CN103558179B - 一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置及方法。该装置包括近红外发射装置、近红外接收装置、数据采集单元和计算机。所述近红外发射装置所发射的近红外光属于不可见光，不可见光受外界环境影响小，单色性及稳定性好，能远距离精确跟踪热目标，探测能力强，作用距离远，因此可在环境比较恶劣的情况下（如油井产出的黑色不透光的流体介质中）测量气液两相流的截面相含率。所述近红外发射装置和近红外接收装置安装在管道的外壁，对管道内气液两相流的流动特性没有影响，故可在不分离气液两相流的情况下实现实时、在线测量。本装置响应时间短，可以进行高频测量，可以准确地确定气液两相流的截面相含率；而且设备简单，操作方便。

Description

一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多相流相含率测量方法，具体地说是一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置及方法。

背景技术

气液两相流（即“气液两相流体”的简称）广泛存在于石油、化工、能源、动力等众多工业过程中。“相含率”是表征气液两相流特征的重要参数之一，它的在线测量对于两相流系统的状态监控、实时控制、安全运行、节能增效等均有重要作用。

目前测量相含率的方法有：快速启闭阀门法、射线吸收/散射法、基于可见光的光学法、热学法、电学法和微波法等。快速启闭阀门法准确有效，主要用于测量装置的标定和在实验室测量管道的平均截面含气率；但是采用该方法测量时会切断流体的正常流动，因此不能在线、实时测量管道相含率。射线吸收法测量过程中存在与辐射操作有关的安全问题，并且气泡和孔隙率随时间的脉动对测量结果有一定的影响；射线散射法测量则需要较长时间的计数。基于可见光的光学法对所测量的介质有一定的限制，要求使用场合清洁度高，被测介质能透过可见光；光的发射和接收元件也容易受污染，致使其应用范围受到限制。热学法受气液介质的比热准确度的影响，致使测量结果不够准确。电学法受介电常数的影响，而介电常数受介质的矿化度影响较大，影响测量准确度。微波法本质上也属于电学法，与电学法具有相同的缺点。

除了上述几种相含率的测量方法外，还有基于红外技术的测量方法。例如：（1）红外水分测量装置，用于测量粉粒状固体中的含水量；（2）用于气液两相流分析的红外线检测装置，采用1.44μm～2.44μm波长红外光，属于液态水浓度检测领域，适用于对电解制氧装置水分分离后氧气流中的液态水浓度的检测；（3）气体中油污含量的红外三点检测装置，是对气体中油污含量检测的光学检测分析仪，在样品池中完成；（4）用红外线检测气液两相流流型的装置，采用940nm红外线波长，用于检测流动在测试管内气液两相流的流型。以上几种红外装置应用到多相流领域，主要是针对静态的（在样品池中进行测量）、稳定的、特定的低含水率流体进行气液两相流流型检测，因此采用上述红外装置还不能实时、在线、动态地对气液两相流的相含率进行测量。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，以解决现有的装置不能实时、在线、动态地对气液两相流的相含率进行测量的问题。

本发明的目的之二就是提供一种测量管道内气液两相流的截面相含率的方法，以解决现有的测量方法不能对气液两相流的相含率进行在线测量以及应用范围受限、测量结果准确度低等的问题。

本发明的目的之一是这样实现的：一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，包括：

近红外发射装置，安装在管道外壁，用于发射近红外光信号，所发射的近红外光信号穿过管道的管壁及管道内的气液两相流；所发射的近红外光的波长与管道内气液两相流中液相流体的近红外吸收光谱中的次强峰所对应的波长相同；

近红外接收装置，安装在与所述近红外发射装置处于同一横截面的管道外壁上，并与所述近红外发射装置以管道的截面圆心为对称设置，用于接收由所述近红外发射装置发射、并经管道的管壁和管道内的气液两相流透射过来的近红外光信号，再从所接收到的所述近红外光信号中提取光强信号，最后转换为感应电压信号输出；

数据采集单元，分别与所述近红外接收装置和计算机相接，用于采集由所述近红外接收装置输出的感应电压信号，在将所接收的所述感应电压信号进行放大、解调、滤波及模数转换后，以数字电压信号的形式发送给计算机；以及

计算机，包括数据处理单元、存储单元和显示单元，所述数据处理单元用于对所接收到的所述数字电压信号进行处理后得到特征值，根据所述特征值和管道内气液两相流的流向及欧氏距离公式来识别管道内气液两相流的流型，再根据管道内气液两相流的流向、流型和对应的截面含液率的求解公式，分别计算出管道内气液两相流的截面含液率和截面含气率。

所述近红外发射装置有至少两个，所述近红外接收装置与所述近红外发射装置的数量和位置一一对应；所述近红外接收装置与所述近红外发射装置在管道横截面上以过管道截面圆心的一条直线为对称分布。

所述近红外发射装置为近红外激光二极管发射探头，所述近红外接收装置为近红外硅光电二极管接收探头。

所述管道为有机玻璃管道或石英玻璃管道。

所述特征值包括均值、方差、峭度、频率重心、斜度和峰值因子。

本发明中的近红外发射装置所发射的近红外光属于不可见光，不可见光受外界环境影响小，单色性及稳定性好，能远距离精确跟踪热目标，探测能力强，作用距离远，因此可在环境比较恶劣的情况下（例如油井产出的黑色不透光的流体介质中）测量气液两相流的截面相含率。近红外发射装置和近红外接收装置安装在管道的外壁，对管道内气液两相流的流动特性没有影响，故可在不分离气液两相流的情况下实现实时、在线测量。本测量装置响应时间短，可以进行高频测量，可以准确地确定气液两相流的截面相含率；而且设备简单，操作方便。

本发明的目的之二是这样实现的：一种测量管道内气液两相流的截面相含率的方法，包括如下步骤：

a、将近红外发射装置和近红外接收装置安装在处于同一横截面的管道外壁上，且使所述近红外发射装置和所述近红外接收装置以管道的截面圆心成对称分布；

b、将数据采集单元分别与所述近红外接收装置和计算机相连接，并使各工作部件与电源相接；

c、控制所述近红外发射装置发射近红外光信号，所发射的近红外光的波长与管道内气液两相流中液相流体的近红外吸收光谱中的次强峰所对应的波长相同；所发射的近红外光信号穿过管道的管壁及管道内的气液两相流；

d、所述近红外接收装置接收由所述近红外发射装置所发射、并经管道的管壁和管道内的气液两相流透射过来的近红外光信号，再从所接收到的所述近红外光信号中提取光强信号，最后转换为感应电压信号输出；

e、所述数据采集单元采集由所述近红外接收装置输出的感应电压信号，在将所接收的所述感应电压信号进行放大、解调、滤波及模数转换后，以数字电压信号的形式发送给计算机；

f、所述计算机中的数据处理单元在对所接收到的数字电压信号进行处理后得到特征值，之后根据所述特征值和管道内气液两相流的流向及欧氏距离公式来识别管道内气液两相流的流型，再根据管道内气液两相流的流向、流型和对应的截面含液率的求解公式分别计算出管道内气液两相流的截面含液率和截面含气率。

步骤f中所述特征值包括均值、方差、峭度、频率重心、斜度和峰值因子；所述气液两相流中的液相流体为水，所述气液两相流的不同流向及不同流型所对应的截面含液率的求解公式分别为：

1）、水平流向下泡状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.0556\stackrel{\‾}{x}+0.0829s+0.9348$

式中：为均值，s为方差；

2）、竖直流向下泡状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.0025\stackrel{\‾}{x}-0.4371s+1.0239$

式中：为均值，s为方差；

3）、水平流向下环状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=-0.6273\stackrel{\‾}{x}+0.8551{\stackrel{\‾}{x}}^4+18.2972\sqrt[4]{F_g}-54.5570\sqrt[8]{F_g}+41.0346$

式中：为均值，Fg为频率重心；

4）、竖直流向下环状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.7323s-1.6777s^2+1.2012F_g-10.6584\sqrt{F_g}+23.6913$

式中：s为方差，Fg为频率重心；

5）、水平流向下分层流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=-1.5456\stackrel{\‾}{x}+0.3019{\stackrel{\‾}{x}}^2+0.5362s+0.2798C^2+1.2340$

式中：为均值，s为方差，C为峰值因子；

6）、竖直流向下弹状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=31.4876\stackrel{\‾}{x}-82.4076\sqrt{\stackrel{\‾}{x}}+54.0794$

式中：为均值；

7）、竖直流向下乳沫状流所对应的截面含液率的求解公式为：

β_w=-33.0443C+16.0996C²-0.0166F_g+17.2983

式中：C为峰值因子，Fg为频率重心。

本发明通过在管道外壁安装近红外发射装置和近红外接收装置，由近红外发射装置发射近红外光信号，所发射的近红外光的波长与管道内气液两相流中液相流体的近红外吸收光谱中次强峰所对应的波长相同，因此当所发射的近红外光穿过管道内的气液两相流时，气液两相流中的液相流体将会吸收部分近红外光的能量，气液两相流中的截面含液率越高，被吸收的近红外光的能量越多，透射过去的近红外光的能量越少。本发明通过测量透射过去的近红外光的能量，由近红外接收装置将透射光强信号转换为感应电压信号，之后由计算机中的数据处理单元对实测感应电压信号进行处理以得到特征值，再根据管道内气液两相流的流向及欧氏距离公式识别管道内气液两相流的流型，最后根据管道内气液两相流的流向、流型及对应的截面含液率的求解公式，分别计算出管道内气液两相流的截面含液率和截面含气率。采用本测量方法不用对气液两相流进行分离，可实现实时、在线、快速、准确测量的目的。

附图说明

图1是本发明测量管道内气液两相流的截面相含率的装置结构示意图。

具体实施方式

实施例1：测量管道内气液两相流的截面相含率的装置。

如图1所示，本发明测量管道内气液两相流的截面相含率的装置包括近红外发射装置1、近红外接收装置2、数据采集单元3和计算机4。

近红外发射装置1用于发射近红外光（波长为780nm～2500nm）信号，近红外接收装置2用于接收由近红外发射装置1所发射、并经管道5的管壁及管道5内的气液两相流透射出来的近红外光信号，并将接收到的光信号转换为电信号，数据采集单元3从近红外接收装置2处采集电信号并发送给计算机4，计算机4中的数据处理单元对数据采集单元3所采集的电信号进行处理，通过特征提取、流型识别，最终计算出气液两相流中的截面相含率。

近红外发射装置1可以为近红外激光二极管发射探头，近红外接收装置2可以为近红外硅光电二极管接收探头。近红外发射装置1和近红外接收装置2还可以均采用光纤探头来实现近红外光的发射和接收。近红外发射装置1和近红外接收装置2成对设置，两者安装在处于同一横截面的管道5外壁上，且两者以管道5的截面圆心O为对称设置，以保证由近红外发射装置1发射、并经管道5的管壁及管道5内的气液两相流透射出来的近红外光信号可被近红外接收装置2所接收。管道5可以为水平管道，也可以为竖直管道。管道5的材质应该是能够被近红外光透射（或穿透）过去的材料，即近红外窗口材料，例如有机玻璃、石英玻璃等。图中示出了四对近红外发射装置1和近红外接收装置2，这四对近红外发射装置1和近红外接收装置2均匀分布在同一横截面的管道5外壁上，相邻近红外发射装置1或近红外接收装置2之间的夹角为45°。当然，不均匀分布也可以实施。设置多对近红外发射装置1和近红外接收装置2的目的是为了使近红外光从多角度、多方位穿过管道5内的气液两相流，以保证所测数据能够真实、准确地反映管道5内的气液两相流，减少测量误差。

当光通过有吸光性质的某一均匀介质时，其光强就会减弱，而被吸收的值取决于光程中所存在的分子数，与入射光的强度无关，其定量分析基于Lambere-Beer定律。若平行单色入射光强度为I₀，通过一薄层dL，能量减少了-dI，则Lambere-Beer定律可表示为：

-dI=kI₀dL

式中：k为比例常数，该比例常数与入射光波长和分子吸收性质有关，对上式从0到L积分可得：

${\log }_{10}\frac{I_0}{I}=\mathrm{KL}$

式中：K为消光系数或吸光系数，I₀为入射光强度，I为透射光强度，L为通过介质的层厚。

同一物质在不同波长处的吸光系数是不同的，但对不同浓度的同一物质，在相同波长亦应得到不同的吸光系数。

因此，本发明基于近红外光穿过管道时管道内的气体和液体对近红外光的敏感吸收程度不同来确定气液两相流中的截面相含率，本说明书中截面相含率是指通过管道某一截面的气相流体和液相流体所占的百分含率。

近红外发射装置1所发射的近红外光的波长由管道5内气液两相流中的液相流体来决定，应满足：当近红外光穿过管道5内的气液两相流时气相流体对近红外光的吸收相对于液相流体对近红外光的吸收而言是非常小的，且液相流体不会完全吸收近红外光，因此，一般可选取所发射的近红外光的波长与管道5内气液两相流中液相流体的近红外吸收光谱中的次强峰或第三强峰所对应的波长相同（因最强峰所对应的波长将会完全吸收近红外光，故不选取），或是其他满足气相流体不吸收近红外光、液相流体吸收部分近红外光条件的波长等（例如液相流体对近红外光的吸收率为50%～80%时所对应的波长），这样，当近红外光穿过管道5内的气液两相流时将被其中的液相流体吸收部分能量，从而使得透射出去的近红外光的能量减少。

在本测量装置中，若管道5内气液两相流中的液相流体为水，则近红外发射装置1所发射的近红外光的波长可选择980nm或1900nm。其中，980nm的近红外光相比1900nm的近红外光而言，对水的吸收能力较弱，因此，当气液两相流中截面含水率较低时可以采用1900nm波长的近红外光发射装置，当气液两相流中截面含水率较高时可以采用980nm波长的近红外光发射装置。

近红外光信号穿过管道5的管壁及管道5内的气液两相流透射出去后被近红外接收装置2所接收，近红外接收装置2从所接收到的近红外光信号中提取光强信号，并把所提取的光强信号转换为感应电压信号后输出。近红外接收装置2所接收到的近红外光的强度与感应电压成正比，即：所接收到的近红外光的强度越大，感应电压越大；反之，所接收到的近红外光的强度越小，感应电压越小。所接收到的近红外光的强度与管道内气液两相流的截面含液率成反比，截面含液率越高，则被液相流体所吸收的近红外光的能量越多，透射出去的近红外光的能量越少，即所接收到的近红外光的强度越小，因此，当管道为空管（即没有液体）时，所接收到的近红外光的强度最大，当管道内充满液相流体体时，所接收到的近红外光的强度最小。

近红外接收装置2与数据采集单元3相接，近红外接收装置2所输出的感应电压信号被数据采集单元3所采集。数据采集单元3对所采集的感应电压信号进行放大、解调、滤波及模数转换，得到数字电压信号，之后将所得数字电压信号发送给计算机4。

计算机4包括数据处理单元、存储单元和显示单元。数据处理单元首先将数据采集单元3所采集的数字电压信号进行处理，以得到包括均值方差s、峭度KUR、频率重心Fg、斜度SKE和峰值因子C等在内的特征值（或称特征量）。

对于不同的流向，分别对应不同的标准特征量（这是由流向的性质所决定）。竖直流向所对应的标准特征量为均值方差s₀、峭度KUR₀和频率重心Fg₀；水平流向所对应的标准特征量为斜度SKE₀、峭度KUR₀、峰值因子C₀和频率重心Fg₀。

竖直流向的标准特征向量为s₀，KUR₀，Fg₀），若实测一组特征值包括均值方差s、峭度KUR和频率重心Fg，则标准特征向量和实测特征值之间的欧式距离公式为：

$D_1={\left[25(\stackrel{\‾}{x}-\stackrel{\‾}{x_0})\right]}^2+{\left[25(s-s_0)\right]}^2+{(\mathrm{KUR}-\mathrm{KU}{R}_0)}^2+{(F_g-F_{g0})}^2$

水平流向的标准特征向量为（SKE₀，KUR₀，C₀，Fg₀），若实测一组特征值斜度SKE、峭度KUR、峰值因子C和频率重心Fg，则标准特征向量和实测特征值之间的欧式距离公式为：

D₂=25(SKE-SKE₀)²+(KUR-KUR₀)²+(C-C₀)²+(F_g-F_g0)²

预先对较为典型的气液两相流进行多次实验，可分别求得竖直流向和水平流向下不同流型所对应的标准特征向量。

以水气两相流为例进行说明，通过多次实验求得竖直流向和水平流向下不同流型所对应的标准特征向量分别为下列表1和表2中所示数据。

表1：竖直流向下标准特征向量表

表2：水平流向下标准特征向量表

流型	SKE0	KUR0	C0	Fg0
					分层流	-0.7818	7.5176	1.0965	30.2322
环状流	1.3531	8.1418	1.0526	23.7346
					泡状流	-0.3836	2.7693	1.0876	24.5731

在管道内水气两相流流向一定的情况下，将所测特征值代入所对应的欧式距离公式中，对应不同流型下分别计算相应的欧式距离（此时可用到表1或表2中的数据），所得欧氏距离最小值即为该水气两相流的流型。

由于每种特征值对不同流型的敏感程度不同，因此需要针对每一种流型分别做实验、测数据、作拟合，找出与其相对应的敏感特征值并确定管道内水气两相流的截面含液率（或含水率）的求解公式。

通过对水平流向泡状流和竖直流向泡状流的各特征值（实测所得）和截面含液率（预先可知）之间关系的不断拟合，发现均值和方差s能够较好地确定截面含液率的值，因此在两种流向下的泡状流均采用均值和方差s来拟合截面含液率的求解公式。

通过拟合得竖直流向下泡状流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.0025\stackrel{\‾}{x}-0.4371s+1.0239$

通过拟合得水平流向下泡状流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.0556\stackrel{\‾}{x}+0.0829s+0.9348$

对于竖直流向下的环状流，由于方差s和频率重心Fg对该流型比较敏感，因此选用方差s和频率重心Fg作为拟合公式中的未知量；通过拟合得竖直流向下环状流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.7323s-1.6777s^2+1.2012F_g-10.6584\sqrt{F_g}+23.6913$

对于水平流向下的环状流，均值和频率重心Fg能够很好地反应截面相含率的变化，因此选用均值和频率重心Fg作为拟合公式中的未知量；通过拟合得水平流向下环状流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=-0.6273\stackrel{\‾}{x}+0.8551{\stackrel{\‾}{x}}^4+18.2972\sqrt[4]{F_g}-54.5570\sqrt[8]{F_g}+41.0346$

对于水平流向下的分层流，选取了均值方差s和峰值因子C三种特征量；通过拟合得水平流向下分层流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=-1.5456\stackrel{\‾}{x}+0.3019{\stackrel{\‾}{x}}^2+0.5362s+0.2798C^2+1.2340$

对于竖直流向下的弹状流，选取了均值作为特征量；通过拟合得竖直流向下弹状流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=31.4876\stackrel{\‾}{x}-82.4076\sqrt{\stackrel{\‾}{x}}+54.0794$

对于竖直流向下的乳沫状流，选取了峰值因子C和频率重心Fg两种特征量；通过拟合得竖直流向下乳沫状流的截面含液率的求解公式为：

β_w=-33.0443C+16.0996C²-0.0166F_g+17.2983

在管道内水气两相流的流向及流型确定的情况下，选择相应的截面含液率的求解公式，将实测特征值代入所选截面含液率的求解公式中即可求出管道内水气两相流的截面含液率，截面含液率求出后截面含气率自然可得出。

计算机4中的存储单元用于对所测数据、所处理的各数据和拟合所得各公式等进行存储，显示单元用于对测量结果进行显示。

实施例2：测量管道内气液两相流的截面相含率的方法。

结合图1，本实施例中管道5内为待测水气两相流，该管道5的前端连接两个单相管道，两个单相管道内分别为气体和水，两个单相管道汇集到一处后与管道5相接，水和气体混合到一起均匀后即为管道5内的水气两相流。因此，通过两个单相管道内水和气体两相流体的比例可计算出管道5内水气两相流的实际截面相含率。

具体测量时，首先将近红外发射装置1和近红外接收装置2安装在处于同一横截面的管道5外壁上，且使近红外发射装置1和近红外接收装置2以管道5截面圆心O为对称分布。将数据采集单元3分别与近红外接收装置2和计算机4相连接，并使各工作部件与电源相接。之后检查各个设备及显示是否正常。

当检查完毕后，开启气相管道，待气路压力稳定后开启水相管道，待管道5内的水气两相流稳定后，开启检测装置电源。之后使近红外发射装置1发射980nm的近红外光信号，所发射的980nm的近红外光信号穿过管道5的管壁及管道5内的水气两相流后透射出去，被近红外接收装置2所接收，近红外接收装置2从接收到的近红外光信号中提取光强信号，之后转换为感应电压信号并输出。数据采集单元3从近红外接收装置2处采集感应电压信号，设定采样时间为35s，采样频率为500Hz。数据采集单元3对所采集的感应电压信号进行放大、解调、滤波及模数转换，得到数字电压信号，之后将所得数字电压信号发送给计算机。计算机4内的存储单元首先对接收到的数据（即数字电压信号，或称采样数据）进行存储；接着由数据处理单元对接收到的数据进行处理，通过特征提取、模型识别，最终计算出水气两相流的截面相含率；计算结果可通过显示单元显示出来，同时计算结果还通过存储单元进行保存。

数据处理单元接收到采样数据后，首先从采样数据中提取特征值。本实施例中所提取的特征值包括均值方差s、峭度KUR、频率重心Fg、斜度SKE和峰值因子C，特征值的提取可根据采样数据计算所得。在这些特征值里，针对竖直流向（即管道为竖直管道的情形）提取四个标准特征量，分别为均值、方差s₀、峭度KUR₀和频率重心Fg₀；针对水平流向（即管道为水平管道的情形）提取四个标准特征量，分别为斜度SKE₀、峭度KUR₀、峰值因子C₀和频率重心Fg₀。当然，针对竖直流向和水平流向也可以提取更多的标准特征量，以使得测量结果更为精确，但是标准特征量提取的越多，则计算过程越复杂，从而使得测量时间变长，响应速度变慢，因此本发明中选取四个标准特征量，在保证测量结果准确的情况下提高了检测速度。

竖直流向的标准特征向量为s₀，KUR₀，Fg₀），若实测一组特征值包括均值方差s、峭度KUR和频率重心Fg，则标准特征向量和实测特征值之间的欧式距离公式为：

$D_1={\left[25(\stackrel{\‾}{x}-\stackrel{\‾}{x_0})\right]}^2+{\left[25(s-s_0)\right]}^2+{(\mathrm{KUR}-\mathrm{KU}{R}_0)}^2+{(F_g-F_{g0})}^2$

水平流向的标准特征向量为（SKE₀，KUR₀，C₀，Fg₀），若实测一组特征值包括斜度SKE、峭度KUR、峰值因子C和频率重心Fg，则标准特征向量和实测特征值之间的欧式距离公式为：

D₂=25(SKE-SKE₀)²+(KUR-KUR₀)²+(C-C₀)²+(F_g-F_g0)²

预先对较为典型的水气两相流进行多次实验，可分别求得竖直流向和水平流向下不同流型所对应的标准特征向量，具体见实施例1中表1和表2。所求得的标准特征向量及两种流向所对应的欧式距离公式可预先存储于计算机4的存储单元中。

在管道内水气两相流流向一定的情况下，将所测特征值代入所对应的欧式距离公式中，对应不同流型下分别计算相应的欧式距离（此时可用到表1或表2中数据），所得欧氏距离最小值即为该水气两相流的流型。以竖直流向为例进行说明：将所测特征值均值方差s、峭度KUR和频率重心Fg代入欧式距离公式D₁中，由于欧式距离公式D₁中的标准特征向量s₀，KUR₀，Fg₀）对于不同的流型具有不同的值，因此，在不同流型（包括弹状流、泡状流、环状流和乳沫状流）下将相应的标准特征向量s₀，KUR₀，Fg₀）（具体见实施例1中表1）分别代入欧式距离公式D₁中，所得四个欧式距离中的最小值即为该水气两相流的流型，至此流型识别完成。

由于每种特征值对不同流型的敏感程度不同，因此需要预先针对每一种流型分别做实验、测数据、作拟合，找出与流型相对应的敏感特征值并确定管道内水气两相流的截面含液率（或含水率）的求解公式。

通过对水平流向泡状流和竖直流向泡状流的各特征值（实测所得）和截面含液率（预先可知）之间关系的不断拟合，发现均值和方差s能够较好地确定截面含液率的值，因此在两种流向下的泡状流均采用均值和方差s来拟合截面含液率的求解公式。

通过拟合得竖直流向下泡状流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.0025\stackrel{\‾}{x}-0.4371s+1.0239$

通过拟合得水平流向下泡状流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.0556\stackrel{\‾}{x}+0.0829s+0.9348$

对于竖直流向下的环状流，由于方差s和频率重心Fg对该流型比较敏感，因此选用方差s和频率重心Fg作为拟合公式中的未知量；通过拟合得竖直流向下环状流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.7323s-1.6777s^2+1.2012F_g-10.6584\sqrt{F_g}+23.6913$

对于水平流向下的环状流，均值和频率重心Fg能够很好地反应截面相含率的变化，因此选用均值和频率重心Fg作为拟合公式中的未知量；通过拟合得水平流向下环状流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=-0.6273\stackrel{\‾}{x}+0.8551{\stackrel{\‾}{x}}^4+18.2972\sqrt[4]{F_g}-54.5570\sqrt[8]{F_g}+41.0346$

对于水平流向下的分层流，选取了均值方差s和峰值因子C三种特征量；通过拟合得水平流向下分层流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=-1.5456\stackrel{\‾}{x}+0.3019{\stackrel{\‾}{x}}^2+0.5362s+0.2798C^2+1.2340$

对于竖直流向下的弹状流，选取了均值作为特征量；通过拟合得竖直流向下弹状流的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=31.4876\stackrel{\‾}{x}-82.4076\sqrt{\stackrel{\‾}{x}}+54.0794$

对于竖直流向下的乳沫状流，选取了峰值因子C和频率重心Fg两种特征量；通过拟合得竖直流向下乳沫状流的截面含液率的求解公式为：

β_w=-33.0443C+16.0996C²-0.0166F_g+17.2983

上述数据拟合所得各流向及各流型所对应的截面含液率的求解公式也预先存储在计算机4的存储单元中。

在管道内水气两相流的流向及流型确定的情况下，从存储单元中选择相应的截面含液率的求解公式，将实测特征值代入所选截面含液率的求解公式中即可求出管道内水气两相流的截面含液率，之后根据所得截面含液率计算出截面含气率。

将采用上述方法计算所得水气两相流的截面含液率与实际截面含液率（根据两个单相管道内水和气体的比例可知）相比，即可得出采用本测量方法所得结果的测量误差。通过计算可知：竖直流向下泡状流的截面含液率的测量误差在±4%以内，而水平流向下泡状流的截面含液率的测量误差则达到了±1%以内。环状流下的截面含液率的测量误差相比泡状流要高，竖直流向下环状流的截面含液率的测量误差达到了±4%，水平流向下环状流的截面含液率的测量误差达到了±3.5%。因此，采用本测量方法可较准确地测量出管道内气液两相流的截面相含率。

Claims (5)

1.一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，其特征是，包括：

近红外发射装置，安装在管道外壁，用于发射近红外光信号，所发射的近红外光信号穿过管道的管壁及管道内的气液两相流；所发射的近红外光的波长与管道内气液两相流中液相流体的近红外吸收光谱中的次强峰或第三强峰所对应的波长相同；

近红外接收装置，安装在与所述近红外发射装置处于同一横截面的管道外壁上，并与所述近红外发射装置以管道的截面圆心为对称设置，用于接收由所述近红外发射装置发射、并经管道的管壁和管道内的气液两相流透射过来的近红外光信号，再从所接收到的所述近红外光信号中提取光强信号，最后转换为感应电压信号输出；

数据采集单元，分别与所述近红外接收装置和计算机相接，用于采集由所述近红外接收装置输出的感应电压信号，在将所接收的所述感应电压信号进行放大、解调、滤波及模数转换后，以数字电压信号的形式发送给计算机；以及

计算机，包括数据处理单元、存储单元和显示单元，所述数据处理单元用于对所接收到的所述数字电压信号进行处理后得到特征值，根据所述特征值和管道内气液两相流的流向及欧氏距离公式来识别管道内气液两相流的流型，再根据管道内气液两相流的流向、流型和对应的截面含液率的求解公式，分别计算出管道内气液两相流的截面含液率和截面含气率；

所述特征值包括均值、方差、峭度、频率重心、斜度和峰值因子；所述气液两相流中的液相流体为水，所述气液两相流的不同流向及不同流型所对应的截面含液率的求解公式分别为：

1)、水平流向下泡状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.0556\stackrel{\‾}{x}+0.0829s+0.9348$

式中：为均值，s为方差；

2)、竖直流向下泡状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.0025\stackrel{\‾}{x}-0.4371s+1.0239$

式中：为均值，s为方差；

3)、水平流向下环状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=-0.6273\stackrel{\‾}{x}+0.8551{\stackrel{\‾}{x}}^4+18.2972\sqrt[4]{F_g}-54.5570\sqrt[8]{F_g}+41.0346$

式中：为均值，Fg为频率重心；

4)、竖直流向下环状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.7323s-1.6777s^2+1.2012F_g-10.6584\sqrt{F_g}+23.6913$

式中：s为方差，Fg为频率重心；

5)、水平流向下分层流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=-1.5456\stackrel{\‾}{x}+0.3019{\stackrel{\‾}{x}}^2+0.5362s+0.2798C^2+1.2340$

式中：为均值，s为方差，C为峰值因子；

6)、竖直流向下弹状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=31.4876\stackrel{\‾}{x}-82.4076\sqrt{\stackrel{\‾}{x}}+54.0794$

式中：为均值；

7)、竖直流向下乳沫状流所对应的截面含液率的求解公式为：

β_w＝-33.0443C+16.0996C²-0.0166F_g+17.2983

式中：C为峰值因子，Fg为频率重心。

2.根据权利要求1所述的测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，其特征是，所述近红外发射装置有至少两个，所述近红外接收装置与所述近红外发射装置的数量和位置一一对应；所述近红外接收装置与所述近红外发射装置在管道横截面上以过管道截面圆心的一条直线为对称分布。

3.根据权利要求1所述的测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，其特征是，所述近红外发射装置为近红外激光二极管发射探头，所述近红外接收装置为近红外硅光电二极管接收探头。

4.根据权利要求1所述的测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，其特征是，所述管道为有机玻璃管道或石英玻璃管道。

5.一种测量管道内气液两相流的截面相含率的方法，其特征是，包括如下步骤：

a、将近红外发射装置和近红外接收装置安装在处于同一横截面的管道外壁上，且使所述近红外发射装置和所述近红外接收装置以管道的截面圆心成对称分布；

b、将数据采集单元分别与所述近红外接收装置和计算机相连接，并使各工作部件与电源相接；

c、控制所述近红外发射装置发射近红外光信号，所发射的近红外光的波长与管道内气液两相流中液相流体的近红外吸收光谱中的次强峰或第三强峰所对应的波长相同；所发射的近红外光信号穿过管道的管壁及管道内的气液两相流；

d、所述近红外接收装置接收由所述近红外发射装置所发射、并经管道的管壁和管道内的气液两相流透射过来的近红外光信号，再从所接收到的所述近红外光信号中提取光强信号，最后转换为感应电压信号输出；

e、所述数据采集单元采集由所述近红外接收装置输出的感应电压信号，在将所接收的所述感应电压信号进行放大、解调、滤波及模数转换后，以数字电压信号的形式发送给计算机；

f、所述计算机中的数据处理单元在对所接收到的数字电压信号进行处理后得到特征值，之后根据所述特征值和管道内气液两相流的流向及欧氏距离公式来识别管道内气液两相流的流型，再根据管道内气液两相流的流向、流型和对应的截面含液率的求解公式分别计算出管道内气液两相流的截面含液率和截面含气率；

步骤f中所述特征值包括均值、方差、峭度、频率重心、斜度和峰值因子；所述气液两相流中的液相流体为水，所述气液两相流的不同流向及不同流型所对应的截面含液率的求解公式分别为：

1)、水平流向下泡状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.0556\stackrel{\‾}{x}+0.0829s+0.9348$

式中：为均值，s为方差；

2)、竖直流向下泡状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.0025\stackrel{\‾}{x}-0.4371s+1.0239$

式中：为均值，s为方差；

3)、水平流向下环状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=-0.6273\stackrel{\‾}{x}+0.8551{\stackrel{\‾}{x}}^4+18.2972\sqrt[4]{F_g}-54.5570\sqrt[8]{F_g}+41.0346$

式中：为均值，Fg为频率重心；

4)、竖直流向下环状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=0.7323s-1.6777s^2+1.2012F_g-10.6584\sqrt{F_g}+23.6913$

式中：s为方差，Fg为频率重心；

5)、水平流向下分层流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=-1.5456\stackrel{\‾}{x}+0.3019{\stackrel{\‾}{x}}^2+0.5362s+0.2798C^2+1.2340$

式中：为均值，s为方差，C为峰值因子；

6)、竖直流向下弹状流所对应的截面含液率的求解公式为：

${\mathrm{\β}}_w=31.4876\stackrel{\‾}{x}-82.4076\sqrt{\stackrel{\‾}{x}}+54.0794$

式中：为均值；

7)、竖直流向下乳沫状流所对应的截面含液率的求解公式为：

β_w＝-33.0443C+16.0996C²-0.0166F_g+17.2983

式中：C为峰值因子，Fg为频率重心。