[发明专利]一种测量固液两相流相含率的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量固液参数的装置及方法，尤其涉及了一种测量固液两相流相含率的装置及方法。

背景技术

在石油和采矿业两相流。目前固液两相流相含率测量方法中，光学法、阻抗法、核磁共振成像法(NMR)及超声法应用较为广泛。光学法通过光学元件得到固液两相流内部信息，要求固液两相流(某些情况下包括管壁)具有良好的光学透明性这一点极大限制此类方法在工业上的应用。电阻抗(电导)法通过一组电极探测两相流内部的电阻抗(或电导率)分布来确定两相流内部的颗粒相含率，但是阻抗法只能测量固液两相流体的平均相含率并得到局部相含率。核磁共振成像法(NRM)是基于原子核磁性非入侵式的测量两相流相含率的方法。NRM仅限于非顺磁性两相流体不适用于具有顺磁性的两相流体，而且NRM装置非常昂贵并且限于流动缓慢的两相流体。

超声波法用于固液两相流相含率测量有诸多优点：超声波对容器或者管道材质无特殊要求，对介质的导电性、介电常数、透光性无特殊要求，可实现非接触测量，安全性好。

发明内容

为克服上述方法的不足，本发明提供了一种测量固液两相流相含率的装置及方法。本发明方法是非入侵性的，测量装置是管道式的，测量精确度高。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种测量固液两相流相含率的装置：

包括管道、超声波收发器和计算机，所述管道竖直布置安装，超声波收发器安装在管道侧壁，超声波收发器与计算机连接，超声波收发器产生超声波发送至管道内的固液两相流体，并接收超声波遇到固液两相流体返回的回波信号将其转化为数字量传送至计算机进行处理运算。

还包括空心螺母和固定套管，管道的侧壁与沿垂直于管道方向的固定套管一端固定连接，超声波收发器装在固定套管中，固定套管另一端连接空心螺母，通过空心螺母将超声波收发器固定在固定套管，并使得超声波收发器探头端紧贴管道侧壁。

所述的超声波收发器包括收发一体式超声换能器和5072PR脉冲发生/接收器，收发一体式超声换能器经5072PR脉冲发生/接收器与计算机连接，计算机控制5072PR脉冲发生/接收器产生正弦波信号并发送到收发一体式超声换能器，收发一体式超声换能器接收到正弦波信号后产生超声波并将超声波垂直入射到管道中，回波信号被相同的收发一体式超声换能器接收并转化为正弦波信号后发送到5072PR脉冲发生/接收器，5072PR脉冲发生/接收器将接收到的回波电信号转化为数字量发送至计算机进行处理。

二、一种测量固液两相流相含率的方法，步骤如下：

1)通过超声波收发器向固液两相流体中发射超声波并接收到回波信号，根据回波信号计算得到回波功率谱和回波衰减；

2)所述固液两相流体采用多组不同的已知相含率的固液两相流体以步骤1)方式进行多次采集获得多组回波功率谱和回波衰减，将回波功率谱与对应的固液两相流体相含率进行拟合得到回波功率谱-相含率曲线，将回波衰减与对应的固液两相流体相含率进行拟合得到回波衰减-相含率曲线，以两条拟合曲线作为固液两相流体相含率测量的参考基准；

3)针对未知待测相含率的固液两相流体以步骤1)方式进行采集获得回波功率谱和回波衰减，根据步骤2)得到的两条拟合曲线进行比对得到固液两相流的相含率。

所述步骤1)具体包括：

1.1)通过超声波收发器向管道发射超声波脉冲，管道内流动有颗粒浓度分布均匀、相含率恒定的固液两相流体并且流动方向垂直于超声波传播方向，固液两相流体接收超声波脉冲后产生的回波信号被超声波收发器接收，回波信号内包含有相含率信息，为时间序列；

1.2)将回波信号按照时间顺序等分为多段窗口，按照升序对16个窗口进行编号，最开始被接收的被编为1窗口；

1.3)对每段窗口，将该段窗口的回波信号平均取若干个离散点，将所有离散点进行FFT变换后组成得到该段窗口对应的回波功率谱；

FFT变换具体是将时域信号转换到频域信号。

1.4)根据第一段窗口(最开始接收的窗口)的回波功率谱和最后一段窗口(最后接收的窗口)的回波功率谱以及两窗口间的距离采用以下公式计算得到回波衰减α_f：

其中，I₁表示第一段窗口的回波功率谱，I₂表示最后一段窗口的回波功率谱，x为第一段窗口到最后一段窗口间的距离。

所述步骤2)具体包括：

2.1)利用由多次采集获得的第一段窗口的功率谱与采集时相含率组成的多组数据进行拟合处理，得到回波功率谱-相含率曲线；