CN100394170C - 两相流体网丝电容层析成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了两相流体网丝电容层析成像方法，介入式网丝电容的每根绝缘网丝都为一条投影射线，其投影值等于网丝的电容值，介入式网丝电容器的一极为绝缘线内的金属芯，另一极则由两相流体中的导电相与网丝的接触面或润湿面而形成，表层的绝缘层充当电极间的电介质，并确定其电容值；通过电动旋转或自旋转驱动装置带动，介入式网丝电容传感器对管线中的两相流体进行高速旋转扫描，获取两相流体在管线横截面上的各个方向的投影信息，得到两相流体流动的实时图像。介入式电容传感器也可以是固定形式，通过测量空间交叉点处的电容值，确定两相流体各相组分在整个管道或容器横截面上的局部分布信息，无须经过图像重建运算直接获取两相流体的实时图像。

Description

两相流体网丝电容层析成像方法

本申请是申请号200410026282.9，名称为“两相流体网丝电容层析成像方法”专利申请的分案申请，原申请日为2004年6月29日、发明名称为“两相流体网丝电容层析成像方法”。

技术领域

本发明涉及两相流体层析成像，尤其涉及两相流体网丝电容层析成像方法。

背景技术

两相流动现象广泛存在于石油、化工、能源动力等工程领域，但至今有关两相流动的机理和数值模拟计算仍然十分粗糙，不能适应现代工程发展的需要。其中最主要的原因是缺乏有效的两相流检测手段，尤其是有关两相流动过程中的多维动态测量手段。在多相流参数检测中，过程层析成像技术可以获得多相流体的二维/三维的时空局部微观分布信息，这为流动特性复杂多变、常规方法检测参数难度较大的多相流领域提供了一条十分有效的在线测量和监测途径，对于深入揭示多相流动的基本规律，推动多相流理论的发展和工程应用具有重要的意义，是目前多相流参数检测技术研究发展的前沿和趋势之一。

X和γ射线层析成像技术是最早发展的两种过程层析成像技术，其检测原理是依据放射线穿透被测两相/多相流体时产生的衰减(被介质吸收或散射)作用进行成像的。它们是目前理论上最成熟和完备的过程层析成像技术，也是医学CT技术在两相流/多相流参数检测领域中的直接应用和延伸。但在流动成像中该技术最明显的缺点是实时性差，成本较高、安全性差。

目前研究和应用的非介入式电容层析成像系统通过测量布置于管道壁上的电容电极对之间的电容来进行成像，如中国发明专利ZL01112515.2。制约这些层析成像系统提高成像速度和质量的主要原因是其“软场”特性。两电极或两电极组之间的电场分布受两相介质的分布影响很大，测量所得的电容值(“投影值”)与整个截面上的相分布有关，不象X-CT和γ-CT那样存在明确的投影路径(射线方向不受两相介质分布的影响)，“投影值”与路径外的相分布无关，仅取决于投影路径上的两相介质分布。这种“软场”特性不但明显降低了电容的检测灵敏度，而且还使图像重建过程变得十分复杂，常需采用复杂的迭代算法耗费大量的计算时间才能完成，即使这样仍然难以取得满意的效果。另外，由于非介入性和“软场”特性的影响，使得该电容测量系统对两相流体各相组分浓度及分布的变化(即介电常数的变化)的灵敏度远没有诸如X和γ射线这种“硬场”特性的层析成像方法所测得的投影数据灵敏度高，从而明显影响了成像质量。

美国专利US4644263提出了一种网格状的传感器来测量原油中的含水率，它由两层导线组成，同一层内导线分布相互平行，不同平面的导线分布方向相互垂直，两层导线之间不互相接触。当通过导线空间交叉点的流体为水相时，两根导线导通，测量电路中的计数器进行记数；而当为油相时，两根导线处与断路状态，计数器不响应。这样通过计数器的记数值就可以测量出原油的含水率。此发明只具有测量含水率功能，无法进行实时成像。

Reinecke于1998年提出了一种新的电导式层析成像方法(N.Reinecke，G.Petritsch，M.Boddem，D.Mewes.Tomographic imaging of the phasedistribution in two-phase slug flow.Int.J.Multiphase Flow，1998，24(4)No：617-634.)，共由三层平行不锈钢导线组成，层间距为3mm，相邻两根平行导线之间的距离为2mm，导线的直径等于100μm。每层平行导线的方向各不相同，各代表一个投影方向，于是3层导线就形成3个投影方向，而两根相邻的平行导线就相当于一束“射线”，其“投影值”等于这两根导线之间的电导，该电导值主要取决于这两根导线之间的两相介质(文中为水和空气)分布或体积含液率(不考虑两导线周围的流体对电导的影响)。因此这种测量场在形式上已属一种“硬场”了。在图像重建时，由于只有3个投影方向，可获得的测量值(“投影值”)的数目远小于所要重建的像素数目，因而不可能直接应用医学CT的成熟算法，而需要根据所测流型的特点(Reinecke仅研究了弹状流)先给出合理的初始图像(相分布)，再结合一定的经验规则应用迭代算法才能完成图像重建。Reinecke提出的这种成像方法在克服“软场”特性方面向前迈出了一大步，但由于未考虑两导线外周围流体对电导的贡献，因而存在明显的缺陷，直接影响了图像重建过程，因此还不能说该方法已完全解决了“软场”问题。

美国专利US6314373在美国专利US4644263的基础上提出了另一种新的电导式层析成像方法。该专利的发明人Prasser声称其方法可免去冗长的图像重建计算，能直接在信号检测过程中输出层析图像，实现高速两相流层析成像。电导敏感阵列由2层相互垂直的平行电极组成，电极为直径等于0.12mm的裸露导线，层间距为1.5mm，相邻两根平行电极之间的距离等于3mm。该装置利用水平与垂直电极所形成的交叉结点(空间交叉)组成一种局部电导“探针”，于是两电极之间的电导主要取决于结点区的两相介质分布，通过依次测量各交叉电极之间的电导，就能直接得出流通截面上各个结点区的局部相分布，而不需要经过复杂的图像重建运算。但这种方法也存在一个十分明显的问题，这就是未考虑结点区外围的两相流体对电导的贡献对图像重建精度的影响，因而直接根据电导值重建结点区的相分布就会造成较大的误差，而且液相的电导率愈高，外围流体的影响也愈大。

美国专利US5210499提出了一种嵌入到树脂材料中的网格分布的传感器系统，它是通过测量空间交叉点的电阻来实时监测树脂材料的加工过程。与其他专利不同的是，这项专利中，树脂材料的流动方向与网格平面相平行而不是相垂直，显然，这种装置无法实现对两相流体的实时成像。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供采用介入式的新型的网丝电容传感器，实现对两相流进行实时成像的层析成像方法。

两相流动系统是一个快速多变的动态系统，要实现两相流的多维动态测量必须考虑到两相流层析成像速度和精度，同时兼顾经济性、安全性等因素。

实现上述发明目的的技术解决方案是，一种两相流体网丝电容层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先根据流道流通截面的形状和测量精度，布置介入式网丝电容传感器，介入式网丝电容的每根绝缘网丝都为一条投影射线，其投影值等于网丝的电容值，介入式网丝电容器的一极为绝缘线内的金属芯，另一极则由两相流体中的导电相与网丝的接触面或润湿面而形成，表层的绝缘层充当电极间的电介质，其电容值为

$C=\frac{2\mathrm{\π\ϵl}}{\ln \left(\frac{d_2}{d_1}\right)}$

式中，ε为绝缘材料的介电常数，l为导电相的润湿长度，d₁为金属芯的直径，d₂为绝缘线外径；

2)通过电动旋转或自旋转驱动装置带动，介入式网丝电容传感器对管线中的两相流体进行高速旋转扫描，获取两相流体在管线横截面上的各个方向的投影信息；

3)介入式网丝电容传感器采集的信息送入数据采集系统，并由成像计算机根据采集到的投影数据进行图像重建运算，即可得到两相流体流动的实时图像。

所述介入式网丝电容传感器的网丝由直径小于0.2mm的绝缘导线构成；其中布置有绝缘线层和导线层，两层之间相距很近且相互平行，每层的绝缘线或导线也彼此平行且垂直固定于可旋转的传感器壳体上，旋转机构与管道密封相连；每根绝缘线作为电容传感器中电容的产生极，而它们正后面相对应的导线则是测量对应电容所用的连接导线。

所述介入式网丝电容传感器的绝缘线层和导线层，其形状可以是直线也可以是任意曲线。

本发明的另一种两相流体网丝电容层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先根据流道流通截面的形状和测量精度，布置固定形式的介入式电容传感器，其电容值为

$C=\frac{2\mathrm{\π\ϵl}}{\ln \left(\frac{d_2}{d_1}\right)}$

式中，ε为绝缘材料的介电常数，l为导电相的润湿长度，d₁为金属芯的直径，d₂为绝缘线外径；

介入式电容传感器的绝缘线垂直于管道轴线分布。对应每一条绝缘线，紧接其下游一侧，分布多条导线，导线与管道轴线及流体流动方向平行。每个绝缘线和导线的空间交叉点处都有独立的电容测量电路；

2)当两相流体沿流动方向经过介入式电容传感器时，若测量端与绝缘线之间被导电相占据，电容测量电路处于接通状态，从绝缘线和该导线上能够测量出一定的电容值；反之若被非导电相占据，则电容测量电路处于开路状态，从绝缘线和该导线上测量出的电容值接近于零；

3)在具体测量各个接点的电容值时，同时对所有的绝缘线与各个导线的测量端的空间交叉点处的电容值进行测量，然后通过电容/电压转换、信号放大、A/D转换确定两相流体各相组分在整个管道或容器横截面上的局部分布信息，无须经过图像重建运算直接获取两相流体的实时图像。

所述实时图像是两相流的流型辨识、确定相界面、各相组分在管道横截面上的浓度分布；还可以布置两个或两个以上的介入式电容传感器，确定两相流体中的离散相的颗粒尺寸、运动轨迹等微尺度参数和两相流体的总的流量、各分相流量的测量及流体在管道横截面上速度分布图像。

网丝电极的分布可以根据流通截面的形状和测量精度的要求灵活布置。

网丝由直径小于0.2mm的绝缘导线构成。在检测原理上，每根网丝都相当于一条“投影射线”，其“投影值”等于网丝的电容值。网丝电容器的一极为绝缘线内的金属芯，另一极则由两相流体中的导电相(例如，油水两相流中的水相)与网丝的接触面或润湿面而形成，表层的绝缘层充当电极间的电介质。因此这是一种特殊的圆柱形电容器。由于绝缘层非常薄，d₂≈d₁，所以式(1)中分母的值很小，说明网丝对导电相的润湿长度l具有极高的灵敏度，相对而言非导电相(例如油水两相流中的油相)对电容的影响可以忽略不计，于是“投影值”(从网丝上测得的电容值)完全取决于“投影路径”上的导电相含量，而与“路径”以外的相分布无关，即这种网丝电容的测量场就是一种“硬场”。式(1)所示的关系式已在工程实践中得到充分的验证，例如在工业上广泛应用的单电极电容液位计就是根据该原理而设计的。因此，网丝电容在理论模型和实践上都有坚实的基础，将其应用于两相流层析成像具有切实的可行性，与现有的层析成像方法相比将具有下列明显的优势及特点：相比其他的层析成像方法，本方法在测量原理上仅要求两相流体中有一相具有导电性而另一相不导电，除此而外再与流体的其它物性无关，而且导电相的电导率对测量结果也无影响，只要具有导电性即可，因而具有极强的通用性；网丝的形状可以是直线也可以是任意曲线，能够适应各种特殊流通截面和特殊机构内的测量要求，同时也可以采用数值计算的网格划分形式，便于发展两相流的数值计算；灵敏度高，有利于提高检测精度和检测电路的抗干扰性；投影值与导电相含量成简单的比例关系，十分有利于图像重建，同时也有效地克服了“软场”特性。另外，由于一层导线外包有绝缘漆，因此不存在两相流体的电解及极化问题，这也是相比上述现有技术的优势。

附图说明

图1是介入式的网丝电容层析成像系统图。

图2是网丝电容传感器布置形式图。

图3是网丝电容传感器中绝缘线和导线的剖面结构示意图。

图4是导电相流体分布与测量的电容之间的关系示意图，其中a为网丝布置图，b为a的等效电容电路图；

图5是一种类似电动机结构的旋转装置图。

图6是一种自旋转装置图。

图7是传感器为固定形式时绝缘线和导线布置结构示意图。

下面结合附图和发明人给出的具体实施例对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

图1是依本发明的方法制备的一种介入式的网状电容层析成像系统，它由三个部分组成：介入式电容传感器、数据采集系统及成像计算机。介入式的电容传感器布置形式如图2所示，电容传感器中布置有绝缘线层1和导线层2，两层之间相距很近且相互平行，每层的绝缘线1或导线2也彼此平行且垂直固定于可旋转的传感器壳体4上，旋转机构与管道密封相连。这里每根绝缘线1作为电容传感器中电容的产生极，而它们正后面相对应的导线2则是测量对应电容所用的导线，如图3所示。绝缘线1外涂有一层很薄的绝缘层1b，绝缘层内的金属芯1a是电容的一极，绝缘层是介入式电容器的电介质，电容的另一极为流体的中的导电相(例如，气水两相流中的水相)与网丝的接触面或润湿面而形成。当气或油等非导电流体充满整个管道时，从任一组绝缘线和导线上测得的电容接近于0，若流体全部为水等导电流体时，所测的电容值最大为

$C_{\max }=\frac{2\mathrm{\π\ϵL}}{\ln \left(\frac{d_2}{d_1}\right)}$

从式(2)可以看出，对于每一条绝缘线，在一定的管道直径下，不论导电相流体的种类，最大值C_max是个定值。当气水或油水两相流体沿流动方向3通过网丝电容传感器时，就可以测得一个电容值，这个电容值介于0和最大值C_max之间。具体分析见图4；图中1为绝缘线，2是导线，5为两相流体中的导电相，电容的一极为绝缘线1内的金属芯，另一极为流体的中的导电相(例如，气水两相流中的水相)与绝缘线的接触面，置于管道中的绝缘线长度为L，d₁为金属芯的直径，d₂为绝缘线外径。三个导电相液滴与绝缘线接触，那么通过测量电路测出的电容为

$C_m=C_1+C_2+C_3=\frac{2\mathrm{\π\ϵ}{L}_1}{\ln \left(\frac{d_2}{d_1}\right)}+\frac{2\mathrm{\π\ϵ}{L}_2}{\ln \left(\frac{d_2}{d_1}\right)}+\frac{2\mathrm{\π\ϵ}{L}_3}{\ln \left(\frac{d_2}{d_1}\right)}=\frac{L_1+L_2+L_3}{L}{C}_{\max }$

从式(3)可以看出，测量电路测量出的电容值与导电流体与绝缘线接触的长度成简单的线性关系。这种测量电路在检测原理上类似于X射线或γ射线，每根绝缘网丝都相当于一条“投影射线”，其“投影值”等于网丝的电容值，电容值与导电流体与绝缘线接触的长度成简单的线性关系。

通过上面的分析可以看出，本发明不仅有效地解决了“软场”问题，而且也克服了绝缘线和导线周围的导电相流体对测量结果的影响，另外式(3)所示的简单线性关系不但具有极高的灵敏度，而且也十分有利于图像重建运算。

将介入式网丝电容传感器布置在管道内并通过一定的快速旋转装置进行驱动，即可实现高速层析成像。驱动装置可以如图5、6所示。图5中，驱动机构近似于电动机结构，定子11可以为星型连接的三相交流线圈，转子12通过联轴器与轴10连接。传感器通过轴10和轴承及其支撑13支撑于管道内，为了减少驱动机构对传感器的影响，驱动装置布置在传感器的下游。当定子11通电后，形成旋转磁场，带动转子12高速旋转，使得轴10带动传感器高速旋转。图6为自旋转装置，叶轮14通过轴10与网丝传感器连接，轴10通过轴承及其支撑13固定在管线内。两相流体沿流动方向3流动时，带动叶轮14旋转，从而驱动网丝传感器旋转，旋转速度取决于流体的流动速度和叶轮结构。以上两种旋转装置中，传感器壳体4与管线6之间采用填料式密封装置7进行密封，这种密封装置既可以保证传感器的高速旋转又不会造成传感器壳体与管线之间两相流体的泄漏。高速旋转的传感器中，每条绝缘线和导线都与壳体上对应的导电环连接，导电环再通过电刷8和导线9将网丝电容的信号引至数据采集系统中，实现信号的导出。在驱动装置带动下，介入式网丝电容传感器对管线中的两相流体进行高速旋转扫描，获取两相流体在管线横截面上的各个方向的投影信息，同时计算机根据数据采集系统采集到的“投影数据”进行图像重建运算，得到测量断面上的两相流体流动的实时图像。网丝的数目和形状可以根据流通截面的形状和测量精度的要求灵活布置(如布置成蜘蛛网的形状等等，网丝的稀疏也可以随测量精度及时间分辨率的要求做适当的调整)，也可以不与流动方向垂直而成一定的夹角。

数据采集系统包括电容/电压转换器、信号放大器及A/D转换器，由成像计算机控制，这种数据采集系统在非介入式的电容层析成像系统已成熟应用。

本发明的介入式电容传感器也可以是固定形式，这种层析成像方法无须图像重建运算，可以直接实时成像。介入式电容传感器的网丝布置如图7所示，绝缘线1垂直于管道轴线分布。对应每一条绝缘线1，紧接其下游一侧，分布多条导线2。导线2与管道轴线及流体流动方向3平行，导线之间的间距为1mm左右，测量端2a与绝缘线1之间的间隙为1mm左右，具体值与流体的特性有关。为了消除导线2的测量端1a外周流体对电容测量结果的影响，提高测量精度，导线2只有在测量端2a处金属芯是裸露的，其他地方都包有绝缘层。当两相流体沿流动方向3经过电容传感器时，若测量端2a与绝缘线1之间被导电相5占据，电容测量电路处于接通状态，从绝缘线1和该导线2上能够测量出的一定的电容值；反之若被非导电相占据，则电容测量电路处于开路状态，从绝缘线1和该导线2上测量出的电容值接近于零。在具体测量各个接点的电容值时，通过控制电路，同时对所有的绝缘线1与各个导线2的测量端的空间交叉点处的电容值进行测量，确定两相流体各相组分在整个管道或容器横截面上的局部分布信息，无须经过图像重建运算直接获取两相流体的实时图像。这种介入式电容传感器系统由于每个接点处的投影数据独立采集，因此相互影响较小而且所需的数据采集时间短，成像精度高且速度更快。

通过上述两种层析成像方法，可以实现对两相流体的实时成像，用于流型辨识、确定相界面、各相组分在管道横截面上的浓度分布等；布置同方式的两个或两个以上的介入式网丝电容传感器，确定两相流体中的离散相的颗粒尺寸、运动轨迹等微尺度参数；结合相关测量技术，实现对两相流体的总的流量、各分相流量的测量及流体在管道横截面上速度分布的实时测量。

Claims (2)

1.一种两相流体网丝电容层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先根据流道流通截面的形状和测量精度，布置固定形式的介入式电容传感器，其电容值为

$C=\frac{2\mathrm{\π\ϵl}}{\ln \left(\frac{d_2}{d_1}\right)}$

式中，ε为绝缘材料的介电常数，l为导电相的润湿长度，d₁为金属芯的直径，d₂为绝缘线外径；

介入式电容传感器的绝缘线垂直于管道轴线分布；每个接点处都有独立的电容测量电路，对应每一条绝缘线，紧接其下游一侧，分布多条导线，导线与管道轴线及流体流动方向平行；

2)当两相流体沿流动方向经过介入式电容传感器时，若测量端与绝缘线之间被导电相占据，电容测量电路处于接通状态，从绝缘线和该导线上能够测量出一定的电容值；反之若被非导电相占据，则电容测量电路处于开路状态，从绝缘线和该导线上测量出的电容值接近于零；

3)在具体测量各个接点的电容值时，同时对所有的绝缘线与各个导线的测量端的空间交叉点处的电容值进行测量，确定两相流体各相组分在整个管道或容器横截面上的局部分布信息，无须经过图像重建运算即可直接获取两相流体的实时图像。

2.如权利要求1所述的两相流体网丝电容层析成像方法，其特征在于，所述实时图像是两相流的流型辨识、确定相界面、各相组分在管道横截面上的浓度分布；或者布置两个或两个以上的介入式电容传感器，确定两相流体中的离散相的颗粒尺寸、运动轨迹微尺度参数和两相流体的总的流量、各分相流量的测量及流体在管道横截面上速度分布图像。

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