CN104820013B - 基于电磁涡流检测的两相流相含率测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于电磁涡流检测的两相流相含率测量方法，所采用的装置包含电磁线圈、信号发生单元、激励电路单元、检测电路单元、相位检测器和流动参数计算单元；电磁线圈包含缠绕在管道外壁上的激励线圈和检测线圈；所述的信号发生单元用于产生交变的正弦电流信号，其产生的信号通过激励电路单元对激励线圈进行激励；所述的检测电路单元用于测量检测线圈两端的电压信号；相位检测器，用于检测激励线圈的激励信号和检测电路单元得到的检测线圈的电压信号之间的相位差，检测结果送入流动参数计算单元；流动参数计算单元，根据相位检测器的相位差检测结果计算两相流相含率。本发明以非侵入方式获取两相流相含率，无需对测量流体进行预分离或混合。

Description

基于电磁涡流检测的两相流相含率测量方法
技术领域
本发明属于流体测量技术领域，涉及一种基于电磁感应原理和涡流检测原理的测量方法，用于油/水、气/水两相流相含率的非接触式测量。
技术背景
现代化工业生产与日常生活中广泛存在着多相流现象。管路内多相流经常出现在动力、核能、化工、石油、管道输送、医药、食品等现代工程领域中，通过对其流动过程参数的准确测量，有助于有关设备的安全运行，在工业生产与科学研究中有着十分重要的作用。由于多相流中各相之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。
在现有的对多相流中各相组分含率的测量方法中，有分离法和直接法两种：分离法的基本思想是利用重力或离心力等原理将多相流的密度不同的相分离开，该方法需要平衡分离的质量与效率，所以分离法的速度和效率较低。直接法有电学法、射线法、快关阀法、核磁共振法及微波法等。在实际测量中，一般采用直接测量法确定相含率。
基于电学敏感原理的相含率检测方法具有结构简单、成本低等优点。两相流相含率的电学测量方法可分为电导法、电容法以及电磁法。电导法通过测量两相流体混合电导率计算分相含率，但不适用于不导电介质为连续相的情况；电容法通过测量两相流体的混合介电常数计算分相含率，但在两相流连续相的电导率较高条件下会出现明显的敏感度降低情况。此外，在实际生产中介质电导率的变化给这两种测量方法带来不利。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种基于电磁线圈的两相流相含率的非接触式测量方法。本发明以非侵入方式获取两相流相含率，且无需对测量流体进行预分离或混合。本发明的技术方案如下：
一种基于电磁涡流检测的两相流相含率测量方法，所采用的装置包含电磁线圈、信号发生单元、激励电路单元、检测电路单元、相位检测器和流动参数计算单元；所述的电磁线圈包含缠绕在管道外壁上的激励线圈和检测线圈；所述的信号发生单元用于产生交变的正弦电流信号，其产生的信号通过激励电路单元对激励线圈进行激励；所述的检测电路单元用于测量检测线圈两端的电压信号；所述的相位检测器，用于检测激励线圈的激励信号和检测电路单元得到的检测线圈的电压信号之间的相位差，相位检测器的检测结果送入流动参数计算单元；所述的流动参数计算单元，根据相位检测器的相位差检测结果计算两相流相含率，方法如下：
(1)利用式计算出管道内两相流流体的混合介质电导率，其中，ω为角频率；μ0为真空磁导率；是激励线圈的激励信号和检测电路单元得到的检测线圈的电压信号之间的相位差；Q是与激励线圈和检测线圈的排列位置和方式有关的几何常数，可以通过实验标定；
(2)根据式：含水率与含油率计算出两相流的相含率，
其中，σw、σo分别为水相电导率与油相电导率；αw、αo分别为油水两相流的水相含率与油相含率。
本发明基于电磁感应原理，将激励线圈和检测线圈缠绕在外部的管道外壁上，无需对测量流体进行预分离或混合，利用检测信号和激励信号之间的相位移，以非侵入方式获取两相流相含率，具有测量方便，速度快，成本低，能够准确地测量管道内两相流的相含率的优点。与电磁层析成像(Electromagnetic Tomography,EMT)的区别在于不需要对被测物场进行成像，直接利用接收线圈接收信号与发射信号之间的相位差计算相含率，具有计算速度快的优点。
附图说明
以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：
图1本发明的测量方法采用的基于电磁涡流检测的两相流相含率测量方法装置结构示意图；
图2本发明的测量方法采用的基于电磁线圈并列结构排列的两相流相含率测量的激励线圈和检测线圈主视图；
图3本发明的测量方法采用的基于电磁线圈交叉结构排列的两相流相含率测量的激励线圈和检测线圈主视图；
图4本发明的测量方法采用的基于电磁线圈交叉结构、并列结构排列的两相流相含率测量的激励线圈和检测线圈横向剖面视图；
图5本发明的测量方法采用的基于电磁线圈内外结构排列的两相流相含率测量的激励线圈和检测线圈主视图；
图6本发明的测量方法采用的基于电磁线圈内外结构排列的两相流相含率测量的激励线圈和检测线圈横向剖面视图；
图7本发明三种排列结构方式下相含率的仿真曲线结果。
图中标号说明：
1-管道 2-两相流体 3-检测线圈
4-检测线圈端口 5-激励线圈 6-激励线圈端口
具体实施方式
电磁法具有对电导率、介电常数、磁导率三个参数都敏感的特点，且为非侵入测量手段，不会损坏管道以及不会对流体产生任何的扰动。同时，电磁法测量速度快，成本低，能够准确地测量管道内两相流的相含率。电磁法两相流含率测量的基本原理是在激励线圈中通入交变激励电流，激励线圈在被测物场空间产生出交变的激励主磁场，由于被测物质的导电性和导磁性，在电磁感应作用下物场中产生新的涡流场，在该涡流影响下，产生新的次级磁场并改变原主磁场的强弱，分布在被测物场空间边界的检测线圈以感应的方式获得磁场的分布信息，在数据处理电路获取这些信息后，由定性或定量的图像重建算法计算出物质在被测空间中的分布状况，进而获得物场的分布参数，如多相流测量中的相含率等。
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。
下面结合说明书附图详细说明本发明的优选实施例。
如图1所示，一种基于电磁线圈的两相流相含率的测量装置，包含信号发生单元、激励电路单元、电磁线圈、检测电路单元、相位检测器和流动参数计算单元。信号发生单元通过激励电路单元与激励线圈5相连，信号发生单元产生交变的正弦电流信号，通过激励电路单元对激励线圈5进行激励，激励线圈5中的交变信号产生主磁场，电磁场穿透外部管道1在被测物场空间建立电学敏感场，在被测两相流的导电相中产生涡流，涡流会产生次级磁场而改变主磁场的大小，检测线圈3根据法拉第感应定律将改变的主磁场信号转变为电压信号。检测电路单元通过电路与检测线圈相连，该检测电路对检测线圈两端的电压信号进行检测，激励线圈的激励信号和检测电路单元得到的检测线圈的检测信号一起，送入相位检测器，检测出两种信号的相位差，将相位检测器的检测结果送入流动参数计算单元，实现两相流相含率的计算。
图2本发明的测量方法采用的基于电磁线圈并列结构排列的两相流相含率测量的激励线圈和检测线圈主视图。图中，电磁线圈包含激励线圈5和检测线圈3，激励线圈5和检测线圈3按并列结构排列缠绕在外部的管道1的外壁上。激励线圈5和检测线圈3的绕制方式和绕制密度均相同。在本实施例中，激励线圈5和检测线圈3绕线匝数范围是4～200匝，绕线直径范围0.1mm～5mm。
图3本发明的测量方法采用的基于电磁线圈交叉结构排列的两相流相含率测量的激励线圈和检测线圈主视图；电磁线圈包含激励线圈5和检测线圈3，激励线圈5和检测线圈3按交叉排列缠绕在外部的管道1的外壁上。激励线圈5和检测线圈3的绕制方式和绕制密度均相同。在本实施例中，激励线圈5和检测线圈3绕线匝数范围是4～200匝，绕线直径范围0.1mm～5mm。
图5本发明的测量方法采用的基于电磁线圈内外结构排列的两相流相含率测量的激励线圈和检测线圈主视图；电磁线圈包含激励线圈5和检测线圈3，激励线圈5和检测线圈3按内外层排列缠绕在外部的管道1的外壁上。激励线圈5和检测线圈3的绕制方式和绕制密度均相同。在本实施例中，激励线圈5和检测线圈3绕线匝数范围是4～200匝，绕线直径范围0.1mm～5mm。
图7为本发明的测量方法采用的基于电磁线圈并列结构、交叉结构、内外结构三种排列结构下的两相流相含率测量进行的有限元仿真。在不同的水相含率下，Im(ΔV/V0)与水相含率的变化关系。
下面以油水两相流为例，对本发明的两相流相含率测量方法进行说明，该方法也可用于如气水两相流等其他两相流含率测量中。
利用上述测量装置的测量方法步骤如下：
步骤1：三种电磁线圈排列方式下，当管道内通过油水两相流时，信号发生单元产生的交变电流信号通过激励电路向激励线圈5施加激励信号，检测电路得到的检测线圈3两端的电压信号V。其中，V＝V0+ΔV，V0是激励主磁场B0在检测线圈产生的感应电压，ΔV是次级磁场ΔB在检测线圈产生的感应电压。
步骤2：将步骤1中所得到的将检测线圈3两端的电压信号V和激励信号一起分别送入相位检测器，得到检测信号与激励信号的相位差再将结果送入流动参数计算单元，根据检测信号与激励信号的相位差计算得到油水两相流的混合电导率σ。
式中，ω为角频率；μ0为真空磁导率；σ是混合介质电导率，ε0为真空介电常数，εr为混合介质相对介电常数；i是虚数单位；Q、R是与激励线圈和检测线圈的排列位置和方式有关的几何常数。
由于相位差的正切与ΔV/V0的虚部相等，即
所以因此混合电导率
Q是与激励线圈和检测线圈的排列位置和方式有关的几何常数，三种不同的电磁线圈排列结构的Q值计算方法相同。
步骤3：根据混合电导率σ求解水相、油相的含率αw、αo。在分相流模型下，即假设两相流各分相是完全分开的不可压缩流体。两相流流体的混合电导率σ可表示为：
σ＝g(αw)σw+g(αo)σo (3)
式中：
σw、σo分别为水相电导率与油相电导率；αw、αo分别为油水两相流的水相含率与油相含率；g(αw)、g(αo)为含水率、含油率关于混合电导率的函数，以近似均匀混合条件下的关系式g(αw)＝αw、g(αo)＝αo为例，且有
αw+αo＝1 (4)
根据式(3)与(4)计算出含水率与含油率
本发明以均匀混合条件下的介质为例求解相含率，当流体结构为层流时，也可使用该方法进行计算。

Claims (1)

1.一种基于电磁涡流检测的两相流相含率测量方法，所采用的装置包含电磁线圈、信号发生单元、激励电路单元、检测电路单元、相位检测器和流动参数计算单元；所述的电磁线圈包含缠绕在管道外壁上的激励线圈和检测线圈；所述的信号发生单元用于产生交变的正弦电流信号，其产生的信号通过激励电路单元对激励线圈进行激励；所述的检测电路单元用于测量检测线圈两端的电压信号；所述的相位检测器，用于检测激励线圈的激励信号和检测电路单元得到的检测线圈的电压信号之间的相位差，相位检测器的检测结果送入流动参数计算单元；所述的流动参数计算单元，根据相位检测器的相位差检测结果计算两相流相含率，方法如下：
(1)利用式计算出管道内两相流流体的混合介质电导率σ，其中，ω为角频率；μ0为真空磁导率；是激励线圈的激励信号和检测电路单元得到的检测线圈的电压信号之间的相位差；Q是与激励线圈和检测线圈的排列位置和方式有关的几何常数，通过实验标定；
(2)计算两相流的含水率与含油率
其中，σw、σo分别为水相电导率与油相电导率。
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