一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法技术

本发明专利技术公开一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法，包括以下步骤：利用基于MEMS三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计进行管道气相流量测量，从辅助测量轴输出信号中消除重力偏置电压；将旋进漩涡敏感轴或流体主冲击轴的输出信号与消除重力偏置电压后的辅助测量轴的输出信号进行差动处理；将差动处理后的输出信号进行快速傅里叶变换，提取漩涡进动频率；利用漩涡进动频率与气相流量关系，建立单相仪表输出系数K；重复上述步骤进行湿气实验，提取湿气漩涡进动频率；基于量纲分析法，利用单相仪表系数K与湿气漩涡进动频率建立基于湿气仪表系数K

【技术实现步骤摘要】
一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法


[0001]本专利技术属于流量测量
，涉及一种基于MEMS三轴加速度传感器的旋进漩涡检测技术的湿气流量测量方法。

技术介绍

[0002]湿气两相流广泛存在于石油、天然气、发电、航空航天等领域，一般是指体积含气率大于95％或Lockhart
‑
Martinelli参数不超过0.3的气液两相流。美国石油学会(API)定义的三种湿气类型中，第I类湿气为超低含液率，其体积含气率一般大于99.5％。在中国，第I类湿气通常存在于低渗透气田井口产出气中，一般使用旋进漩涡流量计或孔板流量计等单相气体流量计直接计量并不修正，其中旋进旋涡流量计的使用占据了90％以上的市场份额。然而，由于湿气中液相含率的影响，通常会产生7％
‑
15％的测量误差，随着技术进步，井口湿气计量水平亟待提升。旋进漩涡流量计作为一种速度式流量计，采用先进的微处理技术，具有功能强、流量范围宽、操作维修简单、安装使用方便等优点，主要技术指标达到国外同类产品的先进水平的新型气体流量仪表。旋进旋涡流量计广泛应用于石油、化工、电力、冶金、城市供气等行业测量各种气体流量，是目前油田和城市天然气输配计量和贸易计量的首选产品。
[0003]但是在工业计量中，除漩涡进动信号外，还包含流体脉动噪声、管道机械振动等其他各种干扰噪声信号，这些干扰噪声载荷是非常复杂的。现有的旋进漩涡流量计所使用的压电传感器存在难以同时区分漩涡进动信号与干扰噪声信号的问题，这为后续的信号处理以及进动频率提取增加了极大的难度。尤其是在测量较低流速时，旋涡进动频率信号较弱，易被干扰噪声所淹没，测量效果较差。
[0004]MEMS三轴加速度传感技术的快速发展为漩涡进动频率信号检测提供了新的可能，将其代替旋进漩涡流量计的压电传感器可实现管道中三维空间的流体漩涡进动信号测量，获得更多有价值的流体信息。同时，依据漩涡进动信号与流体脉动噪声、管道机械振动等其他各种干扰噪声信号作用力方向的差异性，基于三轴加速度传感器三轴测量的双差动技术可以有效消除干扰噪声。
[0005]旋进漩涡流量计根据强迫振动的漩涡进动原理实现流量的测量。但是当单相旋进漩涡流量计应用于湿气流量测量时，由于气体中存在游离的液相(水或油)，将会减弱旋涡进动从而导致进动频率信号检测结果不同于干气，导致流量计的计量误差较大，甚至会使旋进漩涡流量计无法正常工作。为此，国内外学者在湿气旋进旋涡流量测量方面做了许多尝试，以提高流量计用于湿气测量时的精度。如文献[1]Hua和Geng针对旋进漩涡流量计测量湿气时的气体流量读数误差进行了分析，研究发现，气流中夹带的液体与同等气体流量相比，容易导致流量计的气体流量读数出现负偏差。当与液体分数密切相关的Lockhart
‑
Martinelli参数大于阈值时，旋进漩涡流量计将因漩涡进动消失而无法正常工作。此外，还发现流量计的液相导致的气体流量读数误差主要取决于洛马参数和气体密度弗劳德数。随后，文献[2]Hua和Geng设计并研究了一种基于旋进漩涡流量计两种不同输出信号(漩涡进
动频率和压差)组合的低压湿气流量计，建立了基于两个关联式的联立方程组的湿气测量模型，并给出了迭代求解算法。文献[3]徐英等人通过在旋进漩涡流量计两端并联差压变送器发现，当体积含液率大于0.50％时，由于液相流量过大，破坏了漩涡的进动信号，导致旋进漩涡流量计的测量结果失真。通过增加幂指数形式的无量纲湿气修正项的方法，建立了频率和压降参数的对偶模型，使旋进漩涡流量计的湿气测量能力得到了进一步提升。专利CN 216081610 U为测量水蒸汽和天然气混合流量，在旋进漩涡流量计的流体流动腔内沿流体的流动方向增设一个压力传感器，并在两个压力传感器之间设置节流件使得节流件的上下游产生差压，通过两个压力传感器来检测节流件上下游的压力处理后得到差压，通过进动频率检测元件检测得到流体的体积流量，流量积算仪根据传感器采集到压力、温度、差压、体积流量等参数可以计算出混合的多相流中各组分各自的流量，上述进动频率检测元件依旧为压电晶体，且结构复杂，所需传感器较多，成本较高。
[0006][1]Chenquan Hua,Yanfeng Geng.Investigation on the swirlmeter performance in low pressure wet gas flow[J].Measurement,2011,44(5).
[0007][2]Chenquan Hua,Yanfeng Geng.Wet gas meter based on the vortex precession frequency and differential pressure combination of swirlmeter[J].Measurement,2012,45(4).
[0008][3]徐英，王森菱，张涛，刘烨，巴玺立.基于对偶模型的超低含液率湿气双参数测量方法[J].天津大学学报,2022,55(07):665
‑
671.

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法。
[0010]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0011]一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法，基于安装有三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计，通过旋进漩涡流量计进行管道流量测量时，三轴加速度传感器中，与流体方向一致的定义为流体主冲击轴；与插入管道方向一致的定义为辅助测量轴；垂直于流体方向与插入方向所组成平面的定义为旋进漩涡敏感轴，包括以下步骤：
[0012](1)通过旋进漩涡流量计进行单相气体流量测量，并消除辅助测量轴输出信号中的重力偏置电压；
[0013](2)将旋进漩涡敏感轴或流体主冲击轴的输出信号与消除重力偏置电压后的辅助测量轴的输出信号进行差动处理；
[0014](3)将差动处理后的输出信号进行快速傅里叶变换，提取漩涡进动频率；
[0015](4)利用漩涡进动频率与单相气体流量的关系，得到单相仪表输出系数；
[0016](5)重复步骤(1)
‑
(4)进行湿气测量实验，提取湿气的漩涡进动频率，基于量纲分析法，利用单相仪表系数与湿气的漩涡进动频率建立旋进漩涡流量计量模型，实现湿气流量的测量。
[0017]进一步的，步骤(5)中利用单相仪表系数K与湿气的漩涡进动频率建立基于湿气仪表系数K
’
的旋进漩涡流量计量模型，具体公式如下：
[0018]Q
g
＝f/K
’
[0019]K
’
＝K
·
[1+K
a
·
(1
‑
GVF)/GVF]b
[0020]式中，f为漩涡进动频率；K为单相仪表系数；K
’
为湿气仪表系数；G本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法，基于安装有三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计，通过旋进漩涡流量计进行管道流量测量时，三轴加速度传感器中，与流体方向一致的定义为流体主冲击轴；与插入管道方向一致的定义为辅助测量轴；垂直于流体方向与插入方向所组成平面的定义为旋进漩涡敏感轴，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过旋进漩涡流量计进行单相气体流量测量，并消除辅助测量轴输出信号中的重力偏置电压；(2)将旋进漩涡敏感轴或流体主冲击轴的输出信号与消除重力偏置电压后的辅助测量轴的输出信号进行差动处理；(3)将差动处理后的输出信号进行快速傅里叶变换，提取漩涡进动频率；(4)利用漩涡进动频率与单相气体流量的关系，得到单相仪表输出系数；(5)重复步骤(1)
‑
(4)进行湿气测量实验，提取湿气的漩涡进动频率，基于量纲分析法，利用单相仪表系数与湿气的漩涡进动频率建立旋进漩涡流量计量模型，实现湿气流量的测量。2.根据权利要求1所述一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法，步骤(5)中利用单相仪表系数K与湿气的漩涡进动频率建立基于湿气仪表系数K
’
的旋进漩涡流量计量模型，具体公式如下：Q
g
＝f/K
’
K

【专利技术属性】
技术研发人员：徐英，魏传顺，袁超，李涛，张雨萌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：