两相流分相流速声电双模态测量方法技术

本发明专利技术提供一种两相流分相流速声电双模态测量方法，所采用的双模态传感器包括一套电学传感器和一套超声多普勒探头，测量方法为：利用电学传感器采集信号并获取水相含率、油相含率和两相流混合密度；确定超声多普勒探头的测量空间，计算测量空间的等效高度；计算超声接收探头获取的超声信号频率与超声发射探头所发射的激励超声信号频率间的频率差，并计算测量空间中的平均流速；建立管道中与距离管壁位置处流体流速的分布关系；建立测量空间中多普勒测量流速与边界层流速间关系；求解计算边界层流速；计算总流速，并分别得到水相流速和油相流速。本发明专利技术能够以非侵入方式准确获取两相流相含率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于流体测量
，设及一种超声传感器与电学传感器组合的测量方 法，用于两相流流速的非扰动式测量。 技术背景 两相流广泛存在于石油与化工等工业过程中，如油水两相流、气液两相流等，对其 过程参数的准确测量将有助于工业过程的优化与设计，提升生产效率，降低成本和能耗。由 于油水两相间存在较强的动态禪合特性，使得其流动过程复杂，瞬态性高，对其流速与含率 的测量难度较高。 传统的两相流流量的测试手段多采用侵入式测试方法，如祸轮式流量计与差压式 流量计等，在获得流量参数的同时会对流动过程产生扰动与压损。但在科学研究与工业生 产过程中，希望建立一种非扰动式测试方法准确获取两相流的过程参数，并逐渐发展出射 线法、电学法、超声法等测试技术。 电学法与超声法由于其价格低廉，实现简单，安装方便等优势，在两相流检测技术 领域内受到了较多的关注。在利用电学法与超声法获取两相流的分相流速中，多采用互相 关测速方法，但其所测速度并非两相总流速或分相流速，需要根据流型、滑动比等参数进行 解释，测试准确度受流态影响较大。超声多普勒测速方法利用多普勒效应直接获得流体中 反射物的流动速度，所测速度具有明确的物理意义和较快的响应频率。在油水两相流测试 中，如将离散相液滴作为连续相中的反射物，可通过超声多普勒方法获取两相流速度。然 而，两相流的流速、含率、分布等参数对超声的传播、频移W及速度计算上有一定影响，因此 将电学传感器与超声多普勒传感器联用，通过建立两相流测量关系式模型，同时获得两相 流的分相含率与流速。[000引专利CN104155358A提出一种基于超声/电学多传感器的多相流可视化测试装 置，利用超声探头与电导/电容传感器组合，同时获取被测多相流体的流速、含率等可视化 信息。本专利技术专利是在该专利测试装置基础上，利用该装置获取的超声多普勒信息W及电 导/电容传感器获取的分相含率信息，共同实现两相流分相流速的计算。 专利CN104101687-A同样在专利CN104155358A提出的测试装置基础上实现了一 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。
技术实现思路
本专利技术的目的是在现有技术的基础上，新提出一种能够准确地测量管道内两相流 的流速与分相含率的，应用超声多普勒效应与电学传 感器计算油水两相流分相流速。本专利技术的技术方案如下： -种，所采用的双模态传感器包括一套电学 传感器和一套超声多普勒探头；所述电学传感器用于获取两相流分相含率，超声多普勒探 头用于获取两相流的流速；所述电学传感器与超声多普勒探头同时安装于管道中；所述超 声多普勒探头包括一个超声发射探头和一个超声接收探头；所述超声发射探头和超声接收 探头均与管道间W夹角0安装，超声发射探头安装于管道顶部，超声接收探头安装于管道 底部，并保证超声发射探头、超声接收探头与管道中屯、处于同一纵向截面内；该测试方法包 含如下步骤： 1)当两相流的连续相为导电相时，将电学传感器用作电导传感器获取水相含率 e，与油相含率e。;当连续相为非导电相时，将电学传感器用作电容传感器获取水相含率 e，与油相含率e。 。利用水相含率e，与油相含率e。计算两相流混合密度Pm=e，P，+e"P。、粘 度Wm=ee。4。与声速Cm=c,e,+c。e。，其中P,与P。分别为水相密度与油相密 度，y，与y。分别为水相粘度与油相粘度，C，与C。分别为水中声速与油中声速； 3)确定超声多普勒探头的测量空间，该测量空间为S维立体结构，其在管道截面 方向投影为楠圆形，在管道剖面方向投影为近似菱形的四边形，分散相流经该区域时，其速 度信息可W被超声接收探头有效获取，引入水力学直径的概念将其等效为一球形区域，计 算测量空间的等效高度//=追|^其中，测量空间理论高度、宽度为超声近场区域长度，d为超声多普勒探头直径，A为超声波波长，R为管道内半径，a=sin4 (1.22A/d)为超声发射探头的发射角； 4)计算超声接收探头获取的超声信号频率f与超声发射探头所发射的激励超声 信号频率f。间的频率差fd=f-f。，并计算测量空间中的平均流娃其中为平均频率差，Sd(fd)为超声频移的功率谱； 5)利用两相流混合密度Pm与混合粘度ym，建立管道中与距离管壁位置Zi处流 体流速Ui的分布关系为无量纲流速，且^为 位置Zi处的平均流速，UT为边界流速，r为位置Zi距离管道中屯、的距离且r=R-Z 6)根据5)中的流体流速Ui的分布关系与测量空间等效高度H，建立测量空间中 多普勒测量流速与边界层流速Ut间关系，其中，系 数 7)对InUt进行级数展开m为级数展 开的阶数，参数D为InuT级数展开的高次项之和，液液两相流下的一般取值范围为2-5之 间，其他应用条件下可通过实验数据W及级数展开方法推算[001引 8)将lnuT=uT-D代入6)关系式中，求解计算边界层流娃其中系数a=B，b=B+BlnK-B*D，C= -Udop，A=fn+5. 5,B= 2. 5， 9)通过两相流混合密度Pm、粘度iimW及边界层流速UT，计算总流速n为不同流态下的摩擦指数，当水为连续相时n= -0. 25,当油为 连续相时n= -0.2;将水相含率e，与油相含率e。分别代入得到水相流速，和 油相流速Ja=J*e。。 本专利技术的实质性特点是；利用超声多普勒探头获取两相流在超声测量空间内的平 均流速，利用电学传感器获取两相流的分相含率。将相含率测量结果代入边界层关系式中， 建立两相流边界层速度与管道内流速剖面的关系式。利用流速剖面描述的流速分布计算超 声测量空间内的平均速度，建立超声多普勒测速与边界层速度间关系式。通过求解该关系 式获得边界层速度，进而利用不同流态下的边界层流速与平均流速关系计算出两相流总流 速，再与分相含率计算结果一起获取各分相的流速。本专利技术的有益效果及优点如下： 1、该方法为非扰动的测量手段，不会对流体产生任何的扰动； 2、测量方便，速度快，成本低，能够准确地测量管道内两相流的流速与分相含率。【附图说明】 W下附图描述了本专利技术所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其 中： 图1本专利技术的测量方法中超声多普勒测量空间示意图； 图2本专利技术的测量方法中测量空间高度计算方法示意图，（a)为管道径向截面示 意图，化）为管道轴向截面示意图。 图3本专利技术的测量方法流速计算步骤。【具体实施方式】下面结合说明书附图详细说明本专利技术的计算方法。 图1为本专利技术的测量方法中超声多普勒测量空间示意图。本专利技术专利所用超声多 普勒探头包括一个超声发射探头3a和一个超声接收探头3b，超声多普勒探头3a、3b与管道 1之间W夹角0安装，使超声测试通路与两相流2的来流方向0保持夹角0。所述超声探 头3a安装于管道顶部，超声探头3b安装于管道底部，并保证超声探头3a、3b与管道中屯、处 于同一纵向截面内。激励探头3a发射超声波，声波在两相流2中传播，受到高度为H的测 量空间4内的离散相反射后被测量探头3b接收。通过计算接收声波与发射声波的频率差， 即可计算出测量空间4中的平均速度。 图2本专利技术的测量方法中测量空间高度计算方法示意图。测量空间为复杂的S维 立体结构，该结构在管道截面方向的投影形成一长轴为&，短轴为W的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两相流分相流速声电双模态测量方法，所采用的双模态传感器包括一套电学传感器和一套超声多普勒探头；所述电学传感器用于获取两相流分相含率，超声多普勒探头用于获取两相流的流速；所述电学传感器与超声多普勒探头同时安装于管道中；所述超声多普勒探头包括一个超声发射探头和一个超声接收探头；所述超声发射探头和超声接收探头均与管道间以夹角θ安装，超声发射探头安装于管道顶部，超声接收探头安装于管道底部，并保证超声发射探头、超声接收探头与管道中心处于同一纵向截面内；该测试方法包含如下步骤：1)当两相流的连续相为导电相时，将电学传感器用作电导传感器获取水相含率εw与油相含率εo；当连续相为非导电相时，将电学传感器用作电容传感器获取水相含率εw与油相含率εo2)利用水相含率εw与油相含率εo计算两相流混合密度ρm＝εwρw+εoρo、粘度μm＝εwμw+εoμo与声速cm＝cwεw+coεo，其中ρw与ρo分别为水相密度与油相密度，μw与μo分别为水相粘度与油相粘度，cw与co分别为水中声速与油中声速；3)确定超声多普勒探头的测量空间，该测量空间为三维立体结构，其在管道截面方向投影为椭圆形，在管道剖面方向投影为近似菱形的四边形，分散相流经该区域时，其速度信息可以被超声接收探头有效获取，引入水力学直径的概念将其等效为一球形区域，计算测量空间的等效高度其中，测量空间理论高度Hi=2Lensin(θ-α)sin(θ+α)sin(π-2θ),]]>宽度W=d+2(4R+d4sinθ-L),]]>长度Len=dsinθ+d2tanθ+2R+d-2Lsinθ2tan(θ-α)+R-Lsinθtan(θ+α),]]>L=d24λ]]>为超声近场区域长度，d为超声多普勒探头直径，λ为超声波波长，R为管道内半径，α＝sin‑1(1.22λ/d)为超声发射探头的发射角；4)计算超声接收探头获取的超声信号频率f与超声发射探头所发射的激励超声信号频率f0间的频率差fd＝f‑f0，并计算测量空间中的平均流速其中为平均频率差，Sd(fd)为超声频移的功率谱；5)利用两相流混合密度ρm与混合粘度μm，建立管道中与距离管壁位置zi处流体流速ui的分布关系ui+=2.5ln(ziρmuτμm1.5(1+rR)1+2(rR)2)+5.5,]]>其中ui+=ui‾uτ]]>为无量纲流速，且为位置zi处的平均流速，uτ为边界流速，r为位置zi距离管道中心的距离且r＝R‑zi；6)根据5)中的流体流速ui的分布关系与测量空间等效高度H，建立测量空间中多普勒测量流速与边界层流速uτ间关系udop=uτfH+2.5uτln1.5uτρmRμm+5.5uτ,]]>其中，系数fH=2.5[lnR2-H2R2+2H2+R2H2lnR2R2-H2+R22H2lnR2R2+2H2];]]>7)对ln uτ进行级数展开lnuτ=(uτ-1)+Σm=0∞(-1)m(uτ-1)mm+1≈uτ-D,]]>m为级数展开的阶数，参数D为ln uτ级数展开的高次项之和，液液两相流下的一般取值范围为2‑5之间，其他应用条件下可通过实验数据以及级数展开方法推算8)将ln uτ＝uτ‑D代入6)关系式中，求解计算边界层流速其中系数a＝B，b＝B+B ln K‑B*D，c＝‑udop，A＝fH+5.5，B＝2.5，9)通过两相流混合密度ρm、粘度μm以及边界层流速uτ，计算总流速n为不同流态下的摩擦指数，当水为连续相时n＝‑0.25，当油为连续相时n＝‑0.2；将水相含率εw与油相含率εo分别代入得到水相流速Jw＝J*εw和油相流速Jo＝J*εo。...

【技术特征摘要】

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