超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置，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；电学传感器阵列包括一组分布在被测管道相同截面位置的电极阵列；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，其中至少一组以超声多普勒方式工作，获取被测多相流体流速，另外至少一组以超声透射法工作，获取被测多相流体相含率；电学电极与超声探头在被测管道上同时安装、同时工作，组成一套双模态传感器。本发明专利技术的测量装置具有可视化、适用范围宽、无扰动、无辐射、成本低等特点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置，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；电学传感器阵列包括一组分布在被测管道相同截面位置的电极阵列；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，其中至少一组以超声多普勒方式工作，获取被测多相流体流速，另外至少一组以超声透射法工作，获取被测多相流体相含率；电学电极与超声探头在被测管道上同时安装、同时工作，组成一套双模态传感器。本专利技术的测量装置具有可视化、适用范围宽、无扰动、无辐射、成本低等特点。【专利说明】超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置
本专利技术属于流体测量
，涉及一种电学与超声双模态多相流测试装置，可 实现多相流分相含率、流速及流量等参数的在线获取。本专利技术以油/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本发 明的测试装置仍适用。 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 至IJ，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。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。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。 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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种精确的、非扰动的多相流过程参数可视化测试方法。本 专利技术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。 本专利技术的技术方案如下： -种超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置，用于对流经被测管道 的多相流体的过程参数进行测量，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。 基于电学敏感原理的信息检测技术对被测流体的电学性质变化敏感，如电导率或 介电常数，但对密度差较大的气液相间边界信息模糊，不易获得。而多相流中，由于气相与 液相界面处声阻抗的巨大差异，使得超声在气液界面的反射特性极为明显（可达99% )，因 此超声对气液分界面有极好的分辨能力。同时，超声波在液滴或气泡的界面处产生反射波， 该反射波的频率变化与反射体的速度有关，即超声多普勒效应，可实现分散相（液滴或气 泡）流速的测量。因此，将基于电学敏感原理与基于超声敏感原理的传感器阵列相结合，利 用电学传感器阵列获取液相流动信息，利用超声传感器阵列获取气相流动信息，可准确、全 面地实现多相流流型在线识别、相含率和相流速在线估计，以及相分布的可视化重建。本发 明的有益效果及优点如下： 1、电学测量法对多相流体的导电性有很好的区分作用，也即对油气水混合物中的 水相变化敏感。而超声对多相流体的密度变化敏感，两类测量模态有互补性； 2、超声多普勒法可直接获得被测流体的流速信息； 3、该方法为非侵入的测量手段，不会对流体产生任何的扰动； 4、多传感器阵列可获得对多相流动过程更全面的描述； 5、测量速度快，成本低； 6、可提供被测流体瞬时相分布状态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置，用于对流经被测管道的多相流体的过程参数进行测量，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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭超，吴昊，董峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12