CN101255791B - 油气水多相流流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气水多相流流量测量装置。它包括油气水多相流流量测量管段和测量电路两部，测量电路的连接关系为：主控制器分别与温度-压力测量电路、超声波测量电路、复阻抗测量电路、电磁测量电路相连接。本发明采用简化后的测量模型，通过测量流体平均流速和分相含率，计算得到分相体积流量。本发明主要针对高含水率的油气水多相流，本发明设计的测量装置体积小、成本低、结构紧凑、无可动部件、无放射性，受流型影响较小，可以进行油气水多相流在线检测。

Description

油气水多相流流量测量装置

技术领域

本发明涉及流量测量装置，尤其涉及一种油气水多相流流量测量装置。

背景技术

油气水多相流中的油相是指油井产出液中的液烃相，气相是指天然气、轻烃、非轻烃气体，水相主要是指矿化水，同时还有极少量的固相(砂、蜡和水合物等)。多相流测量在石油生产、输送过程中具有重要意义。随着工业生产对计量、节能和控制等方面均提出了更高的要求，对多相流参数进行测量的需求也越来越迫切，急需精确、方便的计量多相流参数，提高计量和管理水平，减少分离、控制等设备，提高经济效益。

按流量计计量模式分，多相流量计可分为分离式多相流量计、部分分离式多相流量计和不分离式多相流量计。

不分离式多相流量计是在不作任何分离的情况下直接在线测量，实现油、气、水多相流量计量，具有线实时检测、体积小等优点，是多相流量计发展的主要方向。

多相流量计主要通过对流速、分相含率的测量，计算得到各组分体积流量。分相含率的测量方法主要有：快关阀法、射线吸收法、射线散射法、电学法、核磁共振法、光学法、热学法、超声法、微波法、过程层析成像法等。流速的测量方法主要有：节流法、力学法、相关法、光学法、声学法、热学法、电磁法、核磁共振法、示踪法等。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种油气水多相流流量测量装置。

油气水多相流流量测量装置包括油气水多相流流量测量管段和测量电路两部，测量电路的连接关系为：主控制器分别与温度-压力测量电路、超声波测量电路、复阻抗测量电路、电磁测量电路相连接，油气水多相流流量测量管段包括相连接的第二集流器、电磁测量管段、超声波测量管段、复阻抗测量管段、混相器、第一集流器，电磁测量管段上设有温度传感器、压力传感器、第一励磁线圈、第二励磁线圈、第一电磁电极、第二电磁电极，超声波测量管段上设有第一超声波探头、第二超声波探头、第三超声波探头、第四超声波探头、第五超声波探头、第六超声波探头，复阻抗测量管段上设有第一电导电极、第二电导电极、第三电导电极、第四电导电极。

所述的超声波测量电路包括超声波发射电路和超声波接受电路，超声波发射电路连接关系为：PWM发生器连接非门的输入端，非门的输出端连接第一电阻的一端、第二二极管的负端、P型场效应管的栅极、第二N型场效应管的栅极，P型场效应管的源极连接第一N型场效应管的栅极、第二N场型效应管的漏极，P型场效应管的漏极连接第一电阻的另一端，并与电源相连，第一N型场效应管的漏极连接第二电阻的一端、第一二极管的负端，并与超声波发射器的连接。第一二极管的正端、第二二极管的正端、第一N型场效应管的源极、第二N型场效应管的源极接地；超声波接受电路连接关系为：第四超声波探头接收到的超声波信号接到第二放大器正端，第二放大器的负端连接第二放大器输出端及第一电容的一端，第一电容的另一端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端连接第二电容的一端、第四电阻的一端及第三放大器的正端，第二电容的另一端接地，第四电阻的另一端连接第三电容的一端及第七放大器的输出端，第三电容的另一端连接第三放大器的负端、第五电阻的一端及第七放大器的负端，第七放大器的正端连接第十三电阻的一端和第十二电阻的一端，第十二电阻的另一端连接第五电阻的另一端及第三放大器的输出端。第十三电阻的另一端接地。第三放大器的输出端连接第四放大器的正端，第四放大器的负端连接第十电阻的一端、第七电阻的一端，第十电阻的另一端接地，第四放大器的输出端连接第七电阻的另一端及第五放大器的正端，第五放大器的负端连接第十一电阻的一端及第八电阻的一端，第十一电阻的另一端接地，第八电阻的另一端连接第一可调电阻的一固定端，第一可调电阻的可调端与第一可调电阻的另一固定端、第五放大器的输出端、第一放大器的正端、第六放大器的正端。第一放大器的负端连接第一放大器的输出端及A/D转换器，第六放大器的负端连接第六放大器的输出端及第九电阻的一端，第九电阻的另一端连接第一比较器的正端，第六电阻的一端连接第十四电阻的一端及第七放大器的负端，第十四电阻的另一端接地，第六电阻的另一端接电源，第一比较器的输出端连接计数器。

所述的复阻抗测量电路连接关系为：第十二放大器的正端连接第三二极管的正端、第六二极管的负端、第二十一电阻的一端、第二十三电阻的一端，第三二极管的负端连接第四二极管的负端、第五二极管的正端、第五二极管的负端连接第一稳压管的负端，第一稳压管的正端连接第六二极管的正端、第七二极管的负端，第七二极管的正端连接第四二极管的正端、第二十一电阻的另一端、第十二放大器的输出端、第二十五电阻的一端，第二十三电阻的另一端连接第三可调电阻的一固定端，第十二放大器的负端连接第十一电容的一端、第二十七电阻的一端、第八电容的一端，第八电容的另一端连接第二十五电阻的另一端，第三可调电阻的另一固定端、第三可调电阻的可调端、第十一电容的另一端、第十七电阻的另一端接地，第二十放大器的正端连接第八二极管的正端、第十一二极管的负端、第三十五电阻的一端、第三十九电阻的一端，第八二极管的负端连接第十一极管的负端、第十二极管的正端、第十二极管的负端连接第二稳压管的负端，第二稳压管的正端连接第十一二极管的正端、第十二二极管的负端，第十二二极管的正端连接第九二极管的正端、第三十五电阻的另一端、第二十放大器的输出端、第四十三电阻的一端，第三十九电阻的另一端连接第七可调电阻的一固定端，第二十放大器的负端连接第十三电容的一端、第四十五电阻的一端、第十二电容的一端，第十二电容的另一端连接第四十三电阻的另一端，第七可调电阻的另一固定端、第七可调电阻的可调端、第十三电容的另一端、第四十五电阻的另一端接地，第十二放大器的输出端连接第三十四电阻的一端，第二十放大器的输出端接第三十六电阻的一端。第十八放大器的正端接第三十四电阻的另一端、第三十六电阻的另一端，第十八放大器的负端接第四十四电阻的一端、第四十电阻的一端，第四十四电阻的另一端接地。第十八放大器的输出端接第四十电阻的另一端、第三十七电阻的一端、A/D转换器，第十九放大器的正端接第三十七电阻的另一端、第三十三电阻的一端，第十九放大器的负端接第四十一电阻的一端、第四十二电阻的一端，第四十一电阻的另一端接地，第十九放大器的输出端接第四十二电阻的一端、第三十八电阻的一端，第十七电阻的输出端接第三十三电阻的另一端、第十七放大器的负端，第十七放大器的正端接第三十八电阻的另一端、第十三二极管的负端、第一可调电容的一端、第六可调电阻的一固定端，第十三二极管的正端接地，第一可调电容的另一端接第五可调电阻的一固定端，第五可调电阻的另一固定端接第五可调电阻的可调端、第一可调电感的可调端、第一电导电极，第六可调电阻的另一固定端接第六可调电阻的可调端、第一可调电感的可调端，第三电导电极接地，第一电导电极接第八放大器的正端、第十三放大器的正端。第八放大器的负端接第八放大器的输出端、第四电容的一端，第四电容的另一端接第十五电阻的一端，第十五电阻的另一端接第五电容的一端、第十六电阻的一端、第九放大器的正端，第五电容的另一端接地，第九放大器的负端接第六电容的一端、第十七电阻的一端、第十一放大器的负端，第十一放大器的输出端接第六电容的另一端、第十六电阻的另一端，第十一放大器的正端接第二十电阻的一端、第二十二号电阻的一端，第二十二号电阻的另一端接地，第九放大器的输出端接第十七电阻的另一端、第二十电阻的另一端、第十放大器的正端，第十放大器的负端接第十八电阻的一端、第十九电阻的一端，第十九电阻的另一端接地，第十八电阻的另一端接第二可调电阻的一固定端，第十放大器的输出端接第二可调电阻的另一固定端、第二可调电阻的可调端、A/D转换器。第十三放大器的负端接第十三放大器的输出端、第七电容的一端，第七电容的另一端接第二十四电阻的一端、第二十四电阻的另一端接第九电容的一端、第二十六电阻的一端、第十四放大器的正端，第九电容的另一端接地，第十四放大器的负端接第十电容的一端、第二十八电阻的一端、第十六放大器的负端，第十六放大器的输出端接第十电容的另一端、第二十六电阻的另一端，第十六放大器的正端接第三十一电阻的一端、第三十二号电阻的一端，第三十二号电阻的另一端接地，第十四放大器的输出端接第二十八电阻的另一端、第三十一电阻的另一端、第十五放大器的正端。第十五放大器的负端接第二十九电阻的一端、第三十电阻的一端，第三十电阻的另一端接地，第二十九电阻的另一端接第四可调电阻的一固定端，第十五放大器的输出端接第四可调电阻的另一固定端、第四可调电阻的可调端、A/D转换器。

所述的超声波测量管段上设有6个超声波探头：第一超声波探头、第二超声波探头、第三超声波探头、第四超声波探头、第五超声波探头、第六超声波探头，均匀安装在超声波测量管段同一截面上，其中第一超声波探头、第二超声波探头、第三超声波探头为超声波发射探头，第四超声波探头、第五超声波探头、第六超声波探头为超声波接收探头；第一超声波探头、第四超声波探头6的中心频率为1～2MHZ，第二超声波探头、第五超声波探头的中心频率为4～6MHZ，第三超声波探头、第六超声波探头的中心频率为7～10MHZ。

所述的复阻抗测量管段上设有4个电导电极：第一电导电极、第二电导电极、第三电导电极、第四电导电极，第一电导电极、第三电导电极为第一组电导电极，水平对称安装在复阻抗测量管段的同一横截面上，第二电导电极、第四电导电极为第二组电导电极，水平对称安装在复阻抗测量管段的同一横截面上，第一组电导电极与第二组电导电极的距离为100～200mm。

所述的电极形状为：两等腰梯形的上底相重合的多边形，等腰梯形的上底长25mm、等腰梯形的下底长42mm、等腰梯形的高26.28mm。

本发明主要针对高含水率的油气水多相流，融合了超声波测量技术、复阻抗测量技术、电磁测量技术等多种技术。本发明设计的测量装置体积小，可以有效节省空间；结构紧凑、无可动部件，装置可靠性好，并且易于维护；结构简单，成本较低，无放射性，无污染，同时测量时受流型影响较小，测量过程中不受井内出砂和异物的影响，可以实现进行油气水多相流在线检测。

附图说明

图1是油气水多相流流量测量装置电路框图；

图2是本发明的测量管道结构示意图；

图3是本发明的超声波探头安装结构示意图；

图4是本发明的超声波测量电路图；

图5(a)是本发明的复阻抗测量管段的电导电极展开结构示意图；

图5(b)是本发明的复阻抗测量管段的电导电极的侧视图；

图6(a)是本发明的复阻抗测量管段的电导电极安装横截面示意图；

图6(b)是本发明的复阻抗测量管段的电导电极安装示意图；

图7是本发明的复阻抗测量电路图；

图8(a)是本发明的电磁测量管段的电极结构示意图；

图8(b)是本发明的电磁测量管段的电极安装示意图；

图9是本发明的电磁测量电路结构框图；

图10是本发明的程序流程图；

图中：温度传感器1、压力传感器2、第一超声波探头3、第二超声波探头4、第三超声波探头5、第四超声波探头6、第五超声波探头7、第六超声波探头8、第一电导电极9、第二电导电极10、第三电导电极11、第四电导电极12、混相器13、第一集流器14、第二集流器15、电磁测量管段16、超声波测量管段17、复阻抗测量管段18、第一励磁线圈19、第二励磁线圈20、第一电磁电极21、第二电磁电极22。

具体实施方式

如图1、2所示，油气水多相流流量测量装置包括油气水多相流流量测量管段和测量电路两部，测量电路的连接关系为：主控制器分别与温度-压力测量电路、超声波测量电路、复阻抗测量电路、电磁测量电路相连接，油气水多相流流量测量管段包括相连接的第二集流器15、电磁测量管段16、超声波测量管段17、复阻抗测量管段18、混相器13、第一集流器14，电磁测量管段16上设有温度传感器1、压力传感器2、第一励磁线圈19、第二励磁线圈20、第一电磁电极21、第二电磁电极22，超声波测量管段17上设有第一超声波探头3、第二超声波探头4、第三超声波探头5、第四超声波探头6、第五超声波探头7、第六超声波探头8，复阻抗测量管段18上设有第一电导电极9、第二电导电极10、第三电导电极11、第四电导电极12。集流混相器增大流体流速，使各相混合均匀，减小流型对测量的影响；超声波测量电路和复阻抗测量电路测量油气水多相流中的含气率、含水率和含油率；电磁测量电路测量油气水多相流的流体速度；温度-压力测量电路测量多相流体的温度和压力，用于流量补偿和修正；主控制器采集各测量电路测量得到的数据，处理运算后得到流量信息。主控制器采集各个测量电路经过采集处理得到的流量、浓度和温压等信息后，在通过公式计算、补偿修正等数据处理后，计算得到实际多相流总体积流量和各组分瞬时体积流量值。整个测量管段直径为50mm，各测量分段材料根据测量需要选择。各测量分段采用标准法兰连接，组装成整个完整测量系统。

如图3所示，超声波测量管段17上设有6个超声波探头：第一超声波探头3、第二超声波探头4、第三超声波探头5、第四超声波探头6、第五超声波探头7、第六超声波探头8，均匀安装在超声波测量管段17同一截面上，其中第一超声波探头3、第二超声波探头4、第三超声波探头5为超声波发射探头，第四超声波探头6、第五超声波探头7、第六超声波探头8为超声波接收探头；第一超声波探头3、第四超声波探头6的中心频率为1～2MHZ，第二超声波探头4、第五超声波探头7的中心频率为4～6MHZ，第三超声波探头5、第六超声波探头8的中心频率为7～10MHZ。

如图4所示，超声波测量电路包括超声波发射电路和超声波接受电路，超声波发射电路连接关系为：PWM发生器连接非门DR1的输入端，非门DR1的输出端连接第一电阻R1的一端、第二二极管D2的负端、P型场效应管QP1的栅极、第二N型场效应管QN2的栅极，P型场效应管QP1的源极连接第一N型场效应管QN1的栅极、第二N场型效应管QN2的漏极，P型场效应管NP1的漏极连接第一电阻R1的另一端，并与电源相连，第一N型场效应管QN1的漏极连接第二电阻R2的一端、第一二极管D1的负端，并与超声波发射器3的连接。第一二极管D1的正端、第二二极管D2的正端、第一N型场效应管QN1的源极、第二N型场效应管QN2的源极接地；超声波接受电路连接关系为：第四超声波探头6接收到的超声波信号接到第二放大器A2正端，第二放大器A2的负端连接第二放大器A2输出端及第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接第二电容C2的一端、第四电阻R4的一端及第三放大器A3的正端，第二电容C2的另一端接地，第四电阻R4的另一端连接第三电容C3的一端及第七放大器A7的输出端，第三电容C3的另一端连接第三放大器A3的负端、第五电阻R5的一端及第七放大器A7的负端，第七放大器A7的正端连接第十三电阻R13的一端和第十二电阻R12的一端，第十二电阻R12的另一端连接第五电阻R5的另一端及第三放大器A3的输出端。第十三电阻R13的另一端接地。第三放大器A3的输出端连接第四放大器A4的正端，第四放大器A4的负端连接第十电阻R10的一端、第七电阻R7的一端，第十电阻R10的另一端接地，第四放大器A4的输出端连接第七电阻R7的另一端及第五放大器A5的正端，第五放大器A5的负端连接第十一电阻R11的一端及第八电阻R8的一端，第十一电阻R11的另一端接地，第八电阻R8的另一端连接第一可调电阻RA1的一固定端，第一可调电阻RA1的可调端与第一可调电阻RA1的另一固定端、第五放大器A5的输出端、第一放大器A1的正端、第六放大器A6的正端。第一放大器A1的负端连接第一放大器A1的输出端及A/D转换器，第六放大器A6的负端连接第六放大器A6的输出端及第九电阻R9的一端，第九电阻R9的另一端连接第一比较器AC1的正端，第六电阻R6的一端连接第十四电阻R14的一端及第七放大器A7的负端，第十四电阻R14的另一端接地，第六电阻R6的另一端接电源，第一比较器AC1的输出端连接计数器。

如图5(a)所示，根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置，其特征在于所述的电极形状为：两等腰梯形的上底相重合的多边形，等腰梯形的上底长25mm、等腰梯形的下底长42mm、等腰梯形的高26.28mm。

如图6所示，复阻抗测量管段18上设有4个电导电极：第一电导电极9、第二电导电极10、第三电导电极11、第四电导电极12，第一电导电极9、第三电导电极11为第一组电导电极，水平对称安装在复阻抗测量管段18的同一横截面上，第二电导电极10、第四电导电极12为第二组电导电极，水平对称安装在复阻抗测量管段18的同一横截面上，第一组电导电极与第二组电导电极的距离为100～200mm。

如图7所示，复阻抗测量电路连接关系为：第十二放大器A12的正端连接第三二极管D3的正端、第六二极管D6的负端、第二十一电阻R21的一端、第二十三电阻R23的一端，第三二极管D3的负端连接第四二极管D4的负端、第五二极管D5的正端、第五二极管D5的负端连接第一稳压管DW1的负端，第一稳压管DW1的正端连接第六二极管D6的正端、第七二极管D7的负端，第七二极管D7的正端连接第四二极管D4的正端、第二十一电阻R21的另一端、第十二放大器A12的输出端、第二十五电阻R25的一端，第二十三电阻R23的另一端连接第三可调电阻RA3的一固定端，第十二放大器A12的负端连接第十一电容C11的一端、第二十七电阻R27的一端、第八电容C8的一端，第八电容C8的另一端连接第二十五电阻D25的另一端，第三可调电阻RA3的另一固定端、第三可调电阻RA3的可调端、第十一电容C11的另一端、第十七电阻C17的另一端接地，第二十放大器A20的正端连接第八二极管D8的正端、第十一二极管D11的负端、第三十五电阻R35的一端、第三十九电阻R39的一端，第八二极管D8的负端连接第十一极管D11的负端、第十二极管D10的正端、第十二极管D10的负端连接第二稳压管DW2)的负端，第二稳压管DW2的正端连接第十一二极管D11的正端、第十二二极管D12的负端，第十二二极管D12的正端连接第九二极管D9的正端、第三十五电阻R35的另一端、第二十放大器A20的输出端、第四十三电阻R43的一端，第三十九电阻R39的另一端连接第七可调电阻RA7的一固定端，第二十放大器A20的负端连接第十三电容C13的一端、第四十五电阻R45的一端、第十二电容C12的一端，第十二电容C12的另一端连接第四十三电阻R43的另一端，第七可调电阻RA7的另一固定端、第七可调电阻RA7的可调端、第十三电容C13的另一端、第四十五电阻R45的另一端接地，第十二放大器A12的输出端连接第三十四电阻R34的一端，第二十放大器A20的输出端接第三十六电阻R36的一端。第十八放大器A18的正端接第三十四电阻R34的另一端、第三十六电阻R36的另一端，第十八放大器A18的负端接第四十四电阻R44的一端、第四十电阻R40的一端，第四十四电阻R44的另一端接地。第十八放大器A18的输出端接第四十电阻R40的另一端、第三十七电阻R37的一端、A/D转换器，第十九放大器A19的正端接第三十七电阻R17的另一端、第三十三电阻R33的一端，第十九放大器A19的负端接第四十一电阻R41的一端、第四十二电阻R42的一端，第四十一电阻R41的另一端接地，第十九放大器A19的输出端接第四十二电阻R42的一端、第三十八电阻R38的一端，第十七电阻R17的输出端接第三十三电阻R33的另一端、第十七放大器A17的负端，第十七放大器A17的正端接第三十八电阻R38的另一端、第十三二极管D13的负端、第一可调电容CA1的一端、第六可调电阻RA6的一固定端，第十三二极管D13的正端接地，第一可调电容CA1的另一端接第五可调电阻RA5的一固定端，第五可调电阻RA5的另一固定端接第五可调电阻RA5的可调端、第一可调电感LA1的可调端、第一电导电极9，第六可调电阻RA6的另一固定端接第六可调电阻RA6的可调端、第一可调电感LA1的可调端，第三电导电极11接地，第一电导电极9接第八放大器A8的正端、第十三放大器A13的正端。第八放大器A8的负端接第八放大器A8的输出端、第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端接第十五电阻R15的一端，第十五电阻R15的另一端接第五电容C5的一端、第十六电阻R16的一端、第九放大器A9的正端，第五电容C5的另一端接地，第九放大器A9的负端接第六电容C6的一端、第十七电阻R17的一端、第十一放大器A11的负端，第十一放大器A11的输出端接第六电容C6的另一端、第十六电阻R16的另一端，第十一放大器A11的正端接第二十电阻R20的一端、第二十二号电阻R22的一端，第二十二号电阻R22的另一端接地，第九放大器A9的输出端接第十七电阻R17的另一端、第二十电阻R20的另一端、第十放大器A10的正端，第十放大器A10的负端接第十八电阻R10的一端、第十九电阻R19的一端，第十九电阻R19的另一端接地，第十八电阻R18的另一端接第二可调电阻RA2的一固定端，第十放大器A10的输出端接第二可调电阻RA2的另一固定端、第二可调电阻RA2的可调端、A/D转换器。第十三放大器A13的负端接第十三放大器A13的输出端、第七电容的C7一端，第七电容C7的另一端接第二十四电阻R24的一端、第二十四电阻R24的另一端接第九电容C9的一端、第二十六电阻R26的一端、第十四放大器A14的正端，第九电容C9的另一端接地，第十四放大器A14的负端接第十电容C10的一端、第二十八电阻R28的一端、第十六放大器A16的负端，第十六放大器A16的输出端接第十电容C10的另一端、第二十六电阻R26的另一端，第十六放大器A16的正端接第三十一电阻R31的一端、第三十二号电阻R32的一端，第三十二号电阻R32的另一端接地，第十四放大器A14的输出端接第二十八电阻R28的另一端、第三十一电阻R31的另一端、第十五放大器A15的正端。第十五放大器A15的负端接第二十九电阻R29的一端、第三十电阻R30的一端，第三十电阻R30的另一端接地，第二十九电阻R29的另一端接第四可调电阻RA4的一固定端，第十五放大器A15的输出端接第四可调电阻RA4的另一固定端、第四可调电阻RA4的可调端、A/D转换器。

油气水多相流流量测量装置的测量模型为：

通过测量三相的总流量、持水率和流体密度等参数，结合温度、压力以及油、气、水的物性参数等信息确定油、气、水的分相流量。

在油气水多相流系统中，用于流量计量所需的主要参数有：各相含率(α_o、α_g、α_w)，即各相容积流量与混合物的容积流量之比；各相的流速(v_o、v_g、v_w)；各相的温度(T_o、T_g、T_w)和压力(P_o、P_g、P_w)；各相密度(ρ_o、ρ_g、ρ_w)。

其中下标o、g、w分别代表油、气、水。

各相的体积流量和质量流量可以通过上述参数计算得到，然后通过温度、压力进行修正，得到最终的流量信息。

已知管道截面积S(m²)，则在流体环境下，油气水三相体积流量分别为：

                          Q_o＝α_o×v_o×S

                          Q_g＝α_g×v_g×S

                          Q_w＝α_w×v_w×S

质量流量分别为：

                          Q_mo＝ρ_o×Q_o

                          Q_mg＝ρ_g×Q_g

                          Q_mw＝ρ_w×Q_w

另有：                    α_oρ_o+α_gρ_g+α_wρ_w＝ρ_f

                          α_o+α_g+α_w＝1

                          Q_v＝Q_o×Q_g×Q_w

                          Q_m＝Q_mo×Q_mg×Q_mw

其中，ρ_f、Q_m、Q_v分别为混合流体的密度、质量流量、体积流量。油、气、水三相密度及相关物质参数可以在静态条件下测得，故可认为已知。

通过采用节流装置和在测量管段前安装混相器的方法，使得各相流体混合均匀，同时提高流速，减小各相之间的速度滑差。此时：可以认为三相流速相等，等同于整体流速，即有v_o≈v_g≈v_w≈v。

由公式可知α_o、α_g、α_w自由度为2，只要检测其中两个相含率即可。在同一测量管段中，由于没有阻力部件，可以认为管道中温度、压力各处相同。综上，只需测量流体总流速v，气相含率ρ_g、油相含率α_o，即可得到各相流量。超声波测量原理：

当超声波垂直入射到声特性阻抗不同的两介质界面上，则入射波能量(声强为I₀)的一部分进入截至II是为透射波(声强为I_t)，另一部分能量被界面反射回来，为反射波(声强为I_r)。根据能量守恒定率有：

                            I₀＝I_t+I_r

声压的反射系数 $R=\frac{I_r}{I_0}={\left(\frac{z_2-z_1}{z_2+z_1}\right)}^2,$ 声压透射系数 $T=\frac{I_t}{I_0}=\frac{4z_2{z}_1}{{(z_2+z_1)}^2}.$ 其中z₁、z₂分别为介质I、II的声阻抗。

从水入射到空气中的反射率约为100％，可以认为超声波无法穿透气泡。在高含水率的油气水三相中，由于各组分声阻抗各不相同，超声波通过流体后其强度与各相组分含率及分布有关。

单一一对超声波发射器和接受器只能检测一条弦线上的平均空隙率，在流型发生改变时可能会产生较大的误差。本发明采用多组超声波换能器测量管道截面上的平均含气率。

复阻抗测量原理：

根据Maxwell电阻率近似理论，油、水混合介质的等效电导率为

$\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_w}=\frac{2\mathrm{\β}}{3-\mathrm{\β}}$

其中，β为多相流中连续导电相的体积分数，在油气水多相流中为持水率。由电学原理可知，测量电极间的电压幅值于传感器内部流体电导率成反比。设测量电极间的电导在混合物时为G_m，全水时为G_w，混合相的电导率为σ_m，水的电导率为σ_w，混合时传感器输出频率为(混相值)F_m，全水时为F_w，则

$\frac{F_w}{F_m}=\frac{G_m}{G_w}=\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_w}$

在油气水多相流中，各组分介电常数和电导率之间也存在差异。组分水的电导率较高，而组分油和气都不导电，导电率相近。流体的导纳与各组分含率和分布情况有关。一般情况下，浸没在混合物中两电极的的总导纳为

$Y=\sqrt{{\left(\frac{1}{R}\right)}^2+{\left(\mathrm{wC}\right)}^2},$

其中，ωC是混合物的容纳，它正比于混合物的介电常数；1/R为混合物的电导，它正比于混合物的电导率；ωC_s为极化容纳，它的影响可以通过提高电源频率或在电极上镀铂来消除，所以对于空隙率的测量主要关心的是混合物的容纳和电导。利用RLC检测技术测量总导纳Y，再计算持水率。

当油泡或气泡从两个电极间经过时，两个电极间流体电导纳就会发生变化。通过测量电极间导纳的变化就可以得到多相流体导电组分在所占流体中的含率。在油气水多相流测量系统中，由于水为主要导电物质，而气与油为非导电物质，在高含水率和均匀混合的条件下，可以通过测量混合流体的导纳计算得到流体持水率，即组分水的含率。

电磁测量原理：

根据法拉第电磁感应定律，闭合回路中由于磁通量变化而产生感应电动势。电磁感应产生的电动势，它同导线的性质无关，而仅取决于导线对磁力线的切割。导电液体在磁场内流动也将产生感应电动势。导电流体流过传感器工作磁场时，在电极上将会产生与体积流量成比例的电动势。电动势的大小为：E＝kBDv，其中E为感应电动势；k为常数；B为磁感应强度；D为测量管内径；v为测量管内电极断面轴线方向平均流速。

实际中，由于电磁感应、静电感应以及电化学电势等因素影响，电极上所得到的电压不仅仅是与流速成比例的电动势，也包含各种各样干扰成分在内：

$E=\mathrm{BvD}+\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}+\frac{d_{2}B}{d_{2}t}+e$

其中：BDv与流速成正比，为流速信号，是携带真实流量信息；

为微分干扰，

为同相干扰，e为其他干扰(包括共模干扰、串模干扰和直流极化电压等)。

微分干扰和同相干扰是电磁流量计测量的主要干扰。其他干扰，可以通过静电屏蔽和良好的接地加以抑止，提高励磁频率或改进励磁方式等方法加以有效减小他们对流量测量的影响。故可简化为

$E=\mathrm{BDv}+\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}+\frac{d_{2}B}{d_{2}t}$

有上式可以看出，电极电压E与励磁电流各参量有关，只要为导电流体，电磁流量计均能适用，并且测量不受流体特性影响。另外：流速信号BDv的频率与励磁频率相同；流量信号与励磁电流的相位和波形一致。

在高含水率的油、气、水三相流系统中，管道轴向上和管道横截面上，具有导电能力的水相一般可认为是连续的，故可以使用电磁法来进行流速测量。

传统的电极大多采用针型电极，这种电极的优点是测量截面弦线上的电压，加工简单，成本低廉。已有的研究结果表明传统的电磁流量计在测量油水两相流时：在组分水的含率较高的情况下，测量精度较高；在含水率较低情况下，测量结果波动较大。原因主要是在含水率较低时，油泡较多，油泡会黏着在探针表面，导致测量值不准确。本发明采用大面积式电极。

电磁测量管段的管道直径50mm，采用非导磁、高电阻率、低导热率的工程塑料PVC。如图8(a)所示管道电极大小为20×26.18mm，紧贴在管道内壁，如能嵌入到管道内壁尤佳。

如图9所示，处理器通过D/A转换产生低频三值矩形波，信号经过功率放大后，经励磁线圈得到励磁信号，产生感应磁场。磁场切割流体产生感应电势，信号经放大、滤波等处理后，处理器通过A/D转换采集信号，并通过计算、修正得到流体流速信号。

如图10所示是本发明的程序流程图。主控制器采集各个测量电路得到的流量、浓度、温度、压力等信息后，在通过公式计算、补偿修正等数据处理后，计算得到实际多相流总体积流量和各组分瞬时体积流量值，并将其显示在液晶屏上或通过通讯端口传给上位机。

Claims (6)

1.一种油气水多相流流量测量装置，其特征在于包括油气水多相流流量测量管段和测量电路，测量电路的连接关系为：主控制器分别与温度-压力测量电路、超声波测量电路、复阻抗测量电路、电磁测量电路相连接，油气水多相流流量测量管段包括相连接的第二集流器(15)、电磁测量管段(16)、超声波测量管段(17)、复阻抗测量管段(18)、混相器(13)、第一集流器(14)，电磁测量管段(16)上设有温度传感器(1)、压力传感器(2)、第一励磁线圈(19)、第二励磁线圈(20)、第一电磁电极(21)、第二电磁电极(22)，超声波测量管段(17)上设有第一超声波探头(3)、第二超声波探头(4)、第三超声波探头(5)、第四超声波探头(6)、第五超声波探头(7)、第六超声波探头(8)，复阻抗测量管段(18)上设有第一电导电极(9)、第二电导电极(10)、第三电导电极(11)、第四电导电极(12)。

2.根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置，其特征在于所述的超声波测量电路包括超声波发射电路和超声波接受电路，超声波发射电路连接关系为：PWM发生器连接非门(DR1)的输入端，非门(DR1)的输出端连接第一电阻(R1)的一端、第二二极管(D2)的负端、P型场效应管(QP1)的栅极、第二N型场效应管(QN2)的栅极，P型场效应管(QP1)的源极连接第一N型场效应管(QN1)的栅极、第二N型场效应管(QN2)的漏极，P型场效应管(QP1)的漏极连接第一电阻(R1)的另一端，并与电源相连，第一N型场效应管(QN1)的漏极连接第二电阻(R2)的一端、第一二极管(D1)的负端，并与第一超声波探头(3)连接，第一二极管(D1)的正端、第二二极管(D2)的正端、第一N型场效应管(QN1)的源极、第二N型场效应管(QN2)的源极分别接地；超声波接受电路连接关系为：第四超声波探头(6)接收到的超声波信号接到第二放大器(A2)正端，第二放大器(A2)的负端连接第二放大器(A2)输出端及第一电容(C1)的一端，第一电容(C1)的另一端连接第三电阻(R3)的一端，第三电阻(R3)的另一端连接第二电容(C2)的一端、第四电阻(R4)的一端及第三放大器(A3)的正端，第二电容(C2)的另一端接地，第四电阻(R4)的另一端连接第三电容(C3)的一端及第七放大器(A7)的输出端，第三电容(C3)的另一端连接第三放大器(A3)的负端、第五电阻(R5)的一端及第七放大器(A7)的负端，第七放大器(A7)的正端连接第十三电阻(R13)的一端和第十二电阻(R12)的一端，第十二电阻(R12)的另一端连接第五电阻(R5)的另一端及第三放大器(A3)的输出端，第十三电阻(R13)的另一端接地，第三放大器(A3)的输出端连接第四放大器(A4)的正端，第四放大器(A4)的负端连接第十电阻(R10)的一端、第七电阻(R7)的一端，第十电阻(R10)的另一端接地，第四放大器(A4)的输出端连接第七电阻(R7)的另一端及第五放大器(A5)的正端，第五放大器(A5)的负端连接第十一电阻(R11)的一端及第八电阻(R8)的一端，第十一电阻(R11)的另一端接地，第八电阻(R8)的另一端连接第一可调电阻(RA1)的一固定端，第一可调电阻(RA1)的可调端与第一可调电阻(RA1)的另一固定端、第五放大器(A5)的输出端、第一放大器(A1)的正端、第六放大器(A6)的正端连接，第一放大器(A1)的负端连接第一放大器(A1)的输出端及A/D转换器，第六放大器(A6)的负端连接第六放大器(A6)的输出端及第九电阻(R9)的一端，第九电阻(R9)的另一端连接第一比较器(AC1)的正端，第六电阻(R6)的一端连接第十四电阻(R14)的一端及第一比较器(AC1)的负端，第十四电阻(R14)的另一端接地，第六电阻(R6)的另一端接电源，第一比较器(AC1)的输出端连接计数器。

3.根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置，其特征在于所述的复阻抗测量电路连接关系为：第十二放大器(A12)的正端连接第三二极管(D3)的正端、第六二极管(D6)的负端、第二十一电阻(R21)的一端、第二十三电阻(R23)的一端，第三二极管(D3)的负端连接第四二极管(D4)的负端、第五二极管(D5)的正端，第五二极管(D5)的负端连接第一稳压管(DW1)的负端，第一稳压管(DW1)的正端连接第六二极管(D6)的正端、第七二极管(D7)的负端，第七二极管(D7)的正端连接第四二极管(D4)的正端、第二十一电阻(R21)的另一端、第十二放大器(A12)的输出端、第二十五电阻(R25)的一端，第二十三电阻(R23)的另一端连接第三可调电阻(RA3)的一固定端，第十二放大器(A12)的负端连接第十一电容(C11)的一端、第二十七电阻(R27)的一端、第八电容(C8)的一端，第八电容(C8)的另一端连接第二十五电阻(D25)的另一端，第三可调电阻(RA3)的另一固定端、第三可调电阻(RA3)的可调端、第十一电容(C11)的另一端、第二十七电阻(R27)的另一端接地，第二十放大器(A20)的正端连接第八二极管(D8)的正端、第十一二极管(D11)的负端、第三十五电阻(R35)的一端、第三十九电阻(R39)的一端，第八二极管(D8)的负端连接第九二极管(D9)的负端、第十二极管(D10)的正端，第十二极管(D10)的负端连接第二稳压管(DW2)的负端，第二稳压管(DW2)的正端连接第十一二极管(D11)的正端、第十二二极管(D12)的负端，第十二二极管(D12)的正端连接第九二极管(D9)的正端、第三十五电阻(R35)的另一端、第二十放大器(A20)的输出端、第四十三电阻(R43)的一端，第三十九电阻(R39)的另一端连接第七可调电阻(RA7)的一固定端，第二十放大器(A20)的负端连接第十三电容(C13)的一端、第四十五电阻(R45)的一端、第十二电容(C12)的一端，第十二电容(C12)的另一端连接第四十三电阻(R43)的另一端，第七可调电阻(RA7)的另一固定端、第七可调电阻(RA7)的可调端、第十三电容(C13)的另一端、第四十五电阻(R45)的另一端接地，第十二放大器(A12)的输出端连接第三十四电阻(R34)的一端，第二十放大器(A20)的输出端接第三十六电阻(R36)的一端，第十八放大器(A18)的正端接第三十四电阻(R34)的另一端、第三十六电阻(R36)的另一端，第十八放大器(A18)的负端接第四十四电阻(R44)的一端、第四十电阻(R40)的一端，第四十四电阻(R44)的另一端接地，第十八放大器(A18)的输出端接第四十电阻(R40)的另一端、第三十七电阻(R37)的一端、A/D转换器，第十九放大器(A19)的正端接第三十七电阻(R37)的另一端、第三十三电阻(R33)的一端，第十九放大器(A19)的负端接第四十一电阻(R41)的一端、第四十二电阻(R42)的一端，第四十一电阻(R41)的另一端接地，第十九放大器(A19)的输出端接第四十二电阻(R42)的一端、第三十八电阻(R38)的一端，第十七放大器(A17)的输出端接第三十三电阻(R33)的另一端、第十七放大器(A17)的负端，第十七放大器(A17)的正端接第三十八电阻(R38)的另一端、第十三二极管(D13)的负端、第一可调电容(CA1)的一端、第六可调电阻(RA6)的一固定端，第十三二极管(D13)的正端接地，第一可调电容(CA1)的另一端接第五可调电阻(RA5)的一固定端，第五可调电阻(RA5)的另一固定端接第五可调电阻(RA5)的可调端、第一可调电感(LA1)的可调端、第一电导电极(9)，第六可调电阻(RA6)的另一固定端接第六可调电阻(RA6)的可调端、第一可调电感(LA1)的可调端，第三电导电极(11)接地，第一电导电极(9)接第八放大器(A8)的正端、第十三放大器(A13)的正端，第八放大器(A8)的负端接第八放大器(A8)的输出端、第四电容(C4)的一端，第四电容(C4)的另一端接第十五电阻(R15)的一端，第十五电阻(R15)的另一端接第五电容(C5)的一端、第十六电阻(R16)的一端、第九放大器(A9)的正端，第五电容(C5)的另一端接地，第九放大器(A9)的负端接第六电容(C6)的一端、第十七电阻(R17)的一端、第十一放大器(A11)的负端，第十一放大器(A11)的输出端接第六电容(C6)的另一端、第十六电阻(R16)的另一端，第十一放大器(A11)的正端接第二十电阻(R20)的一端、第二十二号电阻(R22)的一端，第二十二号电阻(R22)的另一端接地，第九放大器(A9)的输出端接第十七电阻(R17)的另一端、第二十电阻(R20)的另一端、第十放大器(A10)的正端，第十放大器(A10)的负端接第十八电阻(R18)的一端、第十九电阻(R19)的一端，第十九电阻(R19)的另一端接地，第十八电阻(R18)的另一端接第二可调电阻(RA2)的一固定端，第十放大器(A10)的输出端接第二可调电阻(RA2)的另一固定端、第二可调电阻(RA2)的可调端、A/D转换器，第十三放大器(A13)的负端接第十三放大器(A13)的输出端、第七电容的(C7)一端，第七电容(C7)的另一端接第二十四电阻(R24)的一端，第二十四电阻(R24)的另一端接第九电容(C9)的一端、第二十六电阻(R26)的一端、第十四放大器(A14)的正端，第九电容(C9)的另一端接地，第十四放大器(A14)的负端接第十电容(C10)的一端、第二十八电阻(R28)的一端、第十六放大器(A16)的负端，第十六放大器(A16)的输出端接第十电容(C10)的另一端、第二十六电阻(R26)的另一端，第十六放大器(A16)的正端接第三十一电阻(R31)的一端、第三十二号电阻(R32)的一端，第三十二号电阻(R32)的另一端接地，第十四放大器(A14)的输出端接第二十八电阻(R28)的另一端、第三十一电阻(R31)的另一端、第十五放大器(A15)的正端，第十五放大器(A15)的负端接第二十九电阻(R29)的一端、第三十电阻(R30)的一端，第三十电阻(R30)的另一端接地，第二十九电阻(R29)的另一端接第四可调电阻(RA4)的一固定端，第十五放大器(A15)的输出端接第四可调电阻(RA4)的另一固定端、第四可调电阻(RA4)的可调端、A/D转换器。

4.根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置，其特征在于所述的超声波测量管段(17)上设有6个超声波探头：第一超声波探头(3)、第二超声波探头(4)、第三超声波探头(5)、第四超声波探头(6)、第五超声波探头(7)、第六超声波探头(8)，均匀安装在超声波测量管段(17)同一截面上，其中第一超声波探头(3)、第二超声波探头(4)、第三超声波探头(5)为超声波发射探头，第四超声波探头(6)、第五超声波探头(7)、第六超声波探头(8)为超声波接收探头；第一超声波探头(3)、第四超声波探头(6)的中心频率为1～2MHZ，第二超声波探头(4)、第五超声波探头(7)的中心频率为4～6MHZ，第三超声波探头(5)、第六超声波探头(8)的中心频率为7～10MHZ。

5.根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置，其特征在于所述的复阻抗测量管段(18)上设有4个电导电极：第一电导电极(9)、第二电导电极(10)、第三电导电极(11)、第四电导电极(12)，第一电导电极(9)、第三电导电极(11)为第一组电导电极，水平对称安装在复阻抗测量管段(18)的同一横截面上，第二电导电极(10)、第四电导电极(12)为第二组电导电极，水平对称安装在复阻抗测量管段(18)的同一横截面上，第一组电导电极与第二组电导电极的距离为100～200mm。

6.根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置，其特征在于所述的电极形状为：两相同的等腰梯形的上底相重合形成的多边形，等腰梯形的上底长25mm、等腰梯形的下底长42mm、等腰梯形的高26.28mm。

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