基于超聲多普勒與電學多傳感器的多相流可視化測試方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于流體測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于電學與超聲雙模態(tài)傳感器陣列的多相流可視化測量方法，該測量方法包括以下步驟：電學傳感器陣列采集電信號；超聲傳感器陣列采集超聲信號；利用電學信號與超聲信號提取被測對象流動特征實現(xiàn)流型識別；判斷連續(xù)相導電性；連續(xù)相導電選擇電導率計算水相含率并重建水相分布；連續(xù)相不導電選擇介電常數(shù)計算水相含率并重建水相分布；利用超聲透射信號進行氣相分布重建；利用超聲多普勒信號計算液相與水相流速；計算各分相流速；融合電學重建結(jié)果與超聲重建結(jié)果獲得油氣水多相流相分布。本發(fā)明的測量裝置具有適用范圍寬、可視化、成本低、信息豐富等特點。
【專利說明】基于超聲多普勒與電學多傳感器的多相流可視化測試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于流體測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種電學與超聲雙模態(tài)多傳感器多相流過程 參數(shù)測試方法，用于實現(xiàn)多相流分相含率、流速的在線獲取。本發(fā)明以油/氣/水多相流測 量為描述對象，但并不僅限于該應(yīng)用，在其他工業(yè)過程和化學反應(yīng)中存在的多相流動現(xiàn)象 中，本發(fā)明的測試方法仍適用。 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)同時流 動的流體。多相流現(xiàn)象廣泛存在于能源、動力、石油、化工、冶金、醫(yī)藥等工業(yè)過程中，在工業(yè) 生產(chǎn)與科學研究中有著十分重要的作用，對其流動過程監(jiān)測和描述、以及對流動過程參數(shù) 的準確檢測也給工程師和科研人員提出挑戰(zhàn)。近年來，國際上對多相流的研究興趣在持續(xù) 增長，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，而且對促進這些工程設(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)和相對速度，相界面在時間和空間上均呈隨機變 化，致使多相流的流動特性遠比單相流復雜，特征參數(shù)也比單相流多。多相流過程參數(shù)檢測 策略隨著工況與對象屬性變化，可以利用的物理現(xiàn)象與關(guān)系很多，因此檢測手段也多種多 樣。檢測方式可分為兩大類：直接法與間接法。直接法指的是對象參數(shù)能通過測量直接得 至IJ，而間接法需要在測量值（輔助測量值）與被測參數(shù)間建立關(guān)系式通過計算得到，即"軟 測量"方法。在多相流測量領(lǐng)域內(nèi)，許多直接采用單相流儀表的檢測方法屬于直接法，而新 興的檢測技術(shù)則多采用軟測量的方法，如電學法、超聲法以及射線法等。在科學研究與工業(yè) 應(yīng)用中，多相流的檢測手段需要對被測流體不產(chǎn)生任何擾動，因此電學法與超聲法由于其 結(jié)構(gòu)簡單、非擾動、造價低而備受關(guān)注。
[0004] 電學測量方法根據(jù)其傳感器結(jié)構(gòu)、形狀、激勵方式的不同又分為多種形式，如電導 探針、環(huán)形電導陣列等，其中旋轉(zhuǎn)場電阻抗方法即電學過程層析成像技術(shù)是電學法中的一 種重要改進形式，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 布進行可視化重建。此外，該技術(shù)具有非擾動與多點測量的特點，可以實現(xiàn)被測多相流體的 相含率與流速等過程參數(shù)，具有很好的應(yīng)用前景。電學過程層析成像技術(shù)根據(jù)測量敏感原 理不同又分為電容式、電阻式、阻抗式和電磁式層析成像等。
[0005] 超聲檢測是一種應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)，在醫(yī)學監(jiān)測、流體測量中有其獨特的優(yōu)勢， 超聲波在流體中傳播時不會破壞流體的流場，沒有壓力損失，同時若將檢測元件置于管道 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安裝于 管道同一截面處的多個超聲收發(fā)探頭，以非擾動的形式獲得被測截面內(nèi)部不同聲阻抗介質(zhì) 的分布信息，并通過圖像重建算法實現(xiàn)該分布的可視化。同時，當入射超聲波遇到離散相液 滴和氣泡時會發(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地、非擾動的多相流過程參數(shù)可視化測試方法。本 發(fā)明的傳感器和測量方法，將電學傳感器陣列與超聲傳感器相組合提取多相流流動信息， 應(yīng)用信息融合技術(shù)對多相流的多源信息進行處理，不對多相流動產(chǎn)生擾動且無需對測量流 體進行預分離或混合，實現(xiàn)多相流過程分相含率與分相流速的準確獲取，流型的正確識別 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] -種基于超聲多普勒與電學多傳感器的多相流可視化測試方法，所采用的測試裝 置包括電學傳感器陣列、超聲傳感器陣列、電學信號發(fā)生與檢測單元、超聲信號發(fā)生與檢測 單元、流動參數(shù)計算與可視化單元；所述的電學傳感器陣列包括兩組分布在被測管道相同 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管道不同截面位置的探 頭陣列，每組探頭陣列由兩個以上的超聲探頭構(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，以獲取被測多相流體內(nèi)的 液滴流速，后者用于發(fā)射低頻的超聲信號，以獲取被測多相流體內(nèi)的氣泡流速，第二組以超 聲透射法工作，通過超聲幅值衰減獲取被測多相流體相含率；所述的電學傳感器陣列與超 聲傳感器陣列組成一套雙模態(tài)傳感器陣列；電學信號發(fā)生與檢測單元選通電學傳感器陣列 中的一對電極作為激勵電極對，其中一個電極為激勵電極，另一個電極為接地電極，在所述 激勵電極對之間建立電學敏感場，測量其余電極間電勢差；對于第一組超聲探頭，超聲信號 發(fā)生與檢測單元選通該組探頭陣列中的一個探頭發(fā)出超聲波，該探頭自身或另一個探頭接 收超聲波，將超聲強度轉(zhuǎn)換為電信號并提取頻移信息；對于第二組超聲探頭，超聲信號發(fā)生 與檢測單元選通該組探頭陣列中的一個探頭發(fā)出超聲波，其余探頭中的一個或多個探頭接 收超聲波，并將超聲強度轉(zhuǎn)換為電信號并提取幅值信息；電學信號發(fā)生與檢測單元與超聲 信號發(fā)生與檢測單元所獲信號一起，送入流動參數(shù)計算與可視化單元，實現(xiàn)流型在線識別、 相含率與分相流速的計算，以及相分布的可視化重建與顯示，該測試方法包括下列步驟：
[0009] 1).采集電學傳感器陣列信號與超聲傳感器陣列信號；
[0010] 2).根據(jù)電學傳感器陣列測量數(shù)據(jù)和超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)，結(jié)合特征提取與 分類算法，實現(xiàn)多相流流型的識別；
[0011] 3).根據(jù)超聲透射衰減幅度，利用超聲傳感器測量數(shù)據(jù)帶7

【權(quán)利要求】
1. 一種基于超聲多普勒與電學多傳感器的多相流可視化測試方法，所采用的測試裝置 包括電學傳感器陣列、超聲傳感器陣列、電學信號發(fā)生與檢測單元、超聲信號發(fā)生與檢測單 元、流動參數(shù)計算與可視化單元；所述的電學傳感器陣列包括兩組分布在被測管道相同截 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管道不同截面位置的探頭 陣列，每組探頭陣列由兩個以上的超聲探頭構(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，以獲取被測多相流體內(nèi)的液 滴流速，后者用于發(fā)射低頻的超聲信號，以獲取被測多相流體內(nèi)的氣泡流速，第二組以超聲 透射法工作，通過超聲幅值衰減獲取被測多相流體相含率；所述的電學傳感器陣列與超聲 傳感器陣列組成一套雙模態(tài)傳感器陣列；電學信號發(fā)生與檢測單元選通電學傳感器陣列中 的一對電極作為激勵電極對，其中一個電極為激勵電極，另一個電極為接地電極，在所述激 勵電極對之間建立電學敏感場，測量其余電極間電勢差；對于第一組超聲探頭，超聲信號發(fā) 生與檢測單元選通該組探頭陣列中的一個探頭發(fā)出超聲波，該探頭自身或另一個探頭接收 超聲波，將超聲強度轉(zhuǎn)換為電信號并提取頻移信息；對于第二組超聲探頭，超聲信號發(fā)生與 檢測單元選通該組探頭陣列中的一個探頭發(fā)出超聲波，其余探頭中的一個或多個探頭接收 超聲波，并將超聲強度轉(zhuǎn)換為電信號并提取幅值信息；電學信號發(fā)生與檢測單元與超聲信 號發(fā)生與檢測單元所獲信號一起，送入流動參數(shù)計算與可視化單元，實現(xiàn)流型在線識別、相 含率與分相流速的計算，以及相分布的可視化重建與顯示。該測試方法包括下列步驟： 1) .采集電學傳感器陣列信號與超聲傳感器陣列信號； 2) .根據(jù)電學傳感器陣列測量數(shù)據(jù)和超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)，結(jié)合特征提取與分類 算法，實現(xiàn)多相流流型的識別； 3) .根據(jù)超聲透射衰減幅度，利用超聲傳感器測量數(shù)據(jù)帶入
相含率a g ;其中U為超聲穿透多相流混合物后的幅值，％為超聲穿透單相水后的幅值，L為 超聲傳播路徑長度，Xg為哀減系數(shù)，通過實驗標定獲得； 4) .采用多頻率超聲激勵，超聲探頭測量端獲得的超聲頻率f與原始發(fā)射頻率f間存 在關(guān)系式/'=
其中u為超聲波在被測介質(zhì)中的行進速度，us為液滴或氣泡的移 動速度，當液滴或氣泡流向測量端時，us前方運算符號為-號，反之則為+號；根據(jù)將高頻 超聲波反射頻率變化帶入上式獲取液滴流速u。= us，將低頻超神波反射頻率變化帶入上式 獲取氣泡速度ug = Us，假設(shè)油相與水相間不存在速度差，因此水相流速Uw = U。。多頻超聲 高頻頻率范圍典型取值為4MHz以上，低頻頻率范圍典型取值為500KHZ-1MHZ，以上范圍根 據(jù)被測流體密度與流體內(nèi)聲速變化； 5) .根據(jù)流型識別結(jié)果選取相含率估計模型，并判斷連續(xù)相是否導電， 若連續(xù)相為非導電相，采用電容傳感器測量數(shù)據(jù)，計算模型如下： a. 根據(jù)電容電極對采集的電壓信號，計算多相流體混合介電常數(shù)επ; b. 已知油相介電常數(shù)εο、水相介電常數(shù)及氣相介電常數(shù)eg，根據(jù)公式
4及多相流分相含率和為1的關(guān)系式 α。+a g+a w = 1，計算油相含率α。、氣相含率a g與水相含率a w。 若連續(xù)相導電，采用電導傳感器測量數(shù)據(jù)，計算模型如下： a. 根據(jù)電阻電極對采集的電壓信號，計算多相流體混合電導率〇m; b. 已知油相電導率〇。、氣相電導率og與水相電導率〇w，另αι = α。-％為油氣 水多相流的液相含率，根據(jù)公式=
算出油相含率α。、水相含率a w和氣相含率a g，式中〇1]]為多相混合流體電導率，〇ι = a。σ。+ a w σ w為液相混合電導率； 6).利用所述電學傳感器陣列與超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)進行油氣水多相流相分布重 建： a. 根據(jù)流型識別結(jié)果判斷連續(xù)相是否導電，若連續(xù)相導電，將電學傳感器陣列視為電 導傳感器陣列，設(shè)采用電導傳感器測量數(shù)據(jù)結(jié)合圖像重建算法實現(xiàn)電學傳感器截面內(nèi)電導 率分布σ (X，y)，利用二值化方法獲得水相分Wfw(X，y)，其中1與 7為像素坐標，若像素 (x，y)為水相，貝1J其值為1，若/?象素（x，y)為氣相或油相，貝 1Ji亥值為〇 ; b. 若連續(xù)相為非導電相，將電學傳感器陣列視為電容傳感器陣列，采用電容傳感器測 量數(shù)據(jù)結(jié)合圖像重建算法實現(xiàn)電學傳感器截面內(nèi)的介電常數(shù)分布ε (X，y)，利用二值化方 法獲得水相分布fw(x，y)，若像素（X，y)為水相，則其值為1，若像素（X，y)為氣相或油相， 則該值為〇 ; c. 利用超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)結(jié)合圖像重建算法實現(xiàn)超聲傳感器被測截面內(nèi)的聲 阻抗分布Z(x，y)，利用二值化方法獲得氣相分布f g(x，y)，若像素（x，y)為氣相，則其值為 1，若像素（X，y)為水相或油相，則該值為〇 ; d. SfA(x，y)為截面內(nèi)的相分布，且各像素值均為1，由于油、氣、水三相充滿管道截 面，因此可得油相分布fjx, y) = fA(x, y)-fw(x, y)-fg(x, y)，其中，若像素（X，y)為油相，貝1J 其值為1，若像素（x，y)為水相或氣相，則該值為0。
【文檔編號】G01N33/00GK104101687SQ201410328267
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】譚超, 董虓霄, 董峰 申請人:天津大學