[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

摘要

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种基于电学与超声双模态传感器阵列的多相流可视化测量方法，该测量方法包括以下步骤：电学传感器阵列采集电信号；超声传感器阵列采集超声信号；利用电学信号与超声信号提取被测对象流动特征实现流型识别；判断连续相导电性；连续相导电选择电导率计算水相含率并重建水相分布；连续相不导电选择介电常数计算水相含率并重建水相分布；利用超声透射信号进行气相分布重建；利用超声多普勒信号计算液相与水相流速；计算各分相流速；融合电学重建结果与超声重建结果获得油气水多相流相分布。本发明的测量装置具有适用范围宽、可视化、成本低、信息丰富等特点。

主权项

一种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，所采用的测试装置包括电学传感器阵列、超声传感器阵列、电学信号发生与检测单元、超声信号发生与检测单元、流动参数计算与可视化单元；所述的电学传感器阵列包括两组分布在被测管道相同截面位置的电极阵列；所述的超声传感器阵列包括两组分布在被测管道不同截面位置的探头阵列，每组探头阵列由两个以上的超声探头构成，其中第一组以超声多普勒方式工作，包括高频超声探头与低频超声探头，前者用于发射高频超声信号，以获取被测多相流体内的液滴流速，后者用于发射低频的超声信号，以获取被测多相流体内的气泡流速，第二组以超声透射法工作，通过超声幅值衰减获取被测多相流体相含率；所述的电学传感器阵列与超声传感器阵列组成一套双模态传感器阵列；电学信号发生与检测单元选通电学传感器阵列中的一对电极作为激励电极对，其中一个电极为激励电极，另一个电极为接地电极，在所述激励电极对之间建立电学敏感场，测量其余电极间电势差；对于第一组超声探头，超声信号发生与检测单元选通该组探头阵列中的一个探头发出超声波，该探头自身或另一个探头接收超声波，将超声强度转换为电信号并提取频移信息；对于第二组超声探头，超声信号发生与检测单元选通该组探头阵列中的一个探头发出超声波，其余探头中的一个或多个探头接收超声波，并将超声强度转换为电信号并提取幅值信息；电学信号发生与检测单元与超声信号发生与检测单元所获信号一起，送入流动参数计算与可视化单元，实现流型在线识别、相含率与分相流速的计算，以及相分布的可视化重建与显示。该测试方法包括下列步骤：1).采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号；2).根据电学传感器阵列测量数据和超声传感器阵列测量数据，结合特征提取与分类算法，实现多相流流型的识别；3).根据超声透射衰减幅度，利用超声传感器测量数据带入计算气相含率α_g；其中U为超声穿透多相流混合物后的幅值，U₀为超声穿透单相水后的幅值，L为超声传播路径长度，X_g为衰减系数，通过实验标定获得；4).采用多频率超声激励，超声探头测量端获得的超声频率f'与原始发射频率f间存在关系式其中u为超声波在被测介质中的行进速度，u_s为液滴或气泡的移动速度，当液滴或气泡流向测量端时，u_s前方运算符号为‑号，反之则为+号；根据将高频超声波反射频率变化带入上式获取液滴流速u_o＝u_s，将低频超神波反射频率变化带入上式获取气泡速度u_g＝u_s，假设油相与水相间不存在速度差，因此水相流速u_w＝u_o。多频超声高频频率范围典型取值为4MHz以上，低频频率范围典型取值为500KHz‑1MHz，以上范围根据被测流体密度与流体内声速变化；5).根据流型识别结果选取相含率估计模型，并判断连续相是否导电，若连续相为非导电相，采用电容传感器测量数据，计算模型如下：a.根据电容电极对采集的电压信号，计算多相流体混合介电常数ε_m；b.已知油相介电常数εo、水相介电常数εw及气相介电常数ε_g，根据公式$\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_m}={\mathrm{\α}}_g\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_g}+(1-{\mathrm{\α}}_g)({\mathrm{\α}}_o\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_o}+{\mathrm{\α}}_w\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_w})$以及多相流分相含率和为1的关系式α_o+α_g+α_w＝1，计算油相含率α_o、气相含率α_g与水相含率α_w。若连续相导电，采用电导传感器测量数据，计算模型如下：a.根据电阻电极对采集的电压信号，计算多相流体混合电导率σ_m；b.已知油相电导率σ_o、气相电导率σ_g与水相电导率σ_w，另α_l＝α_o+α_w为油气水多相流的液相含率，根据公式和公式α_o+α_g+α_w＝1计算出油相含率α_o、水相含率α_w和气相含率α_g，式中σ_m为多相混合流体电导率，σ_l＝α_oσ_o+α_wσ_w为液相混合电导率；6).利用所述电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数据进行油气水多相流相分布重建：a.根据流型识别结果判断连续相是否导电，若连续相导电，将电学传感器阵列视为电导传感器阵列，设采用电导传感器测量数据结合图像重建算法实现电学传感器截面内电导率分布σ(x,y)，利用二值化方法获得水相分布f_w(x,y)，其中x与y为像素坐标，若像素(x,y)为水相，则其值为1，若像素(x,y)为气相或油相，则该值为0；b.若连续相为非导电相，将电学传感器阵列视为电容传感器阵列，采用电容传感器测量数据结合图像重建算法实现电学传感器截面内的介电常数分布ε(x,y)，利用二值化方法获得水相分布f_w(x,y)，若像素(x,y)为水相，则其值为1，若像素(x,y)为气相或油相，则该值为0；c.利用超声传感器阵列测量数据结合图像重建算法实现超声传感器被测截面内的声阻抗分布Z(x,y)，利用二值化方法获得气相分布f_g(x,y)，若像素(x,y)为气相，则其值为1，若像素(x,y)为水相或油相，则该值为0；d.设f_A(x,y)为截面内的相分布，且各像素值均为1，由于油、气、水三相充满管道截面，因此可得油相分布f_o(x,y)＝f_A(x,y)‑f_w(x,y)‑f_g(x,y)，其中，若像素(x,y)为油相，则其值为1，若像素(x,y)为水相或气相，则该值为0。