CN101556234A - 气水两相流多参数测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气水两相流多参数测量方法和装置。包括计量管道、节流元件、差压变送器、阵列式电导传感器、压力变送器、温度变送器、电导测量及采集电路、数据采集电路和计算机，阵列式电导传感器经电导测量及采集电路接计算机，各变送器经数据采集电路接计算机。根据节流元件处获取的差压、阵列式电导传感器获取的电导信号、压力变送器获取的压力和温度变送器获取的温度得到气水两相流的流型、空隙率、干度和流量等多个参数。在测量中根据流型判别结果，选择该流型下相应的测量模型或关系式对空隙率、干度和流量进行计算。本发明结构简单、压损小、可靠性高、成本低、适用范围广，可用于能源、动力、化工等领域中气水两相流的测量。

Description

气水两相流多参数测量方法和装置

技术领域

本发明属于计量技术领域，尤其涉及基于节流元件和阵列式电导传感器的气水两相流多参数测量方法和装置。

背景技术

气水两相流在能源、动力、化工等工业领域中广泛存在，其流型、空隙率、干度(质量含气率)和流量等参数的在线实时测量长久以来都是检测计量领域的难题。虽然目前有很多气液两相流各参数测量的方法，但是由于两相流体系的复杂性都还很难满足实际工业现场的在线测量要求。由于两相流的电导信号能够表征其相含率和相分布的信息，电导传感器在多相流领域的应用已经有较长的历史，而阵列式电导传感器能够同时获取两相流系统在截面上的分布电导值，且对流场没有干扰、安全性好，因而得到更多的关注和研究，例如电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography)技术就是根据阵列式电导传感器获得的两相流的电导信号进行相分布图像的重建以实现流型辨识和空隙率测量的，但由于图像重建精度和实时性能间的相互制约，其应用于实际测量时受到一定限制。

传统单相流量计如孔板、文丘里、喷嘴等长久以来一直被广泛地应用于气液两相流的测量，很多研究者针对节流元件提出了不少有价值的气液两相流测量关系式，这些关系式大多是干度和流量的关联式，必须预先获知其中一个参数才能测量得到另一个，而两者都是两相流系统中的测量难点，缺乏有效的解决方法，因此节流元件很多场合下无法单独实现气液两相流参数的在线测量。

本发明利用传统节流元件与阵列式电导传感器的组合实现气水两相流流型、空隙率、干度、流量等多个参数的在线测量，测量系统具有结构简单、压损小、可靠性高、成本低、适用范围广等优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于节流元件和阵列式电导传感器的气水两相流多参数测量方法和装置。

气水两相流多参数测量方法包括如下步骤：

1)利用阵列式电导传感器获取气水两相流的电导信号，差压变送器获取节流元件处的差压，压力变送器获取气水两相流的压力，温度变送器获取气水两相流的温度；

2)利用基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)分类技术建立的流型分类器，根据电导信号判别气水两相流的实时流型；

3)根据流型判别结果，选择该流型下基于最小二乘支持向量机回归方法建立的相应空隙率测量模型，由电导信号计算气水两相流的空隙率；

4)根据流型判别结果，选择该流型下经参数优化后的Butterworth关系式，由平均空隙率计算气水两相流的干度；

5)根据流型判别结果，选择该流型下经参数优化后的Collins关系式，由干度和节流元件处的差压计算气水两相流的总质量流量和分相流量。

所述的空隙率测量模型是采用最小二乘支持向量机回归技术针对不同的流型分别建立的，对静态实验得到的电导信号和空隙率值进行LS-SVM回归而得。所述的Butterworth关系式是基于原有Butterworth关系式针对不同的流型分别进行参数优化得到的，对测量得到的空隙率值和实际的干度值进行非线性函数的拟合优化而得。所述的Collins关系式是基于原有Collins关系式针对不同的流型分别进行参数优化得到的，对测量得到的干度值、差压值和实际的两相流流量值进行非线性函数的拟合优化而得。

气水两相流多参数测量装置具有计量管道，在计量管道上依次安装压力变送器、温度变送器、阵列式电导传感器、节流元件，阵列式电导传感器经电导测量及采集电路与计算机相连接，节流元件与差压变送器相连接，差压变送器、压力变送器、温度变送器经数据采集电路与计算机相连接。

电导测量及采集电路具有相连接的激励和测量模块、双向电流源模块、信号采集和控制模块和USB通讯模块。激励和测量模块具有8个激励和测量电路，并通过高频屏蔽线与阵列式电导传感器的电极相连。信号采集和控制模块包括相连接的第一仪表放大器、模数转换器、数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、数模转换器，复杂可编程逻辑器件与模数转换器、数模转换器的控制端相连接，第一仪表放大器的输入端分别与激励和测量模块、数模转换器相连，数字信号处理器与USB通讯模块相连以传输控制信号和电导信号。

激励和测量模块中的各个激励和测量电路通过多路开关将双向电流源模块输出的双极性脉冲引入阵列式电导传感器的相邻电极间进行电流激励。各相邻的电极分别与相应的第二仪表放大器的两个输入端相连，第二仪表放大器的输出端与正向采样保持器、反向采样保持器的输入端相连，正向采样保持器、反向采样保持器的输出端与差动放大器相连，差动放大器的输出端经模拟开关接入信号采集和控制模块。

本发明利用传统的单相流量计与阵列式电导传感器的组合解决了工程上一直难以很好解决的气水两相流在线实时测量问题。根据阵列式电导传感器测得的两相流电导信号进行两相流流型的辨识、空隙率的测量和干度的计算，并结合节流元件处的差压信号获得两相流的总质量流量和分相流量。在测量中根据流型判别结果，选择该流型下相应的测量模型或关系式对空隙率、干度和流量进行计算。测量系统具有结构简单、压损小、可靠性高、成本低、适用范围广等优点，可用于能源、动力、化工等诸多领域中气水两相流的测量。

附图说明

图1是气水两相流多参数测量装置的结构框图；

图2是电导测量及采集电路的结构框图；

图3是电导测量及采集电路中激励和测量模块的单个激励和测量电路的框图；

图4是由计算机实现的参数测量模块框图；

图5是流型辨识模块进行实时流型辨识的工作步骤示意图；

图6是气水两相流多参数测量方法的工作步骤示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于节流元件和阵列式电导传感器的气水两相流多参数测量装置具有计量管道，在计量管道上依次安装压力变送器、温度变送器、阵列式电导传感器、节流元件，阵列式电导传感器经电导测量及采集电路与计算机相连接，节流元件与差压变送器相连接，差压变送器、压力变送器、温度变送器经数据采集电路与计算机相连接。

上述的节流元件可以是孔板、喷嘴或文丘里管等。阵列式电导传感器的传感管段采用有机玻璃材料，两端通过连接法兰与被测管道相连，传感管段内壁四周等间距地安装有16个电极，电极可以为点状、矩形或其他形状，电极通过高频屏蔽线与电导测量及采集电路相连。电导测量及采集电路采用“相邻电极注入激励电流、非激励的相邻电极检测电压”的方式获取管道内两相流的电导值(共104个)，并将其送入计算机。

电导测量及采集电路的结构如图2所示，它具有激励和测量模块、双向电流源模块、信号采集和控制模块和USB通讯模块。激励和测量模块具有8个激励和测量电路，并通过高频屏蔽线与阵列式电导传感器的电极相连。信号采集和控制模块包括相连接的第一仪表放大器、模数转换器、数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、数模转换器，复杂可编程逻辑器件与模数转换器、数模转换器的控制端相连接，第一仪表放大器的输入端分别与激励和测量模块、数模转换器相连，数字信号处理器与USB通讯模块相连以传输控制信号和电导信号。

图3示出了激励和测量模块中的单个激励和测量电路框图，它通过多路开关将双向电流源模块输出的双极性脉冲引入阵列式电导传感器的相邻电极间进行电流激励。各相邻的电极分别与相应的第二仪表放大器的两个输入端相连，第二仪表放大器的输出端与正向采样保持器、反向采样保持器的输入端相连，正向采样保持器、反向采样保持器的输出端与差动放大器相连，差动放大器的输出端经模拟开关接入信号采集和控制模块。

测量时，气水两相流进入计量管道，流经压力变送器、温度变送器、阵列式电导传感器、节流元件。电导测量及采集电路与阵列式电导传感器相连，测量得到管道内两相流的多个电导值，并将其送入计算机。差压变送器与节流元件配套安装，测量气水两相流流经节流元件产生的差压，差压信号转变为标准电信号经数据采集电路送入计算机。压力变送器和温度变送器获取管路中气水两相流的压力和温度，并转变为标准电信号经数据采集电路送入计算机。计算机中保存有两相在不同温度压力下的物性参数，并通过软件实现了各参数测量模块，如图4所示，包括流型辨识模块、空隙率测量模块、干度测量模块和文丘里管流量测量模块，通过对所有采集信号的实时处理，获取气水两相流的流型、空隙率、干度、总质量流量和分相流量等参数。

由于不同流型下两相流的电导值存在差异，流型辨识模块基于此差异进行流型的辨识，采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)分类方法建立流型分类器。

由于阵列式电导传感器检测到的仅是管道截面的介质分布状况，而呈现在水平管道截面上的气水两相流流型可以归结为泡状流、层状流和环状流，因此仅针对这三种典型截面流型建立流型分类器，而段塞流可以看作是这三种流型的组合通过二次辨识来判别。

分类器的建立可以采用支持向量机多类分类问题中的One-versus-One算法，在每两类流型间建立一个两类分类器，因此共需三个子分类器，每个子分类器的表达式如下：

$y\left(r\right)=\mathrm{sign}[\underset{t=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_t{y}_t\mathrm{\ψ}(\mathrm{rU},r_{t}U)+d]---\left(1\right)$

其中，r——104个电导值组成的向量；

      y——类别标号；

      N——训练集中样本的个数；

U——PLS变换矩阵；

(r_i，y_i)——训练集中的电导值向量和相应的类别标号，i＝1，2，……，N；

α_i，b——分类器参数，i＝1，2，……，N；

ψ(·)——LS-SVM分类器的核函数， $\mathrm{\ψ}(r,r_i)=\exp (-\frac{{|r-r_i|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}),$ σ为其参数。

分类器中的各参数α_i，b，σ由训练数据集和LS-SVM算法经优化计算获得。

计算机流型辨识模块的工作步骤如图5所示：

1)由电导测量及采集电路获取管道内两相流的电导值；

2)将电导值进行PLS变换后送入三个两类分类器中判别当前流型；

3)采用“投票法”，三个待选流型中得票最多的流型即为当前截面流型；

4)进行二次辨识，当均相流和层状流或均相流和环状流间歇出现时，则判别为段塞流。

流型对气水两相流的流动特性和测量结果都有重要的影响，有必要针对不同的流型分别进行不同的计算和测量，因此空隙率、干度和流量的测量都是以流型辨识的结果为基础的。

空隙率测量模块根据电导信号计算气水两相流的空隙率，其使用的空隙率测量模型是对静态实验得到的电导信号和空隙率值进行LS-SVM回归而建立的，分别针对三个截面流型建立不同的测量模型，每个测量模型的表达式如下：

$\mathrm{\α}\left(r\right)=\underset{t=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_t\mathrm{\ψ}(\mathrm{rV},r_{t}V)+d---\left(2\right)$

其中，α——空隙率；

V-PLS变换矩阵。

分类器中的各参数α_i，b，σ也是由训练数据集和LS-SVM算法经优化计算获得。对于不同的流型，关系式中各参数的数值是不同的。根据流型辨识的结果可以选用不同的测量模型进行空隙率的计算。

干度测量模块将得到的截面空隙率经过一段时间的平均后得到两相流的平均空隙率，并代入如下的Butterworth关系式计算两相流的干度：

$x={[1+k_0{(\frac{1}{\mathrm{\α}}-1)}^{k_1}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}\right)}^{k_2}{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_g}{{\mathrm{\μ}}_l}\right)}^{k_3}]}^{-1}---\left(3\right)$

其中，x——气水两相流的干度；

ρ_l、ρ_g——液体和气体密度；

μ_l、μ_g-液体和气体粘度；

k₀、k₁、k₂、k₃——关系式参数。

关系式中的各参数k₀、k₁、k₂、k₃是通过对不同流型下测量得到的空隙率值和实际的干度值进行非线性函数的拟合优化而得到的，对于不同的流型，关系式中各参数的数值是不同的。根据流型辨识的结果可以选用不同的关系式参数进行干度的计算。

获得两相流的干度后，结合节流元件处的差压，文丘里管流量测量模块利用如下的Collins关系式计算气水两相流的总质量流量：

$W=K\sqrt{\mathrm{\Δp}}/(a\frac{x}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g}}+b\frac{1-x}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_l}}+c\frac{\sqrt{x(1-x)}}{\sqrt[4]{{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\ρ}}_l}})---\left(4\right)$

其中，W——两相流总质量流量；

K——节流元件的流量系数；

Δp——气水两相流流经节流元件产生的差压

a，b，c——关系式参数。

关系式中的参数a、b、c是通过对不同流型下测量得到的干度值、差压值和实际的两相流流量值进行非线性函数的拟合优化而得到的，对于不同的流型，关系式中各参数的数值是不同的。根据流型辨识的结果可以选用不同的关系式参数计算两相流的流量。

总质量流量得到后可以很容易的获知气水两相流中各个相的分相流量：

W_g＝Wx                            (5)

W_l＝W(1-x)                        (6)

其中，W_s——气相质量流量；

W_l——水相质量流量。

综上，气水两相流多参数测量方法的步骤如图6所示：

1)利用阵列式电导传感器获取气水两相流的电导信号，利用差压变送器获取节流元件处的差压，利用压力变送器获取气水两相流的压力，利用温度变送器获取气水两相流的温度；

2)利用基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)分类技术建立的流型分类器，根据电导信号判别气水两相流的实时流型；

3)根据流型判别结果，选择该流型下基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)回归方法建立的相应空隙率测量模型，由电导信号计算气水两相流的空隙率；

4)根据流型判别结果，选择该流型下经参数优化后的Butterworth关系式，由平均空隙率计算气水两相流的干度；

5)根据流型判别结果，选择该流型下经参数优化后的Collins关系式，由干度和节流元件处的差压计算气水两相流的总质量流量和分相流量。

已针对空气-水两相流在内径为40mm的水平管上进行了试验，节流元件采用文丘里管，阵列式电导传感器采用16个针状电极。阵列式电导传感器和文丘里管附近的压力在0～0.2Mpag附近，气源压力为约0.3Mpag，空气流量范围为0.1～20m³/h，水流量范围为0.2～16m³/h，气水两相流干度小于0.1。初步试验结果表明，泡状流、层状流、段塞流的辨识正确率均在90％以上，环状流辨识正确率在85％以上，空隙率测量误差小于5％(静态试验)，干度测量误差小于15％，总质量流量测量误差小于10％。

Claims (7)

1.一种气水两相流多参数测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)利用阵列式电导传感器获取气水两相流的电导信号，差压变送器获取节流元件处的差压，压力变送器获取气水两相流的压力，温度变送器获取气水两相流的温度；

2)利用基于最小二乘支持向量机分类技术建立的流型分类器，根据电导信号判别气水两相流的实时流型；

3)根据流型判别结果，选择该流型下基于最小二乘支持向量机回归方法建立的相应空隙率测量模型，由电导信号计算气水两相流的空隙率；

4)根据流型判别结果，选择该流型下经参数优化后的Butterworth关系式，由平均空隙率计算气水两相流的干度；

5)根据流型判别结果，选择该流型下经参数优化后的Collins关系式，由于度和节流元件处的差压计算气水两相流的总质量流量和分相流量。

2.根据权利要求1所述的一种气水两相流多参数测量方法，其特征在于所述的空隙率测量模型是采用最小二乘支持向量机回归技术针对不同的流型分别建立的，对静态实验得到的电导信号和空隙率值进行最小二乘支持向量机的回归而得。

3.根据权利要求1所述的一种气水两相流多参数测量方法，其特征在于所述的Butterworth关系式是基于原有Butterworth关系式针对不同的流型分别进行参数优化得到的，对测量得到的空隙率值和实际的干度值进行非线性函数的拟合优化而得。

4.根据权利要求1所述的一种气水两相流多参数测量方法，其特征在于所述的Collins关系式是基于原有Collins关系式针对不同的流型分别进行参数优化得到的，对测量得到的干度值、差压值和实际的两相流流量值进行非线性函数的拟合优化而得。

5.一种气水两相流多参数测量装置，其特征在于：它具有计量管道，在计量管道上依次安装压力变送器、温度变送器、阵列式电导传感器、节流元件，阵列式电导传感器经电导测量及采集电路与计算机相连接，节流元件与差压变送器相连接，差压变送器、压力变送器、温度变送器经数据采集电路与计算机相连接。

6.根据权利要求5所述的一种气水两相流多参数测量装置，其特征在于所述的电导测量及采集电路具有相连接的激励和测量模块、双向电流源模块、信号采集和控制模块和USB通讯模块，激励和测量模块具有8个激励和测量电路，并通过高频屏蔽线与阵列式电导传感器的电极相连，信号采集和控制模块包括相连接的第一仪表放大器、模数转换器、数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、数模转换器，复杂可编程逻辑器件与模数转换器、数模转换器的控制端相连接，第一仪表放大器的输入端分别与激励和测量模块、数模转换器相连，数字信号处理器与USB通讯模块相连以传输控制信号和电导信号。

7.根据权利要求6所述的电导测量及采集电路，其特征在于所述的激励和测量模块中的各个激励和测量电路：它通过多路开关将双向电流源模块输出的双极性脉冲引入阵列式电导传感器的相邻电极间进行电流激励，各相邻的电极分别与相应的第二仪表放大器的两个输入端相连，第二仪表放大器的输出端与正向采样保持器、反向采样保持器的输入端相连，正向采样保持器、反向采样保持器的输出端与差动放大器相连，差动放大器的输出端经模拟开关接入信号采集和控制模块。

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