CN101750124A - 一种多相流体的流速测量系统及测量方法 - Google Patents

一种多相流体的流速测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及流体测量技术领域，提供一种多相流体的流速测量系统及测量方法，其中：所述系统包括依次连接的测量模块、信号放大模块、数据处理模块、终端模块，所述测量模块至少包括两台测量装置以一定距离安装在管道上，其利用核物理方法分别测量所在截面上通过的某同一元素的含量；所述信号放大模块分别与上述两台测量装置相连接，将测量所得信号进行放大调整；所述数据处理模块首先将上述信号转化为数字信号，然后依次进行数字低通滤波处理及量化处理，再利用互相关函数原理建立数学模型，对信号进行数据分析处理，将流量及流速的结果输出给上述终端模块。本发明降低了测量的复杂度，同时减少带来的相应误差，提高了测量精度及可靠性。

Description

一种多相流体的流速测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及流体测量技术领域，特别是涉及一种多相流体的流速测量系统及测量方法。
背景技术
在多相流速流量测量过程中，一个不同于单相测量的关键点是：同一管段中的不同管段流量的大小/流体物理性质(温度、压力、密度、粘度、表面张力等)、管道的位置、管道截面或几何形状的变化都可能改变流型，所以即使某种流量仪表成功地解决了某一流率的两相流量测量，而因上述原因引起了流态的变化，仍可能引入较大的测量误差。所以正是由于多相流在流动过程中流型复杂、成分多变等原因，使得多相流量计的开发极其困难，到目前为止很少有实用性好的多相流量计。
目前市场上的多相测量技术，主要有以下几种方法(对于气、液二相)：
1、分离法
分离法又分为完全分离和部分分离，完全分离即将气液二相流通过分离器，分离为气、液两相后，再分别用单相流量仪表分别进行计量，分离器体积庞大、笨重，价格昂贵，且无法进行在线测量；而部分分离方法分离出的流体、气液比率是否与主管道一致；流态是否会发生变化；按分流比例换算能否得到必需的准确度，都是难以确定的。
2、直接测量法
a、差压式
是两相流量计研究最为广泛，工作较为可靠、稳定的一种方法，它以分相或均相模型为基础建立了流量与差压的关系。
b、速度式
通过测量两相流的流速来测量气、液两分相流量、广泛采用了新技术，如：
力学法-利用流体的动压、动力矩、离心力测流速；
相关法-通过两点的相关函数测流速；
光学法-采用激光多普勒效应或光纤技术测流速；
热学法-采用热线风速仪测流速；
电磁法-利用电磁感应测流速；
核磁共振法-通过核磁共振原理测流速；
c、容积式
通过气、液相的流体基本特性的差异达到测量分相的流量，如气相体积流量与流动状态下的压力密切有关；而液相的体积流量与流动状态下的压力基本无关，根据总体积流量、压力、温度三个参数与被测介质的热力性质可推算各分相的体积流量。
d、质量式
流体在流动中如果温度、压力频繁变化，将导致密度的变化，使其容积流量不能反映质量流量的大小。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的主要目的在于提供一种多相流体的流速测量系统及测量方法，其借用于互相关流量计的测量原理，利用核物理测量的方法，忽略其流体中介电常数、电导率、吸收率和含率等等之间的相应关系，从而降低系统测量的复杂度，同时减少带来的相应误差，提高测量精度，在信号处理中，通过先进的电子技术、建立先进的数学模型，从而达到高精度、高可靠性测量的目的。
为了达到以上目的，本发明提供的该种多相流体的流速测量系统，主要包括依次连接的测量模块、信号放大模块、数据处理模块、终端模块，其中：
所述测量模块至少包括两台测量装置，所述两台测量装置以一定距离安装在管道上，其利用核物理方法分别测量所在截面上通过的某同一元素的含量；
所述信号放大模块分别与上述两台测量装置相连接，将测量所得信号进行放大调整；
所述数据处理模块首先将上述信号转化为数字信号，然后依次进行数字低通滤波处理及量化处理，再利用互相关函数的两同频正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差的余弦值成正比的原理建立数学模型，对信号进行数据分析处理，将流量及流速的结果输出给上述终端模块。
所述测量装置主要包括信号发射端、信号接收端、准直器，信号发射端发出的X射线经过准直器后进入流体中，与流体发生一系列的物理反应，如光电效应、康普顿散射等，由于不同的元素对X射线的反应程度不同，因此在接收端接收到的信号也相应的不相同，再者，由于所述两个测量装置是分别通过两组不同能量的射线进行测量，因此可以利用联立矩阵算法求得各个元素之间的相对含量，其中所述准直器用于滤掉多余的散射效应、消除干扰等；
本发明提供的该种多相流体的流速测量系统，还可以再包括一均相装置安装于所述测量模块前端，用于在流体的流态不稳定，且测量装置之间距离较大的情况下，保证流体的所有成分均以相同速度向前流动。
本发明提供的该种多相流体的流速测量系统，还可以再包括一进气装置设置于测量模块前端，用于在流体介质特性很接近，不容易找出特征参量的变化的情况下，由该进气装置定时定量的加入不同成分、不同性质的气体或其他物质，然后计算加入物质的特征参数，并减去所加入的体积常数，即可得到流体的流速、流量等参数。
在上述情况都存在时，可以同时包括均相装置及进气装置，其中所述进气装置设置于所述均相装置与测量模块之间。
另外，本发明再提供一种多相流体的流速测量方法，该方法综合运用相关法及核物理测量方法，包括以下步骤：
a.在管道上以一定间距设置两台测量装置，分别测量相应截面上流体的某同一元素的含量；
b.通过信号放大模块将上述所得的测量信号进行放大；
c.通过数据处理模块将上述信号转化为数字信号，然后依次进行数字低通滤波处理及量化处理，再利用互相关函数的两同频正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差的余弦值成正比的原理建立数学模型，对信号进行数据分析处理，将流量及流速的结果输出。
其中，所述步骤a中，测量装置采用核物理方法，根据不同元素对X射线的吸收特性不同及相互作用的原理，得出流体中某一元素的含量信号；
另外，在流体的流态不稳定，且所述测量装置之间距离较大的情况下，可以分别由各元素的不同含量变化测出某一元素相对的运动速度或流量，然后根据需要可以由含量、密度、温度、压力等参数推算出所有的平均流量；
上述情况还可以通过设置一均相装置于所述测量装置前端，以保证流体的所有成分均以相同速度向前流动；
在流体介质特性很接近，不容易找出特征参量的变化的情况下，所述步骤a中可以通过设置一进气装置于测量模块前端，由该进气装置定时定量的加入不同成分、不同性质的气体或其他物质，如此一来，在后续步骤c中，通过计算加入物质的特征参数，并减去所加入的体积常数，即可得到流体的流速、流量等参数。
综上所述，本发明提供的种多相流体的流速测量系统及测量方法，通过利用互相关流量计的测量原理及核物理测量方法，降低了测量的复杂度，同时减少带来的相应误差，提高测量精度，且可靠性高，另外，因其元素含量采用的是用核物理方法，其为多相测量，所以在处理过程中可以选择任意一元素作为参考量，免除其他方法测量所带来的局限性。
附图说明
图1为本发明采用的相关法测量流量流速原理的结构示意图；
图2为本发明采用的相关法测量流量流速原理的一台设备取样变化率曲线分布示意图；
图3为本发明采用的相关法测量流量流速原理的另一台设备取样变化率曲线分布示意图；
图4为本发明提供的一种多相流体的流速测量系统的结构示意图；
图5为本发明提供的一种多相流体的流速测量系统的测量装置的结构示意图；
图6为本发明提供的一种多相流体的流速测量系统的另一种结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例以及说明书附图对本发明的技术方案进一步说明，但不作为对其的限定：
采用相关法测量流量流速的原理：
如图1所示，在流体通过管道3过程中，会产生不同的流态，由于流体非单一介质，所以在流动过程中，其某些特定的物理性质总会产生相应的波动(如含量，密度分布……)，这些变化遵循随即分布规律。所述设备1和设备2之间的距离为L，方向由设备1流向设备2，由同一时刻两台设备分别采样取得管道3截面积中某分量的取样变化率F(k)和G(k)，在理想状态下，有如下关系：
F(k)＝G(k+tc)
其中tc为流体单位截面经过A和B所用过的时间，曲线分布如图2及图3所示。
则：
流体的流速为：V＝L/tc
体积流量为：Fv＝V×S＝π×(d/2)2×L/tc
质量流量为：Fm＝ρ×Fv
其中S管道3截面积，D为管道3直径，ρ可以通过测得流体中各个物质的含量之比获得。
但在实际过程中，流体的运动不是一成不变的，即两个截面之间在运行之后，设备1截面到设备2截面的过程中其特性肯定会发生改变，所以有以下几点要求：
a.满足采样频率允许和设备硬件安装许可的情况下，两采样点间的距离L应尽量小，保证两个采样截面之间的失真最小；
b.采样频率尽可能高，提高测量精度，但不能超过后续计算机算法处理的速度；
c.建立先进的数学模型，完成数据的转换。
如图4所示，本发明提供的该种多相流体的流速测量系统，主要包括依次连接的测量模块10、信号放大模块20、数据处理模块30、终端模块40，其中：
所述测量模块10至少包括两台测量装置101，所述两台测量装置101以一定距离安装在管道3上，其利用核物理方法分别测量所在截面上通过的某同一元素的含量；
所述信号放大模块20分别与上述两台测量装置101相连接，将测量所得信号进行放大调整；
所述数据处理模块30首先将上述信号转化为数字信号，然后依次进行数字低通滤波处理及量化处理，再利用互相关函数的两同频正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差的余弦值成正比的原理建立数学模型，对信号进行数据分析处理，将流量及流速的结果输出给上述终端模块40。
再如图5所示，所述测量装置101主要包括信号发射端1011、信号接收端1012、准直器1013，信号发射端1011发出的X射线经过准直器1013后进入流体中，与流体发生一系列的物理反应，如光电效应、康普顿散射等，由于不同的元素对X射线的反应程度不同，因此在接收端接收到的信号也相应的不相同，信号接收端1012接收信号后，信号为正比于接收到X射线强度的电流信号(nA)，此时经上述信号放大模块20的前端放大至uV～mV级电压信号，再经由上述信号放大模块20的主运放放大至V级的电压信号，然后数据处理模块30进行数据采集转换为数字信号，再进行后续数据处理，其中所述准直器1013用于滤掉多余的散射效应、消除干扰等。
另外，本系统中所述两个测量装置101是分别通过两组不同能量的射线进行测量，因此可以利用联立矩阵算法求得各个元素之间的相对含量；
如图6所示，本发明提供的该种多相流体的流速测量系统，还可以再包括一均相装置50安装于所述测量模块前端，用于在流体的流态不稳定，且测量装置101之间距离较大的情况下，保证流体的所有成分均以相同速度向前流动。
本发明提供的该种多相流体的流速测量系统，还可以再包括一进气装置60设置于测量模块前端，用于在流体介质特性很接近，不容易找出特征参量的变化的情况下，由该进气装置定时定量的加入不同成分、不同性质的气体或其他物质，然后计算加入物质的特征参数，并减去所加入的体积常数，即可得到流体的流速、流量等参数。
另外，本发明再提供一种多相流体的流速测量方法，该方法综合运用相关法及核物理测量方法，包括以下步骤：
a.在管道上以一定间距设置两台测量装置，分别测量相应截面上流体的某同一元素的含量；
b.通过信号放大模块将上述所得的测量信号进行放大；
c.通过数据处理模块将上述信号转化为数字信号，然后依次进行数字低通滤波处理及量化处理，再利用互相关函数的两同频正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差的余弦值成正比的原理建立数学模型，对信号进行数据分析处理，将流量及流速的结果输出。
其中，所述步骤a中，测量装置采用核物理方法，根据不同元素对X射线的吸收特性不同及相互作用的原理，得出流体中某一元素的含量信号；
所述步骤c中，所述数字低通滤波处理，是由于系统流动时产生的震动效应、测量的随机误差等等所产生的在终端的测量数据中反映出来的是叠加的高次谐波，在相关算法中，谐波的频率越高，相应的尖峰脉冲越多，则数据处理越困难，测量误差越大，所以要在前端进行数字低通滤波处理，使其数据的变化率平缓；
所述量化处理，是由于测量精度、流体在运动中的变化等等，引起两路的测量结果并不是完全一致的，为了使得在后续的算法中方便处理数据，应按照含量对测量值进行量化处理；
另外，在流体的流态不稳定，且所述测量装置之间距离较大的情况下，可以分别由各元素的不同含量变化测出某一元素相对的运动速度或流量，然后根据需要可以由含量、密度、温度、压力等参数推算出所有的平均流量；
上述情况还可以通过设置一均相装置于所述测量装置前端，以保证流体的所有成分均以相同速度向前流动；
在流体介质特性很接近，不容易找出特征参量的变化的情况下，所述步骤a中可以通过设置一进气装置于测量模块前端，由该进气装置定时定量的加入不同成分、不同性质的气体或其他物质，如此一来，在后续步骤c中，通过计算加入物质的特征参数，并减去所加入的体积常数，即可得到流体的流速、流量等参数。
上述方法中，可以利用测得不同介质特性的方法进行校正和对比，正确筛选出数据最准确的，或采用均值法，降低测量带来的误差。
以上已对本发明的技术内容作了详细说明，对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都不会超出本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多相流体的流速测量系统，其特征在于，主要包括依次连接的测量模块、信号放大模块、数据处理模块、终端模块，其中：
所述测量模块至少包括两台测量装置，所述两台测量装置以一定距离安装在管道上，其利用核物理方法分别测量所在截面上通过的某同一元素的含量；
所述信号放大模块分别与上述两台测量装置相连接，将测量所得信号进行放大调整；
所述数据处理模块首先将上述信号转化为数字信号，然后依次进行数字低通滤波处理及量化处理，再利用互相关函数的两同频正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差的余弦值成正比的原理建立数学模型，对信号进行数据分析处理，将流量及流速的结果输出给上述终端模块。
2.根据权利要求1所述的一种多相流体的流速测量系统，其特征在于，所述测量装置主要包括信号发射端、信号接收端、准直器。
3.根据权利要求1所述的一种多相流体的流速测量系统，其特征在于，再包括一均相装置安装于所述测量模块前端。
4.根据权利要求1所述的一种多相流体的流速测量系统，其特征在于，再包括一进气装置设置于所述测量模块前端。
5.根据权利要求3所述的一种多相流体的流速测量系统，其特征在于，再包括一进气装置设置于所述均相装置与测量模块之间。
6.一种多相流体的流速测量方法，其特征在于，该方法综合运用相关法及核物理测量方法，包括以下步骤：
a.在管道上以一定间距设置两台测量装置，分别测量相应截面上流体的某同一元素的含量；
b.通过信号放大模块将上述所得的测量信号进行放大；
c.通过数据处理模块将上述信号转化为数字信号，然后依次进行数字低通滤波处理及量化处理，再利用互相关函数的两同频正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差的余弦值成正比的原理建立数学模型，对信号进行数据分析处理，将流量及流速的结果输出。
7.根据权利要求6所述的一种多相流体的流速测量方法，其特征在于，所述步骤a中，测量装置采用核物理方法，根据不同元素对X射线的吸收特性不同及相互作用的原理，得出流体中某一元素的含量信号。
8.根据权利要求6所述的一种多相流体的流速测量方法，其特征在于，分别由各元素的不同含量变化测出某一元素相对的运动速度或流量，然后由含量、密度、温度、压力参数推算出所有的平均流量。
9.根据权利要求6所述的一种多相流体的流速测量方法，其特征在于，所述步骤a中设置一均相装置于所述测量装置前端。
10.根据权利要求6所述的一种多相流体的流速测量方法，其特征在于，所述步骤a中设置一进气装置于测量模块前端，由该进气装置定时定量的加入不同成分、不同性质的气体或其他物质，在后续步骤c中，通过计算加入物质的特征参数，并减去所加入的体积常数，得到流体的流速、流量参数。
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