，前者用于發(fā)射高頻超 聲信號(hào)，以獲取被測(cè)多相流體內(nèi)的液滴流速，后者用于發(fā)射低頻的超聲信號(hào)，以獲取被測(cè)多 相流體內(nèi)的氣泡流速，第二組以超聲透射法工作，通過(guò)超聲幅值衰減獲取被測(cè)多相流體相 含率；所述的電學(xué)傳感器陣列與超聲傳感器陣列組成一套雙模態(tài)傳感器陣列；電學(xué)信號(hào)發(fā) 生與檢測(cè)單元選通電學(xué)傳感器陣列中的一對(duì)電極作為激勵(lì)電極對(duì)，其中一個(gè)電極為激勵(lì)電 極，另一個(gè)電極為接地電極，在所述激勵(lì)電極對(duì)之間建立電學(xué)敏感場(chǎng)，測(cè)量其余電極間電勢(shì) 差；對(duì)于第一組超聲探頭，超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元選通該組探頭陣列中的一個(gè)探頭發(fā)出 超聲波，該探頭自身或另一個(gè)探頭接收超聲波，將超聲強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并提取頻移信息； 對(duì)于第二組超聲探頭，超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元選通該組探頭陣列中的一個(gè)探頭發(fā)出超聲 波，其余探頭中的一個(gè)或多個(gè)探頭接收超聲波，并將超聲強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并提取幅值信 息；電學(xué)信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元與超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元所獲信號(hào)一起，送入流動(dòng)參數(shù)計(jì) 算與可視化單元，實(shí)現(xiàn)流型在線識(shí)別、相含率與分相流速的計(jì)算，以及相分布的可視化重建 與顯示。
[0009] 基于電學(xué)敏感原理的信息檢測(cè)技術(shù)對(duì)被測(cè)流體的電學(xué)性質(zhì)變化敏感，如電導(dǎo)率或 介電常數(shù)，但對(duì)密度差較大的氣液相間邊界信息模糊，不易獲得。而多相流中，由于氣相與 液相界面處聲阻抗的巨大差異，使得超聲在氣液界面的反射特性極為明顯（可達(dá)99% )，因 此超聲對(duì)氣液分界面有極好的分辨能力。同時(shí)，超聲波在液滴或氣泡的界面處產(chǎn)生反射波， 該反射波的頻率變化與反射體的速度有關(guān)，即超聲多普勒效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)分散相（液滴或氣 泡）流速的測(cè)量。因此，將基于電學(xué)敏感原理與基于超聲敏感原理的傳感器陣列相結(jié)合，利 用電學(xué)傳感器陣列獲取液相流動(dòng)信息，利用超聲傳感器陣列獲取氣相流動(dòng)信息，可準(zhǔn)確、全 面地實(shí)現(xiàn)多相流流型在線識(shí)別、相含率和相流速在線估計(jì)，以及相分布的可視化重建。本發(fā) 明的有益效果及優(yōu)點(diǎn)如下：
[0010] 1、電學(xué)測(cè)量法對(duì)多相流體的導(dǎo)電性有很好的區(qū)分作用，也即對(duì)油氣水混合物中的 水相變化敏感。而超聲對(duì)多相流體的密度變化敏感，兩類測(cè)量模態(tài)有互補(bǔ)性；
[0011] 2、超聲多普勒法可直接獲得被測(cè)流體的流速信息；
[0012] 3、該方法為非侵入的測(cè)量手段，不會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生任何的擾動(dòng)；
[0013] 4、多傳感器陣列可獲得對(duì)多相流動(dòng)過(guò)程更全面的描述；
[0014] 5、測(cè)量速度快，成本低；
[0015] 6、可提供被測(cè)流體瞬時(shí)相分布狀態(tài)的圖像，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行可視化 顯不。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 以下圖描述了本發(fā)明所選擇的實(shí)施例，均為示例性圖而非窮舉或限制性，其中：
[0017] 圖1本發(fā)明裝置整體結(jié)構(gòu)圖；其中，ο-來(lái)流方向；1-管道；2-電學(xué)傳感器陣列， 包括電容式電極與電導(dǎo)式電極的單獨(dú)或組合使用，以及同時(shí)實(shí)現(xiàn)電容與電導(dǎo)檢測(cè)的電極； 3_電學(xué)信號(hào)發(fā)生與采集單元；4-超聲傳感器陣列；5-超聲信號(hào)發(fā)生與采集單元；6-流動(dòng)參 數(shù)計(jì)算與可視化單元
[0018] 圖2本發(fā)明裝置電學(xué)傳感器陣列結(jié)構(gòu)圖，其中圖2(a)為傳感器陣列結(jié)構(gòu)側(cè)視圖， 包括被測(cè)管道1，安裝于不同截面位置的弧形電極陣列2 ;圖2(b)為縱向A-A截面剖視圖； 圖2(c)為橫向B-B截面剖視圖；
[0019] 圖3本發(fā)明裝置超聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)圖，其中圖3(a)為傳感器陣列結(jié)構(gòu)側(cè)視圖， 包括被測(cè)管道1與超聲探頭陣列（4a，4b);圖3(b)為縱向B-B截面剖視圖；圖3(c)為橫向 A-A截面剖視圖。
[0020] 圖4本發(fā)明裝置的超聲與電學(xué)雙模態(tài)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖5本發(fā)明裝置電學(xué)信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)圖；
[0022] 圖6本發(fā)明裝置超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖7本發(fā)明裝置計(jì)算中心功能結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 以下詳細(xì)描述制造和操作本發(fā)明的步驟，旨在作為本發(fā)明的實(shí)施例描述，并非是 可被制造或利用的唯一形式，對(duì)其他可實(shí)現(xiàn)相同功能的實(shí)施例也應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍 內(nèi)。本發(fā)明中的電學(xué)測(cè)量包括電阻、電容或電磁信息的檢測(cè)，既可同時(shí)使用幾種電學(xué)測(cè)量方 式亦可分別使用。
[0025] 下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
[0026] 圖1描述了本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)圖，包括一個(gè)被測(cè)管段1，一組電學(xué)傳感器陣列 2以及與其相連的電學(xué)信號(hào)發(fā)生與采集單元3, 一組超聲傳感器陣列4以及超聲信號(hào)發(fā)生與 采集單元5。電學(xué)傳感器陣列2包括一組或一組以上由多個(gè)分布在被測(cè)管道相同截面位置 的電極構(gòu)成；超聲傳感器陣列4包括兩組分布在被測(cè)管道不同截面位置的探頭陣列，每組 探頭陣列由兩個(gè)以上的超聲探頭構(gòu)成，其中第一組以超聲多普勒方式工作，包括高頻超聲 探頭與低頻超聲探頭，前者用于發(fā)射高頻超聲信號(hào)，以獲取被測(cè)多相流體內(nèi)的液滴流速，后 者用于發(fā)射低頻的超聲信號(hào)，以獲取被測(cè)多相流體內(nèi)的氣泡流速，第二組以超聲透射法工 作，通過(guò)超聲幅值衰減獲取被測(cè)多相流體相含率；所述的電學(xué)傳感器陣列2與超聲傳感器 陣列4在被測(cè)管道上同時(shí)安裝（無(wú)安裝順序要求，可交叉位置安裝）、同時(shí)工作，組成一套雙 模態(tài)傳感器陣列，且不對(duì)多相流動(dòng)造成任何干擾，因此所述的兩類傳感器陣列在管道上下 游的安裝順序不影響測(cè)量效果。
[0027] 當(dāng)被測(cè)多相流從來(lái)流方向0進(jìn)入被測(cè)管段時(shí)，電學(xué)傳感器陣列2可通過(guò)電學(xué)信號(hào) 發(fā)生與采集單元3獲得包含被測(cè)流體電導(dǎo)率/介電常數(shù)（水相含率）波動(dòng)信息的測(cè)量數(shù) 據(jù)，超聲傳感器陣列4可通過(guò)超聲信號(hào)發(fā)生與采集單元5獲得被測(cè)流體氣相含率波動(dòng)以及 流速的測(cè)量數(shù)據(jù)。將以上信息同時(shí)送入流動(dòng)參數(shù)計(jì)算與可視化單元6進(jìn)行流型識(shí)別，判斷 連續(xù)相是否導(dǎo)電，并依據(jù)判別結(jié)果選擇使用電學(xué)傳感器陣列2中的電容傳感器或電導(dǎo)傳感 器，根據(jù)電學(xué)信號(hào)發(fā)生與采集單元3獲得的電容或電導(dǎo)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行電導(dǎo)率或介電常數(shù)分 布（水相分布）的重建以及水相含率計(jì)算，根據(jù)超聲信號(hào)發(fā)生與采集單元5獲得測(cè)量數(shù)據(jù) 進(jìn)行聲阻抗分布（氣相分布）的重建以及流速與氣相含率的計(jì)算。最后依據(jù)流型識(shí)別結(jié)果 選擇計(jì)算模型，獲得混合與分相流速。
[0028] 圖2本發(fā)明裝置的電學(xué)傳感器陣列結(jié)構(gòu)圖，傳感器陣列為安裝在被測(cè)管道1的弧 形電極陣列2組成，包含安裝在被測(cè)管道同一截面位置內(nèi)的兩個(gè)及以上弧形電極?；⌒坞?極尺寸與數(shù)目視應(yīng)用條件可以改變。工作時(shí)可在任意弧形電極上施加激勵(lì)信號(hào)，任意其他 電極接地形成激勵(lì)電極對(duì)。在該激勵(lì)電極對(duì)中間形成電學(xué)測(cè)量敏感場(chǎng)，當(dāng)多相流體流過(guò)該 敏感場(chǎng)時(shí)，由于場(chǎng)內(nèi)電學(xué)參數(shù)隨著多相介質(zhì)的含率與分布變化，導(dǎo)致激勵(lì)電極對(duì)間，以及其 他電極之間的電勢(shì)差發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)測(cè)量該電勢(shì)差可實(shí)現(xiàn)多相流參數(shù)的測(cè)量。本發(fā) 明中的電學(xué)測(cè)量包括電阻、電容或電磁信息的檢測(cè)，既可同時(shí)使用幾種電學(xué)測(cè)量方式亦可 分別使用，可在同一截面內(nèi)通過(guò)安裝不同尺寸的電極實(shí)現(xiàn)同一截面內(nèi)信息的多樣化獲取， 故本裝置的電極結(jié)構(gòu)具有多種形式。本發(fā)明裝置的電學(xué)傳感器陣列可使用不同頻率的激勵(lì) 信號(hào)，通過(guò)獲得被測(cè)多相流體在不同激勵(lì)信號(hào)頻率下的響應(yīng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多相流信息更全面的 提取。
[0029] 圖3為本發(fā)明裝置的超聲傳感器陣列，包括多套安裝在被測(cè)管道不同截面位置的 超聲探頭陣列（4a，4b)組成，每套探頭陣列包含安裝在被測(cè)管道1同一截面位置內(nèi)的兩個(gè) 及兩個(gè)以上超聲探頭，其中一組以超聲多普勒方式工作，獲取被測(cè)多相流體流速，另外一組 以超聲透射法工作，獲取被測(cè)多相流體相含率。超聲探頭尺寸與數(shù)目視應(yīng)用條件可以改變。 工作時(shí)可在同一截面內(nèi)的任意探頭上施加激勵(lì)信號(hào)，任一其他探頭接收超聲信號(hào)，成激勵(lì) 電極對(duì)。在該激勵(lì)電極對(duì)中間形成超聲調(diào)制測(cè)量敏感場(chǎng)，當(dāng)多相流體流過(guò)該敏感場(chǎng)時(shí)，由于 場(chǎng)內(nèi)介質(zhì)密度隨著多相介質(zhì)的含率與分布變化，導(dǎo)致超聲調(diào)制測(cè)量敏感場(chǎng)內(nèi)超聲強(qiáng)度發(fā)生 相應(yīng)的變化，通過(guò)聲電轉(zhuǎn)換裝置（如壓電陶瓷等）獲取該超聲信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)量通路 內(nèi)相含率的測(cè)量，以及氣相分布的重建。
[0030] 由于不同尺寸的顆粒對(duì)不同頻率的超聲入射波所產(chǎn)生的多普勒頻移調(diào)制特性不 同，且油氣水多相流動(dòng)過(guò)程中，液相中的油滴（或水滴）的尺寸要明顯小于氣泡，且超聲在 油水界面與超聲在氣液界面處的反射率不同，因此本發(fā)明裝置的超聲傳感器陣列可使用不 同頻率的激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)采集不同頻率超聲在不同強(qiáng)度和時(shí)間尺度上的頻移實(shí)現(xiàn)多相流中 不同尺寸液滴與氣泡流速的測(cè)量，進(jìn)而結(jié)合分相含率計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)各分相流速的測(cè)量。
[0031] 圖4描述了本發(fā)明裝置的超聲與電學(xué)雙模態(tài)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括電學(xué)傳感器陣列 激勵(lì)與檢測(cè)單元，超聲傳感器陣列激勵(lì)與檢測(cè)單元，計(jì)算機(jī)總線以及計(jì)算中心，在同一總線 平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)雙模態(tài)傳感器的測(cè)量信息獲取。電學(xué)傳感器陣列激勵(lì)與檢測(cè)單元用于在被測(cè)管 道1中建立電學(xué)敏感場(chǎng)，進(jìn)而獲得多相流含水率信息，可實(shí)現(xiàn)電學(xué)與電導(dǎo)不同模態(tài)傳感器 信息的獲取，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示；超聲傳感器陣列激勵(lì)與檢測(cè)單元用于向被測(cè)管道1中的 多相流體發(fā)射超聲波，進(jìn)而獲得多相流含氣率與流速信息，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。電學(xué)傳感 器陣列激勵(lì)與檢測(cè)單元，以及超聲傳感器陣列激勵(lì)與檢測(cè)單元所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算 機(jī)總線送入計(jì)算中心實(shí)施信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)流型識(shí)別、相含率和流速的計(jì)算以及流動(dòng) 相分布的重建。
[0032] 圖5描述了電學(xué)信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)?？蓪㈦娙菖c電導(dǎo)兩種電學(xué)模式傳感器 的激勵(lì)與信號(hào)采集在同一測(cè)量系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)控制與設(shè)置信息由計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)總線 傳送至邏輯控制單元，并通過(guò)邏輯控制單元對(duì)系統(tǒng)整體工作邏輯和參數(shù)進(jìn)行控制和設(shè)定， 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定要求在激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊中實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生以及信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力的提升， 即采用電壓控電壓源（VCVS)或電壓控電流源（VCCS)將原始激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值和相位可 調(diào)的恒定電壓或電流信號(hào)，并通過(guò)邏輯控制按一定規(guī)律選通電容/電導(dǎo)電極陣列的對(duì)應(yīng)電 極，使激勵(lì)信號(hào)施加至測(cè)量空間中形成電學(xué)敏感場(chǎng)。當(dāng)多相流體流過(guò)所述電學(xué)敏感場(chǎng)時(shí)，由 于流體的電學(xué)參數(shù)變化導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度分布發(fā)生變化，進(jìn)而在電極陣列中會(huì)獲得不同的電勢(shì) 差，利用信號(hào)解調(diào)模塊與參考信號(hào)將該電勢(shì)差進(jìn)行解調(diào)處理，提取出包含多相流分相含率 變化的模擬信號(hào)，并送入模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）陣列實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化，再通過(guò) 計(jì)算機(jī)總線將測(cè)量數(shù)據(jù)送至計(jì)算中心實(shí)現(xiàn)流動(dòng)參數(shù)的計(jì)算與電學(xué)參數(shù)分布的可視化重建。
[0033] 圖6描述了超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)控制與設(shè)置信息由計(jì)算機(jī)通過(guò) 計(jì)算機(jī)總線傳送至邏輯控制單元，并通過(guò)邏輯控制單元對(duì)系統(tǒng)整體工作邏輯和參數(shù)進(jìn)行控 制和設(shè)定，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定要求在激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊中實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生。通過(guò)邏輯控制 單元按一定規(guī)律選通超聲傳感器陣列的對(duì)應(yīng)探頭，使激勵(lì)信號(hào)通過(guò)電聲轉(zhuǎn)換功能產(chǎn)生超聲 波，當(dāng)多相流體流過(guò)所述超聲傳播路徑時(shí)，由于氣液兩相密度差會(huì)在氣液界面處將一部分 超聲反射，并有一部分未反射超聲波被接收探頭接收，透射部分超聲幅值的衰減幅度與超 聲傳播路徑中的氣相尺寸有直接關(guān)系，反射波的頻率變化與流速有直接關(guān)系，并通過(guò)差分 放大與濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換陣列轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)總線送入 計(jì)算中心，利用圖像重建算法與流動(dòng)參數(shù)計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)氣相分布圖像重建與流速參數(shù)提 取。
[0034] 圖7描述了計(jì)算中心的功能結(jié)構(gòu)，包括電學(xué)傳感器陣列與超聲傳感器陣列測(cè)量數(shù) 據(jù)的相含率提取功能，超聲多普勒測(cè)速功能，以及流動(dòng)過(guò)程相分布重建與參數(shù)可視化功能。 電學(xué)傳感器陣列與超聲傳感器陣列的測(cè)量數(shù)據(jù)分別送入各自的相含率計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)相含 率信息的獲取，超聲傳感器陣列利用所測(cè)反射波的頻率變化實(shí)現(xiàn)流速計(jì)算，同時(shí)對(duì)電學(xué)傳 感器陣列與超聲傳感器陣列的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合與相分布重建。利用電學(xué)傳感器陣列 與超聲傳感器陣列所獲得的流速與相含率信息，與重建的相分布結(jié)果一起送入?yún)?shù)計(jì)算與 可視化單元實(shí)現(xiàn)最終結(jié)果的可視化輸出。
【權(quán)利要求】
1. 一種超聲多普勒與電學(xué)傳感器組合多相流可視化測(cè)試裝置，用于對(duì)流經(jīng)被測(cè)管道的 多相流體的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，包括電學(xué)傳感器陣列、超聲傳感器陣列、電學(xué)信號(hào)發(fā)生與檢 測(cè)單元、超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元、流動(dòng)參數(shù)計(jì)算與可視化單元；所述的電學(xué)傳感器陣列包 括兩組分布在被測(cè)管道相同截面位置的電極陣列；所述的超聲傳感器陣列包括兩組分布在 被測(cè)管道不同截面位置的探頭陣列，每組探頭陣列由兩個(gè)以上的超聲探頭構(gòu)成，其中第一 組以超聲多普勒方式工作，包括高頻超聲探頭與低頻超聲探頭，前者用于發(fā)射高頻超聲信 號(hào)，以獲取被測(cè)多相流體內(nèi)的液滴流速，后者用于發(fā)射低頻的超聲信號(hào)，以獲取被測(cè)多相流 體內(nèi)的氣泡流速，第二組以超聲透射法工作，通過(guò)超聲幅值衰減獲取被測(cè)多相流體相含率； 所述的電學(xué)傳感器陣列與超聲傳感器陣列組成一套雙模態(tài)傳感器陣列；電學(xué)信號(hào)發(fā)生與 檢測(cè)單元選通電學(xué)傳感器陣列中的一對(duì)電極作為激勵(lì)電極對(duì)，其中一個(gè)電極為激勵(lì)電極， 另一個(gè)電極為接地電極，在所述激勵(lì)電極對(duì)之間建立電學(xué)敏感場(chǎng)，測(cè)量其余電極間電勢(shì)差； 對(duì)于第一組超聲探頭，超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元選通該組探頭陣列中的一個(gè)探頭發(fā)出超聲 波，該探頭自身或另一個(gè)探頭接收超聲波，將超聲強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并提取頻移信息；對(duì)于 第二組超聲探頭，超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元選通該組探頭陣列中的一個(gè)探頭發(fā)出超聲波， 其余探頭中的一個(gè)或多個(gè)探頭接收超聲波，并將超聲強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并提取幅值信息； 電學(xué)信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元與超聲信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)單元所獲信號(hào)一起，送入流動(dòng)參數(shù)計(jì)算與 可視化單元，實(shí)現(xiàn)流型在線識(shí)別、相含率與分相流速的計(jì)算，以及相分布的可視化重建與顯 /_J、i 〇
【文檔編號(hào)】G01P5/24GK104155358SQ201410328236
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】譚超, 吳昊, 董峰 申請(qǐng)人:天津大學(xué)