一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测装置及方法，在绝缘管道内壁上镶嵌多对电极环构成电导式传感器结构；在管道外壁环绕两个永磁环沿着流体流向的静磁场；在两个永磁环中间的管道外壁上沿管道圆周布置阵列超声波探头。通过电导式传感器的激励电极对向油水两相流中注入电流，永磁体产生的静磁场使电流受到洛伦兹力，在油水两相流中激发出超声波，超声信号被安装在管道外壁的阵列超声探头检测，由于油和水电导率的差异，借助数学物理方程和图像重建算法，实现油水两相流的层析成像；同时，利用电导式传感器检测油水两相流含水率和基于相关技术的流速测量，从而实现油水两相流的流型识别、含水率、流量等多参数实时检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测装置及方法
本专利技术涉及石油生产领域中油水两相流多参数测量方法和
，特别是一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测装置及方法。
技术介绍
多相流常见于石油、化工、动力、核能、食品和医学等领域，根据混合物的组成成分不同，多相流又分为液/固、气/固、气/液、液/液及气/液/固等形态。而在石油、化工行业中，长输管线内的流体通常是经过液相、气相和固相分离后的液相流体，主要包括原油和地层水，属于油水两相流，对油水两相流流型的辨识和准确计量是其中不可缺少的关键生产流程。与单相流相比，油水两相流的流动性和随机性更为复杂。依据流量的大小，流体的存在状态主要分为以下三种形式：当流量较小时，流体所含能量很小，水平管中以分层流为主；当流量较大时，流体所含能量很大，主要以分散流为主；当流量居于折中时，分层流和分散流同时存在于流体中。此时，油和水之间没有明确的分界面，而是形成一系列油包水或者水包油的微小颗粒，使得油水两相流的流型识别和准确计量难度比较大。而石油运输中，流体大多以这种方式存在，故而有关水包油和油包水的研究至今仍是一个困难的课题。两相流参数检测的主要方法有：相关法、容积法、节流法、超声波法、激光多普勒法、粒子成像测速法(ParticalImageVelocimeter)、过程层析成像技术(ProcessTomography)、核磁共振法(MagneticResonanceImaging)等。两相流的相组分的测量方法主要包括：电容法、电导法、电磁波法、密度法、微波法等。研究人员在上述的两相流的检测技术上进行了大量的研究，取得了很多研究成果。随着新技术、新方法的出现，两相流参数的检测技术也在不断取得进步。目前，油水两相流检测技术发展方向集中在两个方面：一是多种测量模式的融合，如含水率测量融合电导法、电磁法和微波法等，层析成像方面将电容式结构和电抗式结构进行融合；二是引入新的检测技术，如电磁与超声的多物理场耦合方法，实现油水两相流的层析成像，这种方法是借鉴了医学成像领域的技术，在专利201610220468.0已经对该方法给出了说明，但该专利中仅能实现油水两相流的过程层析成像，测量参数单一。磁声耦合是指磁性材料内部由于自旋波(磁振子)和声波(声子)发生相互作用而在两者之间产生能量交换或互相激发的现象。这种耦合会导致磁质伸缩，在多相流、油水两相流等方面研究中，流体内部的强磁性物体会受到交变磁场的作用而发生相应的机械振动，并在激励电流的作用下，产生洛伦兹力，激发出超声波。超声层析成像是目前研究较广泛的层析成像技术，主要有反射式、衍射式及透射式等多种测量模式。其工作原理是：以超声波作为扫描源，利用被测介质对入射声波的吸收和散射效应所引起的声波幅度、相位和传播方向的变化，从不同角度和方向扫描管道横截面，从而获得介质的声速或者密度分布图像。超声波层析成像的对比度比较高，灵敏度也较高，但其空间分辨率受其波长影响。磁声耦合成像是指将被测组织置于静磁场中，用注入电流或感应电流激励成像体，脉冲电流在静磁场作用下产生洛伦兹力，激发被测组织微粒发生振动产生超声波，声波信号中含有被测组织的电导率信息，运用超声换能器采集超声信号并重建被测组织的电导率分布信息。其成像基础是洛伦兹力，洛伦兹力是带电粒子在磁场中运动将受到磁场磁力的作用。磁声耦合成像是将电阻抗成像技术和超声层析成像技术相融合的一种新型成像方式，兼具成像高对比度、高灵敏度及高空间分辨率的优点，并且检测设备结构简单，不会对环境、人体造成伤害等，在生物医学领域是研究热点。根据地层水和原油的电导率不同，利用磁声耦合成像技术对管道内的流体进行层析成像是可行性的。从现有的文献中得知，磁声耦合的电流激励方式有两种：一种是电流注入式，即通过电极直接在测量介质中注入电流；另一种是利用磁感应方式激发电流，这种结构是利用磁感应原理在介质中产生涡电流，即向线圈中输入激励电流，线圈产生的电磁场在介质感应出涡电流。两种方式各有优缺点，前者激励电流可控，后者感应式电流弱，但为非接触式测量。因此，亟待开发一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测装置及方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有技术中存的不足，提供一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测装置及方法，将磁声耦合结构和电导式传感器结构融合，利用电导式传感器的激励电极向油水两相流中注入电流，从而实现了磁声耦合的声信号的激发，还能够实时检测油水两相流的含水率、流量等参数。为达到上述目的，本专利技术是按照以下技术方案实施的：一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测装置，由激励系统、检测系统和主控系统三大部分组成，所述主控系统由微型计算机或嵌入式系统构成，主要负责产生同步控制脉冲，控制脉冲电流的产生和超声波信号的同步采集，所述激励系统和检测系统都在主控系统的控制下协调工作；所述激励系统包括两组固定在绝缘管道外壁上的永磁环、沿着绝缘管道内的流体方向依次镶嵌在两组永磁环之间的绝缘管道内壁的第一电极环和第六电极环，以及与主控系统输出端连接的瞬态强电流脉冲发生器，所述第一电极环与第六电极环组成激励电极环对，瞬态强电流脉冲发生器的输出端分别与第一电极环和第六电极环连接；检测系统包括在绝缘管道外壁嵌入的若干超声波探头、在第一电极环和第六电极环之间的绝缘管道内依次壁嵌入的第二电极环、第三电极环、第四电极环与第五电极环，第二电极环与第三电极环、第四电极环与第五电极环分别组成电极环对，以及与超声波探头和第二电极环、第三电极环、第四电极环、第五电极环连接的微弱超声信号放大器、同步信号采集器，同步信号采集器的输出端与主控系统连接。进一步，每个永磁圆环都是由若干个大小和形状完全相同的扇柱形永磁体围绕同一个圆心拼接而成，环绕绝缘管道外壁一圈，每个小扇柱形磁体的磁化方向为永磁环的径向，即半径r方向，其中一个永磁圆环的磁化方向沿半径r方向指向圆心，另一个则从圆心指向圆周外部，即两个永磁环的磁化方向相反，用于在绝缘管道内距离两个永磁环距离相等的中间截面内形成一个沿着液体流向的稳恒磁场B0。另外本专利技术还提供了一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测方法，包括以下步骤：步骤一、通过两个永磁环在绝缘管道中构造一个方向沿着流体流向的稳恒磁场B0；步骤二、在主控系统的控制下，给激励电极环对中通入脉冲电流，在稳恒磁场B0的作用下，激励电流穿透绝缘管道在油水两相流流体中激发出涡电流密度J，油水两相流流体在静磁场B0中受到洛仑兹力f＝J×B0的作用，激发流体微粒发生振动并产生超声波，使流体中的导电粒子发生瞬间位移，从而使流体发生振动产生超声波信号；步骤三、通过绝缘管道外壁的多支超声波探头接收超声波信号，利用微弱超声信号放大器将超声波信号放大后，利用同步信号采集器实时采集各个超声波探头接收到的超声波信号，同时，利用主控系统采集第二电极环与第三电极环、第四电极环与第五电极环组成的电极对的输出信号；步骤四、通过主控系统将多路同步采集到的数据代入成像算法，重建油水两相流的电导率边界图像或电导率图像；同时通过主控系统处理测量第二电极环与第三电极环、第四电极环与第五电极环组成的电极对的输出信号，计算含水率和流速；步骤五、重复步骤二至四，循环构建油水两相流的边界图像，并进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测装置，其特征在于，由激励系统、检测系统和主控系统三大部分组成，所述主控系统由微型计算机或嵌入式系统构成，主要负责产生同步控制脉冲，控制脉冲电流的产生和超声波信号的同步采集，所述激励系统和检测系统都在主控系统的控制下协调工作；所述激励系统包括两组固定在绝缘管道外壁上的永磁环、沿着绝缘管道内的流体方向依次镶嵌在两组永磁环之间的绝缘管道内壁的第一电极环、第六电极环，以及与主控系统输出端连接的瞬态强电流脉冲发生器，所述第一电极环与第六电极环组成激励电极环对，瞬态强电流脉冲发生器的输出端分别与第一电极环和第六电极环连接；检测系统包括在绝缘管道外壁嵌入的若干超声波探头、在第一电极环和第六电极环之间的绝缘管道内依次壁嵌入的第二电极环、第三电极环、第四电极环与第五电极环，第二电极环与第三电极环、第四电极环与第五电极环分别组成电极环对，以及与超声波探头和第二电极环、第三电极环、第四电极环、第五电极环连接的微弱超声信号放大器、同步信号采集器，同步信号采集器的输出端与主控系统连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测装置，其特征在于，由激励系统、检测系统和主控系统三大部分组成，所述主控系统由微型计算机或嵌入式系统构成，主要负责产生同步控制脉冲，控制脉冲电流的产生和超声波信号的同步采集，所述激励系统和检测系统都在主控系统的控制下协调工作；所述激励系统包括两组固定在绝缘管道外壁上的永磁环、沿着绝缘管道内的流体方向依次镶嵌在两组永磁环之间的绝缘管道内壁的第一电极环、第六电极环，以及与主控系统输出端连接的瞬态强电流脉冲发生器，所述第一电极环与第六电极环组成激励电极环对，瞬态强电流脉冲发生器的输出端分别与第一电极环和第六电极环连接；检测系统包括在绝缘管道外壁嵌入的若干超声波探头、在第一电极环和第六电极环之间的绝缘管道内依次壁嵌入的第二电极环、第三电极环、第四电极环与第五电极环，第二电极环与第三电极环、第四电极环与第五电极环分别组成电极环对，以及与超声波探头和第二电极环、第三电极环、第四电极环、第五电极环连接的微弱超声信号放大器、同步信号采集器，同步信号采集器的输出端与主控系统连接。2.根据权利要求1所述的基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测装置，其特征在于：每个永磁圆环都是由若干个大小和形状完全相同的扇柱形永磁体围绕同一个圆心拼接而成，环绕绝缘管道外壁一圈，每个小扇柱形磁体的磁化方向为永磁环的径向，即半径r方向，其中一个永磁圆环的磁化方向沿半径r方向指向圆心，另一个则从圆心指向圆周外部，即两个永磁环的磁化方向相反，用于在绝缘管道内距离两个永磁环距离相等的中间截面内形成一个沿着液体流向的稳恒磁场B0。3.一种基于电磁声耦合的油水两相流多参数检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过两个永磁环在绝缘管道中构造一个方向沿着流体流向的稳恒磁场B0；步骤二、在主控系统的控制下，给激励电极环对中通入脉冲电流，在稳恒磁场B0的作用下，激励电流穿透绝缘管道在油水两相流流体中激发出涡电流密度J，油水两相流流体在静磁场B0中受到洛仑兹力f＝J×B0的作用，激发流体微粒发生振动并产生超声波，使流体中的导电粒子发生瞬间位移，从而使流体发生振动产生超声波信号；步骤三、通过绝缘管道外壁的多支超声波探头接收超声波信号，利用微弱超声信号放大器将超声波信号放大后，利用同步信号采集器实时采集各个超声波探头接收到的超声波信号；同时，利用主控系统采集第二电极环与第三电极环、第四电极环与第五电极环组成的电极对的输出信号；步骤四、通过主控系统将多路同步采集到的数据代入成像算法，重建油水两相流的电导率边界图像或电导率图像；同时通过主控系统处理测量第二电极环与第三电极环、第四电极环与第五电极环组成的电极对的输出信号，计算含水率和流速；步骤五、重复步骤二至四，循环构建油水两相流的边界图像，并进行动态刷新。4.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：高国旺，陈凯莉，武丹，王永超，董磊，段鹏伟，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61