CN104089985B - 基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法，所用测量装置包括电学传感器阵列、超声传感器阵列、电学信号发生与检测单元、超声信号发生与检测单元、流动参数计算单元；该测量方法包括以下步骤：采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号；根据电学传感器阵列测量数据和超声传感器阵列测量数据，结合特征提取与分类算法，实现多相流流型的识别；利用所述电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数据进行油气水多相流相分布重建；利用所获得的各种相分布图像，对上游测量截面、下游测量截面的每一对应像素间采用互相关测速方法获得该点的流速；计算多相流各分相参数。本发明具有测量精度高、无扰动、可获信息多等特点。

Description

基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种电学与超声双模态多相流可视化测试方法，可实现多相流分相含率与流速等参数的在线获取以及流动状态的可视化监测。本发明以油/气/水多相流测量为描述对象，但并不仅限于该应用，在其他工业过程和化学反应中存在的多相流动现象中，本发明的测试装置仍适用。

背景技术

在工业生产与日常生活中广泛存在着多相流动现象。多相流中的“相”定义为物质的存在形式，即气态、液态或固态，因此多相流即为具有两种或两种以上“相”物质同时流动的流体。多相流现象广泛存在于能源、动力、石油、化工、冶金、医药等工业过程中，在工业生产与科学研究中有着十分重要的作用，对其流动过程监测和描述、以及对流动过程参数的准确检测也给工程师和科研人员提出挑战。近年来，国际上对多相流的研究兴趣在持续增长，其原因在于多相流不仅在一系列现代工程中得到广泛应用，而且对促进这些工程设备的发展和创新也起到了重要作用。

由于多相流各相间存在界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上均呈随机变化，致使多相流的流动特性远比单相流复杂，特征参数也比单相流多。多相流过程参数检测策略随着工况与对象属性变化，可以利用的物理现象与关系很多，因此检测手段也多种多样。检测方式可分为两大类：直接法与间接法。直接法指的是对象参数能通过测量直接得到，而间接法需要在测量值(辅助测量值)与被测参数间建立关系式通过计算得到，即“软测量”方法。在多相流测量领域内，许多直接采用单相流仪表的检测方法属于直接法，而新兴的检测技术则多采用软测量的方法，如电学法、超声法以及射线法等。在科学研究与工业应用中，多相流的检测手段需要对被测流体不产生任何扰动，因此电学法与超声法由于其结构简单、非扰动、造价低而备受关注。

电学测量方法根据其传感器结构、形状、激励方式的不同又分为多种形式，如电导探针、环形电导阵列等，其中旋转场电阻抗方法即电学过程层析成像技术是电学法中的一种重要改进形式，能够提供丰富的物质截面分布信息，且能将不透明管道中的多相介质分布进行可视化重建。此外，该技术具有非扰动与多点测量的特点，可以实现被测多相流体的相含率与流速等过程参数，具有很好的应用前景。电学过程层析成像技术根据测量敏感原理不同又分为电容式、电阻式、阻抗式和电磁式层析成像等。

超声检测是一种应用较为广泛的技术，在医学监测、流体测量中有其独特的优势，超声波在流体中传播时不会破坏流体的流场，没有压力损失，同时若将检测元件置于管道外壁，可以避免与流体直接接触，降低传感器的腐蚀程度。超声层析成像方法可通过安装于管道同一截面处的多个超声收发探头，以非扰动的形式获得被测截面内部不同声阻抗介质的分布信息，并通过图像重建算法实现该分布的可视化。

发明内容

本发明的目的是提供一种能精确地、非扰动的多相流可视化测试方法。本发明使用基于电学与超声敏感原理的传感器阵列提取多相流流动信息，利用电学传感器对电导率/介电常数变化敏感的测量原理获得油气水多相流高电导率相(水相)的分布信息，利用超声传感器对声阻抗变化敏感的测量原理获得油气水多相流声阻抗(气相)分布信息，应用信息融合技术对以上多源信息进行处理，对多相流动不产生扰动且无需对流体进行预分离或混合，利用图像重建算法对流动过程进行可视化重建，实现多相流过程相分布与流速分布的计算与可视化以及流型的正确识别。

本发明的技术方案如下：

一种基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法，用于对流经被测管道的多相流体进行测量，所用测量装置包括电学传感器阵列、超声传感器阵列、电学信号发生与检测单元、超声信号发生与检测单元、电学测量数据相分布重建单元、超声测量数据相分布重建单元、流动参数计算与可视化单元；所述的电学传感器阵列包括两组分布在被测管道不同截面位置的电极阵列，每组电极阵列由多个分布在被测管道相同截面位置的电极构成；所述的超声传感器阵列包括两组分布在被测管道不同截面位置的探头阵列，每组探头阵列由多个超声探头构成；所述的电学传感器阵列与超声传感器阵列在被测管道上同时安装，无安装顺序要求，交叉位置安装，同时工作，组成一套双模态传感器阵列；电学信号发生与检测单元选通电学传感器阵列中的一对电极作为激励电极对，其中一个电极为激励电极，另一个电极为接地电极，在所述激励电极对之间建立电学敏感场，测量其余电极间电势差；超声信号发生与检测单元选通超声传感器阵列中的一个探头发出超声波，另一个或多个探头接收超声波，并将超声强度转换为电信号；电学信号发生与检测单元所获信号送入电学测量数据相分布重建单元，进行电学参数分布重建；超声信号发生与检测单元所获信号送入超声测量数据相分布重建单元，进行声阻抗参数分布重建；以上所重建后的各测量截面相分布信息一起送入流动参数计算与可视化单元实现相分布与流速分布的重建；

该测试方法包括下列步骤：

1).采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号；

2).根据电学传感器阵列测量数据和超声传感器阵列测量数据，结合特征提取与分类算法，实现多相流流型的识别；

3).利用所述电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数据进行油气水多相流相分布重建，定义截面2a和5a为上游测量截面，简称截面a；定义截面2b和5b为下游测量截面，简称截面b：

a.根据流型识别结果判断连续相是否导电，若连续相导电，将电学传感器阵列视为电导传感器阵列，设采用电导传感器测量数据结合图像重建算法分别实现两个电学传感器测量截面2a，2b内的电导率分布σ^a(x,y)与σ^b(x,y)，利用二值化方法获得截面a内水相分布和截面b内水相分布其中x与y为像素坐标，若像素(x,y)为水相，则其值为1，若像素(x,y)为气相或油相，则该值为0；

b.若连续相为非导电相，将电学传感器阵列视为电容传感器阵列，采用电容传感器测量数据结合图像重建算法分别实现两个电学传感器测量截面2a，2b内的介电常数分布ε^a(x,y)与ε^b(x,y)，利用二值化方法获得截面a内水相分布和截面b内水相分布若像素(x,y)为水相，则其值为1，若像素(x,y)为气相或油相，则该值为0；

c.利用超声传感器阵列测量数据结合图像重建算法分别实现两个超声传感器测量截面5a，5b内的声阻抗分布Z^a(x,y)与Z^b(x,y)，利用二值化方法获得截面a内气相分布和截面b内气相分布若像素(x,y)为气相，则其值为1，若像素(x,y)为水相或油相，则该值为0；

d.设为截面a内的相分布，且各像素值均为1，由于油、气、水三相充满管道截面，因此可得油相分布其中，若像素(x,y)为油相，则其值为1，若像素(x,y)为水相或气相，则该值为0；同理获得截面b内水相分布气相分布与油相分布

4).利用所获得的各种相分布图像，对上游测量截面a、下游测量截面b的每一对应像素间采用互相关测速方法获得该点的流速u_icc：

a.按照上游和下游划分两组电学传感器阵列和两组超声传感器阵列的测量数据，对于所获重建图像中的每一像素采用互相关算法进行计算，获得流体流经上游和下游的传感器阵列对应像素点的延迟时间τ_x,y，根据公式计算出各像素点处的相关速度u_x,y，进而获得速度分布u(x,y)，式中L为上游的电学传感器测量截面2a与上游的超声传感器测量截面5a的轴向中心位置，与下游的电学传感器测量截面2b与下游的超声传感器测量截面5b的轴向中心位置的间距；

b.根据水相分布和气相分布和以及油相分布和结合速度分布u(x,y)，可分别获得水相速度分布u_w(x,y)，气相速度分布u_g(x,y)和油相速度分布u_o(x,y)；

5).综合以上相分布与流速分布重建结果，计算多相流各分相参数：

a.利用相分布图像重建结果，计算各分相含率：分别利用水相分布气相分布以及油相分布计算水相所占像素数气相所占像素数以及油相所占像素数因此可计算出截面a内水相含率气相含率与油相含率且油、气、水三相含率同理分别获得截面b内水相含率气相含率与油相含率对截面a与截面b所计算出的分相含率做平均，得到平均水相含率平均气相含率与平均油相含率

b.对各分相流速分布取平均，可分别获得水相平均流速，气相平均流速和油相平均流速。

基于电学敏感原理的信息检测技术对被测流体的电学性质变化敏感，如电导率或介电常数，但对密度差较大的气液相间边界信息模糊，不易获得。而多相流中，由于气相与液相界面处声阻抗的巨大差异，使得超声在气液界面的反射特性极为明显(可达99％)，因此超声对气液分界面有极好的分辨能力。因此，将基于电学敏感原理与基于超声敏感原理的传感器阵列相结合，利用电学传感器阵列获取电学参数分布(通常为液相中的水相分布)、超声传感器阵列获取声阻抗分布(通常为气相分布)，可在有效重建多相流相分布与速度分布的同时，准确、全面地实现多相流流型在线识别、相含率和相流速在线估计，形成本发明所提出的多相流可视化测试方法。本发明的有益效果及优点如下：

1、电学测量法对多相流体的导电性有很好的区分作用，也即对油气水混合物中的水相含率变化敏感。而超声对多相流体的密度变化也即气相含率变化敏感，两类测量模态有互补性；

2、该方法为非扰动的测量手段，不会对流体产生任何的扰动；

3、多传感器阵列可获得对多相流动更全面的描述；

4、测量速度快，成本低；

5、可提供被测流体瞬时相分布与速度分布的图像，并对过程参数的测量结果进行可视化显示。

附图说明

以下图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性图而非穷举或限制性，其中：

图1本发明测试方法所用测试装置整体结构图；其中，0-来流方向；1-被测管道；2a、2b-电学传感器测量截面，包括电容式电极与电导式电极的单独或组合使用，以及同时实现电容与电导检测的电极；3-电学信号发生与采集单元；4-电学传感器阵列测量数据相分布重建单元；5a、5b-超声传感器测量截面；6-超声信号发生与采集单元；7-超声传感器阵列测量数据相分布重建单元；8-流动参数可视化单元；

图2本发明测试方法所用测试装置电学传感器阵列结构图，其中图2(a)为传感器阵列结构侧视图，包括被测管道1，安装于不同电学传感器测量截面(2a、2b)位置的弧形电极阵列；图2(b)为纵向A-A截面剖视图；图2(c)为横向B-B截面剖视图；

图3本发明测试方法所用测试装置超声传感器阵列结构图，其中图3(a)为传感器阵列结构侧视图，包括被测管道1与超声传感器测量截面(5a，5b)；图3(b)为纵向A-A截面剖视图；图3(c)为横向B-B截面剖视图；

图4本发明测试方法所用测试装置的超声与电学双模态测量系统结构图；

图5本发明测试方法所用测试装置电学信号发生与检测单元结构图；

图6本发明测试方法所用测试装置超声信号发生与检测单元结构图；

图7本发明测试方法所用测试装置计算中心功能结构图；

图8本发明测试方法计算步骤。

具体实施方式

以下详细描述制造和操作本发明的步骤，旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。本发明中的电学测量包括电阻、电容或电磁信息的检测，既可同时使用几种电学测量方式亦可分别使用。

下面结合说明书图详细说明本发明的实施例。

图1描述了本发明测试方法所用测试装置的整体结构图，包括一个被测管道1，一组电学传感器阵列(位于测量截面2a、2b)以及与其相连的电学信号发生与采集单元3，一组超声传感器阵列(位于测量截面5a、5b)以及超声信号发生与采集单元6。电学传感器阵列包括两组以一定间隔分布在被测管道上的电极阵列，每组电极由多个分布在被测管道相同截面位置的电极构成；超声传感器阵列包括两组以一定间隔分布在被测管道上的超声探头阵列，每组探头阵列由多个分布在被测管道相同截面位置的探头构成；所述的电学传感器阵列与超声传感器阵列在被测管道上同时安装，可交叉位置安装、同时工作，组成一套双模态传感器阵列，且对多相流动过程不造成任何干扰，因此所述的两类传感器阵列在管道上下游的安装顺序不影响测量效果。图1(a)与(b)分别列举了本发明装置传感器布置的两个实例，并非唯一安装结构，实际应用中可根据需求调整安装顺序，也可将电学传感器阵列与超声传感器阵列互换位置，形成至少四种典型实施例。图1(a)描述了电学传感器测量截面2a、2b与超声传感器测量截面5a、5b的上下游同顺序交叉安装方式，其中电学传感器测量截面2a与超声传感器测量截面5a组成上游传感器阵列，进行流动参数可视化信息的融合计算；电学传感器测量截面2b与超声传感器测量截面5b组成下游传感器阵列，进行流动参数可视化信息的融合计算。图1(b)描述了电学传感器测量截面2a、2b与超声传感器测量截面5a、5b的上下游对称交叉安装方式，其中位于电学传感器测量截面2a与超声传感器测量截面5a的传感器组成上游传感器阵列，进行流动参数可视化信息的融合计算；位于电学传感器测量截面2b与超声传感器测量截面5b的传感器组成下游传感器阵列，进行流动参数可视化信息的融合计算。

当被测多相流从来流方向0进入被测管段时，电学传感器阵列可通过电学信号发生与采集单元3获得包含被测流体水相含率波动信息的测量数据，超声传感器阵列可通过超声信号发生与采集单元6获得被测流体气相含率波动信息的测量数据。将以上信息同时送入流动参数可视化单元8进行流型识别，判断连续相是否导电，并依据判别结果选择使用电学传感器阵列中的电容传感器或电导传感器。将电学信号发生与采集单元3获得的电容或电导测量数据送入电学传感器阵列测量数据相分布重建单元4，实现每一电学采集截面内的水相分布重建，同时将超声信号发生与采集单元6所获测量数据送入超声传感器阵列测量数据相分布重建单元7，实现每一超声采集截面内的气液分布重建。将以上重建结果送入流动参数可视化单元8中，分别进行上游电学与超声截面，以及下游电学与超声截面所获相分布重建结果的融合，获得上下游的多相流相分布以及各分相含率信息。对融合重建后的上下游截面图像的对应像素点采用互相关测速方法计算每一像素点的流速，最终获得流速分布的重建以及各分相流速信息。

图2为本发明测试方法所用测试装置的电学传感器阵列结构图，传感器阵列为两套安装在被测管道1不同截面位置(2a、2b)的弧形电极阵列组成，每套弧形电极阵列包含安装在被测管道同一截面位置内的两个及以上弧形电极。同一截面内的弧形电极尺寸与数目视应用条件可以改变。工作时可在同一截面内的任意弧形电极上施加激励信号，任一其他电极接地形成激励电极对。在该激励电极对中间形成电学测量敏感场，当多相流体流过该敏感场时，由于场内电学参数随着多相介质的含率与分布变化，导致激励电极对间，以及其他电极之间的电势差发生相应的变化，通过测量该电势差可实现多相流参数的测量。本发明中的电学测量包括电阻、电容或电磁信息的检测，既可同时使用几种电学测量方式亦可分别使用。采用的多截面电极阵列形式及组合方式具有多样化特点，可在不同截面上安装不同尺寸的电极以获得不同应用条件下的测量信息；也可在同一截面内通过安装不同尺寸的电极实现同一截面内信息的多样化获取，故本装置的电极结构具有多种形式。本发明装置的电学传感器阵列可使用不同频率的激励信号，通过获得被测多相流体在不同激励信号频率下的响应数据实现多相流信息更全面的提取。

图3为本发明测试方法所用测试装置的超声传感器阵列，包括多套安装在被测管道不同截面位置(5a，5b)的超声探头阵列组成，每套探头阵列包含安装在被测管道1同一截面位置内的两个及以上超声探头。同一截面内的超声探头尺寸与数目视应用条件可以改变。工作时可在同一截面内的任意探头上施加激励信号，任一其他探头接收超声信号，成激励电极对。在该激励电极对中间形成超声调制测量敏感场，当多相流体流过该敏感场时，由于场内介质密度随着多相介质的含率与分布变化，导致超声调制测量敏感场内超声强度发生相应的变化，通过声电转换装置(如压电陶瓷等)将该超声信息进行获取，进而实现多相流参数的测量。在多截面超声传感器阵列中，组成激励电极对的超声探头可分布在管道同一测量截面内也可分布在不同测量截面内，且在测量过程中可在超声传感器阵列内的任意超声探头之间切换，实现测量信息的全面获取。

本发明测试方法所用测试装置的超声传感器阵列可使用不同频率的激励信号，实现多相流中不同尺寸液滴与气泡的测量，进而实现多相流信息更全面的提取。

图4描述了本发明测试方法所用测试装置的超声与电学双模态测量系统结构，包括电学传感器阵列激励与检测单元，超声传感器阵列激励与检测单元，计算机总线以及计算中心，在同一总线平台下实现双模态传感器的测量信息获取。电学传感器阵列激励与检测单元用于在被测管道1中建立电学敏感场，进而获得多相流含水率信息，可实现电学与电导不同模态传感器信息的获取，具体结构如图5所示；超声传感器阵列激励与检测单元用于向被测管道1中的多相流体发射超声波，进而获得多相流含气率信息，具体结构如图6所示。电学传感器阵列激励与检测单元，以及超声传感器阵列激励与检测单元所获得的测量数据通过计算机总线送入计算中心实施流动信息的提取、相含率和流速的计算以及流动相分布的重建。

图5描述了电学信号发生与检测单元结构。可将电容与电导两种电学模式传感器的激励与信号采集在同一测量系统中实现。系统控制与设置信息由计算机通过计算机总线传送至逻辑控制单元，并通过逻辑控制单元对系统整体工作逻辑和参数进行控制和设定，根据系统设定要求在激励信号发生模块中实现激励信号的产生以及信号驱动能力的提升，即采用电压控电压源(VCVS)或电压控电流源(VCCS)将原始激励信号转换为幅值和相位可调的恒定电压或电流信号，并通过逻辑控制按一定规律选通电容/电导电极阵列的对应电极，使激励信号施加至测量空间中形成电学敏感场。当多相流体流过所述电学敏感场时，由于流体的电学参数变化导致电场强度分布发生变化，进而在电极阵列中会获得不同的电势差，利用信号解调模块与参考信号将该电势差进行解调处理，提取出包含多相流分相含率变化的模拟信号，并送入模拟-数字转换(A/D转换)阵列实现模拟信号的数字化，再通过计算机总线将测量数据送入计算中心实现流动参数的计算。

图6描述了超声信号发生与检测单元结构。系统控制与设置信息由计算机通过计算机总线传送至逻辑控制单元，并通过逻辑控制单元对系统整体工作逻辑和参数进行控制和设定，根据系统设定要求在激励信号发生模块中实现激励信号的产生。通过逻辑控制单元按一定规律选通超声传感器阵列的对应探头，使激励信号通过电声转换功能产生超声波，当多相流体流过所述超声传播路径时，由于气液两相密度差会在气液界面处将一部分超声反射，并有一部分未反射超声波被接收探头接收，该超声幅值的衰减幅度与超声传播路径中的气相尺寸有直接关系，并通过差分放大与滤波电路对信号进行整形后通过A/D转换阵列转为数字信号，通过计算机总线送入计算中心，利用图像重建算法与流动参数计算模型实现多相流过程的可视化参数测量。

图7描述了计算中心的功能结构，包括电学传感器阵列测量数据的电导率/介电常数分布重建，获得水相分布信息，以及超声传感器阵列测量数据的气液分布重建，获得气相分布信息。将以上两相分布信息相融合，实现油气水多相流的相分布重建。在此相分布基础上，利用互相关测速方法实现测量截面内的流速分布重建，与重建出的相分布结果一起送入参数计算与可视化单元实现最终结果的汇总与可视化输出。

图8描述了本发明的计算步骤，以图1(a)所示实施例结构为例，具体计算过程如下：

(一).采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号；

(二).根据电学传感器阵列测量数据和超声传感器阵列测量数据，结合信息提取与分类算法，实现多相流流型的识别。

(三).流型识别的一般步骤为：首先从测量数据中提取能够反映流型变化的特征值，如统计方法、时频分析方法、非线性分析方法等，然后利用分类算法将特征值归类识别，比如支持向量机、人工神经网络等。举例实现过程可参考专利[1]，不同之处在于本发明分别从电学传感器阵列与超声传感器阵列中的每一传感器输出中提取一定时间内的采集数据组成时间序列，从每一时间序列中提取特征组成识别特征向量，对电学传感器阵列与超声传感器阵列采集到的数据进行分类，最终可得到连续相是否导电以及典型流型识别结果。

(四).基于单一模态电学传感器阵列测量数据或超声传感器阵列测量数据的相分布重建算法已有很多，如线性反投影等，因此在本发明测量方法中可采用任意图像重建算法实现单一测量模态的相分布图像重建，利用电阻数据进行图像重建的举例实现过程可参考文献[2]，利用电容数据进行图像重建的举例实现过程可参考文献[3]，利用超声数据进行图像重建的举例实现过程可参考文献[4]：

1.根据流型识别结果判断连续相是否导电，若连续相导电，采用电导传感器测量数据结合图像重建算法分别实现测量截面2a与2b内的电导率分布σ^a(x,y)与σ^b(x,y)，利用二值化方法获得导电相水相分布和其中上标a与b分别代表截面a与b内的分布，x与y是所述测量截面的横纵坐标，若像素(x,y)为水相，则其值为1，若像素(x,y)为气相或油相，则该值为0；

2.若连续相为非导电相，采用电容传感器测量数据结合图像重建算法分别实现测量截面2a与2b内的介电常数分布ε^a(x,y)与ε^b(x,y)，利用二值化方法获得高介电常数相水相分布和若像素(x,y)为水相，则其值为1，若像素(x,y)为气相或油相，则该值为0；

3.利用超声传感器阵列测量数据结合图像重建算法分别实现测量截面5a与5b内的声阻抗分布Z^a(x,y)与Z^b(x,y)，利用二值化方法获得气相分布和若像素(x,y)为气相，则其值为1，若像素(x,y)为水相或油相，则该值为0；

4.设为截面a内的相分布，且各像素值均为1，由于油、气、水三相充满管道截面，因此可得油相分布其中，若像素(x,y)为油相，则其值为1，若像素(x,y)为水相或气相，则该值为0；同理获得截面b内水相分布气相分布与油相分布

(五).利用电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数据，结合互相关算法计算速度分布，设截面a为上游测量截面，截面b为下游测量截面。

1.对上下游传感器阵列所获重建图像中的每一像素采用互相关算法进行计算[1]，获得流体流经该上下游传感器阵列对应像素点的延迟时间τ_x,y，根据公式计算出各像素点处相关速度u_x,y，进而获得速度分布u(x,y)，式中L为上游测量截面2a与5a的轴向中心位置，与下游测量截面2b与5b的轴向中心位置的间距。

2.根据水相分布和气相分布和以及油相分布和结合速度分布u(x,y)，可分别获得截面a内水相速度分布气相速度分布u_g(x,y)和油相速度分布u_o(x,y)；

(六).综合以上相分布与流速分布重建结果，计算多相流各分相参数：

1.利用相分布图像重建结果，计算各分相含率：分别对截面a内水相分布气相分布以及油相分布计算水相所占像素数气相所占像素数以及油相所占像素数因此可计算出水相含率气相含率与油相含率且油、气、水三相含率同理分别获得截面b内水相含率气相含率与油相含率对截面a与截面b所计算出的分相含率做平均，得到平均水相含率平均气相含率与平均油相含率

2.对各分相流速分布取平均，可分别获得水相平均流速气相平均流速和油相平均流速

参考文献

[1]董峰，魏灿，谭超，基于多截面阻抗式长腰内锥传感器及相关测速的多相流测量方法，发明专利，专利号：ZL 201110048191.5，申请日期：2011.02.28，授权日期：2012.12.5。

[2]Tan Chao,Xu Yaoyuan,Dong Feng.Determining the boundary of inclusions with known conductivitiesusing a Levenberg-Marquardt algorithm by electrical resistance tomography.Measurement Science andTechnology,2011,22(10):104005。

[3]Li Yi,Yang Wuqiang,Xie Cheng-Gang,et al.Gas/oil/water flow measurement by electrical capacitancetomography.Measurement Science and Technology,2013,24(7):74001。

[4]Xu L.J.,Xu L.A.Gas/liquid two-phase flow regime identification by ultrasonic tomography.FlowMeasurement and Instrumentation,1998,8(3-4):145～155。

Claims (1)

1.一种基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法，用于对流经被测管道的多相流体进行测量，所用测量装置包括电学传感器阵列、超声传感器阵列、电学信号发生与检测单元、超声信号发生与检测单元、电学测量数据相分布重建单元、超声测量数据相分布重建单元、流动参数计算与可视化单元；所述的电学传感器阵列包括两组分布在被测管道不同截面位置的电极阵列，每组电极阵列由多个分布在被测管道相同截面位置的电极构成；所述的超声传感器阵列包括两组分布在被测管道不同截面位置的探头阵列，每组探头阵列由多个超声探头构成；所述的电学传感器阵列与超声传感器阵列在被测管道上同时安装，无安装顺序要求，交叉位置安装，同时工作，组成一套双模态传感器阵列；电学信号发生与检测单元选通电学传感器阵列中的一对电极作为激励电极对，其中一个电极为激励电极，另一个电极为接地电极，在所述激励电极对之间建立电学敏感场，测量其余电极间电势差；超声信号发生与检测单元选通超声传感器阵列中的一个探头发出超声波，另一个或多个探头接收超声波，并将超声强度转换为电信号；电学信号发生与检测单元所获信号送入电学测量数据相分布重建单元，进行电学参数分布重建；超声信号发生与检测单元所获信号送入超声测量数据相分布重建单元，进行声阻抗参数分布重建；以上所重建后的各测量截面相分布信息一起送入流动参数计算与可视化单元实现相分布与流速分布的重建；

该测试方法包括下列步骤：

1).采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号；

2).根据电学传感器阵列测量数据和超声传感器阵列测量数据，结合特征提取与分类算法，实现多相流流型的识别；

3).利用所述电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数据进行油气水多相流相分布重建，定义截面2a和5a为上游测量截面，简称截面a；定义截面2b和5b为下游测量截面，简称截面b：

a.根据流型识别结果判断连续相是否导电，若连续相导电，将电学传感器阵列视为电导传感器阵列，设采用电导传感器测量数据结合图像重建算法分别实现两个电学传感器测量截面2a，2b内的电导率分布σ^a(x,y)与σ^b(x,y)，利用二值化方法获得截面a内水相分布和截面b内水相分布其中x与y为像素坐标，若像素(x,y)为水相，则其值为1，若像素(x,y)为气相或油相，则该值为0；

b.若连续相为非导电相，将电学传感器阵列视为电容传感器阵列，采用电容传感器测量数据结合图像重建算法分别实现两个电学传感器测量截面2a，2b内的介电常数分布ε^a(x,y)与ε^b(x,y)，利用二值化方法获得截面a内水相分布和截面b内水相分布若像素(x,y)为水相，则其值为1，若像素(x,y)为气相或油相，则该值为0；

c.利用超声传感器阵列测量数据结合图像重建算法分别实现两个超声传感器测量截面5a，5b内的声阻抗分布Z^a(x,y)与Z^b(x,y)，利用二值化方法获得截面a内气相分布和截面b内气相分布若像素(x,y)为气相，则其值为1，若像素(x,y)为水相或油相，则该值为0；

d.设为截面a内的相分布，且各像素值均为1，由于油、气、水三相充满管道截面，因此可得油相分布其中，若像素(x,y)为油相，则其值为1，若像素(x,y)为水相或气相，则该值为0；同理获得截面b内水相分布气相分布与油相分布

4).利用所获得的各种相分布图像，对上游测量截面a、下游测量截面b的每一对应像素间采用互相关测速方法获得该点的流速u_icc：

a.按照上游和下游划分两组电学传感器阵列和两组超声传感器阵列的测量数据，对于所获重建图像中的每一像素采用互相关算法进行计算，获得流体流经上游和下游的传感器阵列对应像素点的延迟时间τ_x,y，根据公式计算出各像素点处的相关速度u_x,y，进而获得速度分布u(x,y)，式中L为上游的电学传感器测量截面2a与上游的超声传感器测量截面5a的轴向中心位置，与下游的电学传感器测量截面2b与下游的超声传感器测量截面5b的轴向中心位置的间距；

b.根据水相分布和气相分布和以及油相分布和结合速度分布u(x,y)，可分别获得水相速度分布u_w(x,y)，气相速度分布u_g(x,y)和油相速度分布u_o(x,y)；

5).综合以上相分布与流速分布重建结果，计算多相流各分相参数：

a.利用相分布图像重建结果，计算各分相含率：分别利用水相分布气相分布以及油相分布计算水相所占像素数气相所占像素数以及油相所占像素数因此可计算出截面a内水相含率气相含率与油相含率且油、气、水三相含率同理分别获得截面b内水相含率气相含率与油相含率对截面a与截面b所计算出的分相含率做平均，得到平均水相含率平均气相含率与平均油相含率

b.对各分相流速分布取平均，可分别获得水相平均流速，气相平均流速和油相平均流速。