CN101162165A - 基于电容传感器与标准文丘里管的低含气率气液两相流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公开了一种基于电容传感器与标准文丘里管的低含气率气液两相流测量装置。该装置由计量管道、计量管道前端的电容传感器、计量管道中部的混流器、计量管道后端的标准文丘里管和温度传感器、与标准文丘里管连接的差压传感器、A/D转换卡和计算机组成。电容传感器经A/D转换卡接计算机。本发明体积小，结构简单，安装方便，压损相对低，同时具有可获测量参数多、流量检测精度高、实时性好等特点。适用于油气等低含气率气液两相流的测量。

Description

基于电容传感器与标准文丘里管的低含气率气液两相流测量装置

所属技术领域

本发明涉及一种基于电容传感器与标准文丘里管的低含气率气液两相流测量装置。

背景技术

气液两相流广泛存在于石油、化工等领域，气液两相流动系统的复杂性给气液两相流流量、密度和分相含率等参数的测量带来很多困难。对气液两相流流量、密度和分相含率的检测已引起工程技术人员的关注并成为当今气液两相流领域研究的热点和难点之一。目前对气液两相流参数检测主要采取以下四种方法：(1)应用传统的单相流仪表结合两相流参数测量模型的方法。这种方法可以直接应用成熟的单相流仪表测量两相流参数，是人们一直努力研究的方向之一，但需要两个测量元件，且两相流流动形态的复杂变化对测量精度影响很大；(2)应用近现代新技术。这种方法具有非接触性、精度高等特点，但是装置比较复杂，价格昂贵，使用条件要求高，对测量现场要求苛刻，在工业现场应用难度很大；(3)在成熟的硬件基础上以计算机技术为支撑平台，应用软测量方法测量两相流参数。这种方法目前还不成熟，需要有成熟的硬件支持，设备价格也比较贵，且精度不高，适用范围较小；(4)应用先进信号处理和智能方法测量两相流参数。利用信号处理技术和智能方法，可以从两/多相流的波动信号中获取许多重要但又难以直接获取的参数和信息，具有成本低、硬件简单等优点。

另一种常用的计量方法是将气液两相流近似成均相流，利用单相流量计如节流式流量计等来获取流量，但是得到的流量是气液两相总体积流量，无法获取各分相含率和分相流量数据。密度计结合单相流量计虽能解决分相测量问题，但是实际使用时测量精度不够理想，成本也很高。常用的振动管密度计对介质的温度、压力等现场状况十分敏感。而射线密度计又存在安全问题，对操作条件要求高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电容传感器与标准文丘里管的低含气率气液两相流测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：对低含气率气液两相流流量、密度和分相含率测量的方法的基本原理如下：在计量管道上，首先安装一个电容传感器，电容传感器用来获取气液两相流的空隙率，在电容传感器后面安装一个混流器，这个混流器将气液两相流搅拌成均相流，此时的均相流可以看作单相流，在混流器后面安装一个标准文丘里管，标准文丘里管用来测量气液两相流总体积流量。

基于电容传感器与标准文丘里管的低含气率气液两相流测量装置具有计量管道，在计量管道上依次设有电容传感器、混流器、标准文丘里管和温度传感器，标准文丘里管配套安装有差压传感器，电容传感器、差压传感器和温度传感器与A/D转换卡相连，A/D转换卡与计算机相连。

本发明的有益效果是：在不进行气液两相分离的情况下，利用电容传感器与标准文丘里管同时测量流体总流量、密度和气液两相的分相含率及流量，提高了气液两相流参数测量的精度和实时性。也可用于石油工业中的油气两相流系统的测量，相对于现有的多种测量方法，本实用新型的特点是用传统的单相流量测量仪表巧妙组合解决工程测量问题。应用电容传感器与标准文丘里管组合同时测量油气两相流总体积流量、混合密度、分相含率、分相体积流量和分相质量流量。测量可靠、稳定、精度高，适用范围广、安装方便、体积小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图

1是计量管道，2是电容传感器，3是混流器，4是标准文丘里管，5是差压传感器，6是温度传感器，7是A/D转换卡，8是计算机

具体实施方式

待测气液两相流进入计量管道1后，先通过电容传感器2，电容传感器2获取管路截面上的电容分布并将电容分布值经A/D转换卡7送入计算机8，然后气液两相流经过混流器3，混流器3使气液两相流混合均匀成为均相流。差压传感器5与标准文丘里管4配套安装。差压信号转换成标准电信号经A/D转换卡7送入计算机8。温度传感器6用来检测气液两相流温度T并将温度信号转换成标准电信号经A/D转换卡7送入计算机8。在计算机8中设有存储模块，存储有气液两相在不同温度下的密度以及标准文丘里管的流量系数、开孔面积等数据。计算机8对电容数据和差压数据进行实时处理，获取气液两相流混合密度、分相含率和分相流量。

实现气液两相测量的测量方法按如下具体步骤进行：

(1)将整个成像区域(即管截面)用三角有限元划分为54个象素，

计算每个象素点的灰度值，计算公式如下：

$f_j=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{s}_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{\mathrm{ij}}---\left(1\right)$

式中：

f_j为第j个像素灰度值，N为电容传感器提供的测量一个管截面上电容分布时的电容个数(例如，对于具有n个电极的电容传感器， $N=\frac{n(n-1)}{2}$ )，c_i为第i个测量电容的归一化值，s_ij为第j个像素相对于第i个测量电容值的权重系数(即灵敏度)，具体数值通过有限元分析并辅助实际测量校正获得。

(2)计算一个管截面上的空隙率值，计算公式如下：

$\mathrm{\β}=[1-\left(\underset{j=1}{\overset{54}{\mathrm{\Σ}}}{f}_j\frac{A_j}{A}\right)]\×100\%---\left(2\right)$

式中：

β为气液两相流的空隙率(即气相的分相含率)，A_j为第j个象素的面积，A为测量管道的截面面积。

(3)应用标准文丘里管测量气液两相流总体积流量，测量原理满足贝努力方程和连续性方程，因此根据节流原理得到

$q_v=\mathrm{\α\ϵ}{A}_0\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(3\right)$

式中：

q_v为气液两相流的总体积流量，标准文丘里管提供的管道压差Δp由差压传感器获取，A₀为标准文丘里管的开孔面积，α为标准文丘里管的流量系数，当流体雷诺数大于临界雷诺数时，α为一常数，具体数值由实验标定，ε为可膨胀性系数，其值小于或等于1，对于不可压缩性流体，则ε＝1。对于低含气率的气液两相流，由于气相含率很小，此时的气液两相流可视为不可压缩流体，因此ε＝1，ρ为流经标准文丘里管的气液两相流混合密度，对于均相流，ρ的计算公式如下：

ρ＝βρ₁+(1-β)ρ₂    (4)

(4)计算气液两相流的分相含率和分相流量，计算公式如下：

气相的含率为        x₁＝β

液相的含率为        x₂＝1-β

气相的体积流量为    q_v1msm＝x₁q_v

液相的体积流量为    q_v2ms＝x₂q_v

气相的质量流量为    q_m1＝ρ₁q_v1msm

液相的质量流量为    q_m2＝ρ₂q_v2msm

式中：

ρ₁、ρ₂分别为温度为T时气相和液相的密度，温度T由温度传感器获取，x₁、x₂分别为气相和液相的含率，q_v1msm、q_v2msm分别为气相和液相的体积流量，q_m1、q_m2分别为气相和液相的质量流量。

Claims (1)

1.一种基于电容传感器与标准文丘里管的低含气率气液两相流测量装置，其特征在于它具有计量管道(1)，在计量管道(1)上依次设有电容传感器(2)、混流器(3)、标准文丘里管(4)、温度传感器(6)，标准文丘里管(4)配套安装有差压传感器(5)，差压传感器(5)、温度传感器(6)、电容传感器(2)与A/D转换卡(7)相连，A/D转换卡(7)与计算机(8)相连。

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