[发明专利]基于超声多普勒与电学多传感器的多相流可视化测试方法

说明书

技术领域

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、流速的在线获取。本发明以油/气/水多相流测量为描述对象，但并不仅限于该应用，在其他工业过程和化学反应中存在的多相流动现象中，本发明的测试方法仍适用。

技术背景

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也给工程师和科研人员提出挑战。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。

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到，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。

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。此外，该技术具有非扰动与多点测量的特点，可以实现被测多相流体的相含率与流速等过程参数，具有很好的应用前景。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。

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。同时，当入射超声波遇到离散相液滴和气泡时会发生反射作用，并在超声接收端产生与反射物体(离散相液滴和气泡)流速有关的声波频率差，即超声多普勒效应。利用该效应可有效获得油气水多相流的流速分布信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种精确地、非扰动的多相流过程参数可视化测试方法。本发明的传感器和测量方法，将电学传感器阵列与超声传感器相组合提取多相流流动信息，应用信息融合技术对多相流的多源信息进行处理，不对多相流动产生扰动且无需对测量流体进行预分离或混合，实现多相流过程分相含率与分相流速的准确获取，流型的正确识别以及相分布的可视化重建。

本发明的技术方案如下：