【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于分布式超声传感器的水平油气水段塞流液塞区持气率测量方法
技术介绍
1、水平油气水三相流流动现象广泛地存在于石油、化工等重要工业生产过程；由于气液、液液界面的复杂作用关系，水平油气水三相流通常呈现多尺度流动结构特征，其中油气水段塞流是水平管内最常见的复杂流型；水平油气水段塞流呈现液膜区与液塞区交替出现的拟周期运动；液塞区中水为连续相，其中充斥着非均匀分布的气泡及油滴；水平油气水段塞流液塞区分相持率测量对认识相间传热/传质规律及揭示流型转换机理有重要意义；
2、超声测量技术作为一种非侵入式测量技术，对流体几乎没有干扰，不受被测流体的腐蚀和矿化影响，可以工作在极端环境下，同时具有精度高、速度快等优点；单模态超声传感策略难以满足水平油气水三相流复杂流型流动参数测量，学者多采用多模态的组合传感系统对水平油气水三相流分相持率、速度及流量进行测量(ieee transactions oninstrumentation and measurement,vol.70,pp.1-9,2021；chemical engineeringjournal,vol.427,pp.131982,2022)；先前学者对于三相流流动参数的测量一般针对于特定的、简单的流动结构，如分层波状流,尚缺乏油气水段塞流流动参数的有效测量方法；考虑到油气水三相流中复杂的声传播特性，如何架构新型的超声传感结构，如何解析超声传感器响应信号是值得思考的问题；
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提出一种
2、一种水平油气水段塞流液塞区持气率测量方法，所采用的测量装置包含上位机、分布式超声传感器测量系统和电导网格传感系统，两个系统分别包含分布在同一个管道上的两组传感部分，一组传感部分采用分布式超声传感器，包括四个分布在管壁上的超声探头a，b，c，d，其中，d为发射探头，用作发射脉冲式超声波，a、b和c探头用作接收超声信号，称为接收器；发射探头d位于管道底部，与接收器a正对，且接收器b和c位于接收器a两侧；分布式超声传感器测量系统和电导网格传感系统所采集的数字信号被传输至上位机；
3、根据超声传播路径将管道径向截面分为主瓣区域和副瓣区域；主瓣区域，即区域ⅰ，副瓣区域分布在主瓣区域两侧，即区域ⅱ、ⅲ，区域ⅰ与区域ⅱ、ⅲ之间的分界线由发射器d的边缘与接收器a和b、接收器a和c之间圆弧中点的连线确定；
4、另一组传感部分采用电导网格传感器，包括激励电极ti与接收电极rj，各激励电极相互平行，位于管道同一径向截面，而各接收电极在管道的另一径向截面上相互平行排列，激励电极和测量电极在管道内形成交叉点；通过依次激励激励电极ti，获得电导网格传感器的一帧数据，该数据反映管道径向截面上所有交叉点处的相分布信息；为标记对激励电极的激励信号ve的激励次序，设电导网格传感器输出标记信号vmark，该标记信号是与激励信号ve周期相同的方波，电导网格传感器获得的数据被传输至上位机；
5、开展水平油气水三相流实验，以获取分布式超声传感器及电导网格传感器响应信号；针对油气水段塞流液塞区，进行如下的数据处理：
6、s1，进行接收器a的脉冲峰值序列的振幅-频率联合分析，经过经验模态分解(emd)方法，获得分解后的表征不同频率的imf分量，对于高频分量进行幅值阈值处理，通过从接收器a脉冲峰值序列中减去经过处理的高频分量，得到消除油滴影响的接收器a的脉冲峰值序列；
7、s2，利用电导网格传感器测量响应信号实现油气水三相段塞流管道径向截面成像，提取区域ⅰ、ⅱ和ⅲ中的持气率及气泡半径；
8、s3，计算区域i中平均气泡半径及其归一化值其中d为管道内径，
9、建立与电导网格传感器测量的区域i持气率的关系；采用slogistic函数描述与区域i持气率的关系；
10、s4，根据步骤s3，建立基于三相流气泡大小的修正的mcbl模型，描述超声透射波衰减系数α与区域i持气率的关系；
11、s5，计算接收器a接收到的超声透射波衰减系数α，将计算得到的α带入修正的mcbl模型，得到由接收器a测量的区域i持气率
12、s6，基于chapman函数建立的统计模型，获得分别由接收器b和c测量的区域ⅱ、ⅲ持气率ygⅱ,b和ygⅲ,c；
13、s7根据区域i、ⅱ和ⅲ的面积，对ygⅱ,b和ygⅲ,c三者进行加权平均，实现油气水段塞流液塞区在整个管道径向截面上持气率ygdus的测量。
14、进一步的，步骤s1的方法如下：
15、s11，使用经验模态分解(emd)方法将接收器a的脉冲峰值序列vamp分解成一系列固有模态函数(imf)以及剩余部分的线性叠加；通过从高频到低频逐步提取原始信号的各尺度分量，将分解得到的模态函数按照频率由高到低的顺序排列imfi为分解后的表征不同频率的信号分量，对不同的imf分量进行快速傅里叶变换以获得相应的频谱；
16、s12，预设阈值对高频分量imf1进行幅值阈值处理，imf1中幅值高于阈值的信号予以置0处理；imf1中幅值低于阈值的信号保留其数值，获得经过处理的imf1分量，通过从接收器a脉冲峰值序列中减去经过处理的imf1分量，即可得到消除油滴影响的接收器a的脉冲峰值序列
17、进一步的，步骤s2的方法如下：
18、s21，油气水三相段塞流管道径向截面成像，计算瞬时持水率矩阵ywwms(x，y，k)，将ywwms(x，y，k)转化为二维可视化图像；
19、s22，去除管道径向截面成像结果中的油相分布，保留水相和气相分布，将圆度低于阈值θ的区域视为黏连的油滴，按水相处理；将位置低于高度限定值的区域设置为水相，得到去除油相以后的瞬时持水率矩阵
20、s23，基于矩阵计算管道径向截面的气泡半径。
21、进一步的，s21的方法如下：
22、读取标记信号vmark，并提取其上升沿，第i个上升沿表示当前激励信号被施加到激励电极ti；对于第k帧数据，当激励电极ti在激励状态时，计算接收电极rj的极差，记作vm(i,j,k)，对vm(i,j,k)进行归一化处理，得到归一化矩阵vn(i,j,k)：
23、
24、其中vw(i,j)和vo(i,j)分别为管道充满水与油时的标定数据，vn(i,j,k)与每个交叉点处的局部持水率近似为线性关系；
25、采用步长h的三次样条插值方法对vn(i,j,k)进行插值，得到插值矩阵vip(x,y,k)，其中x和y分别代表矩阵的水平和垂直坐标，插值矩阵vip(x,y,k)被视为瞬时持水率矩阵ywwms(x，y，k)将ywwms(x，y，k)转化为二维可视化图像。
26、进本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水平油气水段塞流液塞区持气率测量方法，所采用的测量装置包含上位机、分布式超声传感器测量系统和电导网格传感系统，两个系统分别包含分布在同一个管道上的两组传感部分，一组传感部分采用分布式超声传感器，包括四个分布在管壁上的超声探头A，B，C，D，其中，D为发射探头，用作发射脉冲式超声波，A、B和C探头用作接收超声信号，称为接收器；发射探头D位于管道底部，与接收器A正对，且接收器B和C位于接收器A两侧；分布式超声传感器测量系统和电导网格传感系统所采集的数字信号被传输至上位机；
2.根据权利要求1所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤S1的方法如下：
3.根据权利要求1所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤S2的方法如下：
4.根据权利要求3所述的持气率测量方法，其特征在于，S21的方法如下：
5.根据权利要求3所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤S23的方法如下：
6.根据权利要求5所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤S233识别气泡的方法如下：
7.根据权利要求1所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤S
8.根据权利要求1所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤S5中，计算接收器A接收到的超声透射波衰减系数α的公式如下：
9.根据权利要求1所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤S6的方法如下：接收器B和C测量信号的归一化形式分别为和表示为：
10.根据权利要求1所述的持气率测量方法，其特征在于，分布式超声传感器测量系统包括所述含有分布式超声传感器的激励模块、信号调理模块、FPGA模块、信号采集及数据传输模块。激励模块在FPGA控制信号作用下产生激励脉冲，发射探头D受激励信号作用产生脉冲式超声波；经过管道内水平油气水三相流流体的透射、散射作用之后，超声波被探头A、B和C接收并转换成三个微弱的电信号。经过信号调理模块幅值放大及带通滤波后，通过信号采集模块转为数字信号。在FPGA内进行预处理后，经数据传输模块上传至上位机。
...【技术特征摘要】
1.一种水平油气水段塞流液塞区持气率测量方法，所采用的测量装置包含上位机、分布式超声传感器测量系统和电导网格传感系统，两个系统分别包含分布在同一个管道上的两组传感部分，一组传感部分采用分布式超声传感器，包括四个分布在管壁上的超声探头a，b，c，d，其中，d为发射探头，用作发射脉冲式超声波，a、b和c探头用作接收超声信号，称为接收器；发射探头d位于管道底部，与接收器a正对，且接收器b和c位于接收器a两侧；分布式超声传感器测量系统和电导网格传感系统所采集的数字信号被传输至上位机；
2.根据权利要求1所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤s1的方法如下：
3.根据权利要求1所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤s2的方法如下：
4.根据权利要求3所述的持气率测量方法，其特征在于，s21的方法如下：
5.根据权利要求3所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤s23的方法如下：
6.根据权利要求5所述的持气率测量方法，其特征在于，步骤s233识别...
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