CN106932476A - 一种测量固液两相流相含率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量固液两相流相含率的装置及方法。装置包括管道、超声波收发器和计算机；通过管道内固液相流体相含率不变下向管道内发射超声波，得到回波信号，经过FFT变换得到超声回波功率谱；将多组超声回波功率谱与对应的相含率拟合得到回波功率谱‑相含率曲线，并计算获得回波衰减，得到回波衰减‑相含率曲线；比对拟合曲线得到固液两相流体的相含率。本发明方法测量准确、便捷，两相流体透光性、导电性不影响测量精度，应用场合更为广泛。

Description

一种测量固液两相流相含率的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量固液参数的装置及方法，尤其涉及了一种测量固液两相流相含率的装置及方法。

背景技术

在石油和采矿业两相流。目前固液两相流相含率测量方法中，光学法、阻抗法、核磁共振成像法(NMR)及超声法应用较为广泛。光学法通过光学元件得到固液两相流内部信息，要求固液两相流(某些情况下包括管壁)具有良好的光学透明性这一点极大限制此类方法在工业上的应用。电阻抗(电导)法通过一组电极探测两相流内部的电阻抗(或电导率)分布来确定两相流内部的颗粒相含率，但是阻抗法只能测量固液两相流体的平均相含率并得到局部相含率。核磁共振成像法(NRM)是基于原子核磁性非入侵式的测量两相流相含率的方法。NRM仅限于非顺磁性两相流体不适用于具有顺磁性的两相流体，而且NRM装置非常昂贵并且限于流动缓慢的两相流体。

超声波法用于固液两相流相含率测量有诸多优点：超声波对容器或者管道材质无特殊要求，对介质的导电性、介电常数、透光性无特殊要求，可实现非接触测量，安全性好。

发明内容

为克服上述方法的不足，本发明提供了一种测量固液两相流相含率的装置及方法。本发明方法是非入侵性的，测量装置是管道式的，测量精确度高。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种测量固液两相流相含率的装置：

包括管道、超声波收发器和计算机，所述管道竖直布置安装，超声波收发器安装在管道侧壁，超声波收发器与计算机连接，超声波收发器产生超声波发送至管道内的固液两相流体，并接收超声波遇到固液两相流体返回的回波信号将其转化为数字量传送至计算机进行处理运算。

还包括空心螺母和固定套管，管道的侧壁与沿垂直于管道方向的固定套管一端固定连接，超声波收发器装在固定套管中，固定套管另一端连接空心螺母，通过空心螺母将超声波收发器固定在固定套管，并使得超声波收发器探头端紧贴管道侧壁。

所述的超声波收发器包括收发一体式超声换能器和5072PR脉冲发生/接收器，收发一体式超声换能器经5072PR脉冲发生/接收器与计算机连接，计算机控制5072PR脉冲发生/接收器产生正弦波信号并发送到收发一体式超声换能器，收发一体式超声换能器接收到正弦波信号后产生超声波并将超声波垂直入射到管道中，回波信号被相同的收发一体式超声换能器接收并转化为正弦波信号后发送到5072PR脉冲发生/接收器，5072PR脉冲发生/接收器将接收到的回波电信号转化为数字量发送至计算机进行处理。

二、一种测量固液两相流相含率的方法，步骤如下：

1)通过超声波收发器向固液两相流体中发射超声波并接收到回波信号，根据回波信号计算得到回波功率谱和回波衰减；

2)所述固液两相流体采用多组不同的已知相含率的固液两相流体以步骤1)方式进行多次采集获得多组回波功率谱和回波衰减，将回波功率谱与对应的固液两相流体相含率进行拟合得到回波功率谱-相含率曲线，将回波衰减与对应的固液两相流体相含率进行拟合得到回波衰减-相含率曲线，以两条拟合曲线作为固液两相流体相含率测量的参考基准；

3)针对未知待测相含率的固液两相流体以步骤1)方式进行采集获得回波功率谱和回波衰减，根据步骤2)得到的两条拟合曲线进行比对得到固液两相流的相含率。

所述步骤1)具体包括：

1.1)通过超声波收发器向管道发射超声波脉冲，管道内流动有颗粒浓度分布均匀、相含率恒定的固液两相流体并且流动方向垂直于超声波传播方向，固液两相流体接收超声波脉冲后产生的回波信号被超声波收发器接收，回波信号内包含有相含率信息，为时间序列；

1.2)将回波信号按照时间顺序等分为多段窗口，按照升序对16个窗口进行编号，最开始被接收的被编为1窗口；

1.3)对每段窗口，将该段窗口的回波信号平均取若干个离散点，将所有离散点进行FFT变换后组成得到该段窗口对应的回波功率谱；

FFT变换具体是将时域信号转换到频域信号。

1.4)根据第一段窗口(最开始接收的窗口)的回波功率谱和最后一段窗口(最后接收的窗口)的回波功率谱以及两窗口间的距离采用以下公式计算得到回波衰减α_f：

其中，I₁表示第一段窗口的回波功率谱，I₂表示最后一段窗口的回波功率谱，x为第一段窗口到最后一段窗口间的距离。

所述步骤2)具体包括：

2.1)利用由多次采集获得的第一段窗口的功率谱与采集时相含率组成的多组数据进行拟合处理，得到回波功率谱-相含率曲线；

2.2)利用由多次采集获得的回波衰减与采集时相含率组成的多组数据进行拟合处理，得到回波衰减-相含率曲线。

所述多次采集是通过改变固液两相流体的相含率而进行多次采集，相含率是以第一次采集时的相含率为标准，以1％的增量进行逐次增加。具体实施的固液两相流体相含率改变范围为1％-10％，相含率共10个固定数值1％、2％....10％。

所述步骤3)具体为：

3.1)将未知待测相含率的固液两相流体获得的第一段窗口的功率谱数据与回波功率谱-相含率曲线比对得到第一段窗口的相含率；

3.2)根据前两段窗口的功率谱数据、前两段窗口之间的距离计算获得前两段窗口之间的功率谱衰减，将前两段窗口之间的功率谱衰减和第一段窗口的相含率比对回波衰减—相含率曲线，得到第二段窗口的相含率；

3.3)同理可以根据前窗口的相含率依次计算相邻两窗口间的回波功率谱衰减和回波衰减—相含率曲线比对得到后窗口对应的相含率，从而可以计算出固液两相流体在管道流动过程中管道每一部分对应的相含率。

所述相含率是指固液两相流流动过程中的固体颗粒相含率。

本装置针对低浓度的固液两相流体，相含率测量范围1％-10％。

超声回波衰减是由于超声波遇到固体颗粒时超声能量散射引起的，在两相流体中的超声衰减可以利用频率差法测量超声回波能量得到，两个距离X的相似对象的反响散射强度建立关系式，并在已知距离情况下重新定义计算获得超声回波衰减。

本发明具有的有益效果是：

本发明方法测量准确，利用回波功率谱与回波衰减-相含率曲线检测便捷有效，两相流体透光性、导电性不影响测量精度，应用场合更为广泛。

本发明测试装置结构简单、实际应用性强、操作简单。

附图说明

图1是本发明装置结构图。

图2是装置管道结构图。

图3是实施例获得的回波功率谱-相含率曲线。

图4是实施例获得的回波衰减-相含率曲线。

图5是实施例获得超声回波窗口划分过程。

图6是实施例获得的1窗口与16窗口的回波功率谱。

图7是实施例获得的1窗口与16窗口之间的回波衰减。

图8是实施例相含率测量流程图。

图9是6％颗粒浓度下管道内相含率分布的仿真结果与实验结果曲线。

图10是8％颗粒浓度下管道内相含率分布的仿真结果与实验结果曲线。

图中：管道1、超声波收发器2、计算机3、被测固液两相流管道4、空心螺母6、固定套管7、法兰9、法兰固定孔10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明装置具体实施包括管道1、超声波收发器2和计算机3，管道1竖直布置安装，超声波收发器2安装在管道1侧壁，超声波收发器2与计算机3连接，超声波收发器2产生超声波发送至管道1内的固液两相流体，并接收超声波遇到固液两相流体返回的回波信号将其转化为数字量传送至计算机3进行处理运算。

如图2所示，管道1的侧壁与沿垂直于管道1方向的固定套管7一端固定连接，超声波收发器2装在固定套管7中，固定套管7另一端连接空心螺母6，通过空心螺母6将超声波收发器2固定在固定套管7，并使得超声波收发器2探头端紧贴管道1侧壁。具体实施中，管道1两端均连接有法兰9，法兰9上设有法兰固定孔10，管道1通过法兰与被测固液两相流管道4对接，螺丝穿过法兰固定孔10将管道1与被测固液两相流管道4固定。

超声波收发器2包括收发一体式超声换能器和5072PR脉冲发生/接收器，收发一体式超声换能器经5072PR脉冲发生/接收器与计算机3连接，计算机3控制5072PR脉冲发生/接收器产生正弦波信号并发送到收发一体式超声换能器，收发一体式超声换能器接收到正弦波信号后产生超声波并将超声波垂直入射到管道1中，回波信号被相同的收发一体式超声换能器接收并转化为正弦波信号后发送到5072PR脉冲发生/接收器，5072PR脉冲发生/接收器将接收到的回波电信号转化为数字量发送至计算机3进行处理。

如图8所示，本发明的实施例及其实施工作过程是：

将管道1中充满流动清水至管道中不含有气泡，每组实验测试时两相流体的颗粒相含率不变，实施中通过向实验装置的搅拌装置内添加预先筛选好的沙粒来改变两相流体的颗粒相含率。

待管道内两相流体流动稳定时使5072PR型脉冲发生/接收器产生中心频率为2.25MHZ的正弦波信号激发超声器工作，正弦波信号的脉冲宽度为1us,换能器将产生的超声信号送入管道中，在管道中传播的超声波信号遇到两相流体中的固体颗粒时产生回波，回波信号由5072PR型脉冲发生/接收器接收并传送至计算机进行相应的处理。

1)通过超声波收发器2向固液两相流体中发射超声波并接收到回波信号，超声波收发器2采集到回波信号并发送到计算机3，根据回波信号计算得到回波功率谱和回波衰减；

1.1)通过超声波收发器2向管道1发射超声波脉冲，管道内流动有颗粒浓度分布均匀、相含率恒定的固液两相流体并且流动方向与超声波传播方向垂直，固液两相流体接收超声波脉冲后产生的回波信号被超声波收发器2接收；

1.2)将回波信号按照时间顺序等分为16段窗口，按照升序对16个窗口进行编号，最开始被接收的被编为序号1窗口，窗口的划分过程如图5所示。

1.3)对每段窗口，将该段窗口的回波信号平均取700个离散点，将所有离散点进行FFT变换后组成得到该段窗口对应的回波功率谱；

1.4)根据序号1窗口(最开始接收的窗口)的回波功率谱和序号16窗口(最后接收的窗口)的回波功率谱以及两窗口间的距离采用以下公式计算得到回波衰减α_f：

其中，I₁表示第一段窗口的回波功率谱，I₂表示最后一段窗口的回波功率谱，x为第一段窗口到最后一段窗口间的距离。

实施例接收数据具体处理过程如下：5072PR型脉冲发生/接收器开始接收回波数据传送至计算机，将超声回波的波形信息按照接收时间顺序等分为十六个窗口；最开始接收的窗口命名为1窗口依次命名最后接收的命名为16窗口。将每个窗口内的波形等间隔取700个离散点，对这700个离散点进行FFT变换得到该窗口对应的超声回波功率谱。分别求出16个窗口对应的超声回波功率谱并保存记录1窗口、16窗口对应的回波功率谱如图6所示，将第1窗口、第16窗口的超声功率谱分别作为I₁、I₂管道半径作为X带入计算；1窗口与16窗口的回波衰减如图7所示。

2)固液两相流体采用十组不同的已知相含率的固液两相流体，然后；

2.1)改变两相流相含率进行多次采集，相含率是以第一次采集时的相含率为标准，以1％的增量进行逐次增加，固液两相流体相含率改变范围为1％-10％，相含率共10个固定数值1％、2％....10％，共进行10次采集。利用由十次采集获得的第一段窗口的功率谱与采集时相含率组成的多组数据进行拟合处理，得到回波功率谱-相含率曲线，如图3所示。

2.2)改变两相流相含率进行多次采集，相含率是以第一次采集时的相含率为标准，以1％的增量进行逐次增加，固液两相流体相含率改变范围为1％-10％，相含率共10个固定数值1％、2％....10％，共进行10次采集。利用由十次采集获得的回波衰减与采集时相含率组成的多组数据进行拟合处理，得到回波衰减-相含率曲线，如图4所示。

3)针对未知待测相含率的固液两相流体以步骤1)方式进采集获得回波功率谱和回波衰减：

实施例最终相含率的测量过程具体如下：

对于未知浓度的固液两相流体首先使用5072PR型脉冲发生/接收器向两相流体中发射一组超声波按照数据接收时间序列将接收到的数据分为16个窗口，并通过FFT计算出每个窗口的功率谱数据。

将最接近超声换能器的窗口设置为序号1窗口，将序号1窗口的超声回波功率谱与回波功率谱与相含率曲线比对可以得到序号1窗口的相含率。

对序号2窗口超声回波数据进行FFT得到序号2窗口的超声回波功率谱将序号2窗口的回波功率谱作为I₂序号1窗口的回波功率谱作为I₁窗口之间的中心距离D/16作为X带入计算求得窗口1于窗口2之间的回波功率谱衰减α_f3。将序号3窗口的回波功率谱作为I₂序号2窗口的回波功率谱作为I₁窗口之间的中心距离D/16作为X带入计算求得序号2窗口与序号3窗口的回波衰减α_f15。

同理求出α_f3、α_f4…α_f15。将回波衰减与超声回波衰减与对应的相含率曲线比对即可得到相应窗口对应的相含率。

通过使用FLUENT建立流动模型，得到管道中固液两相流流动过程中颗粒相含率分布的理论结果。在固体颗粒浓度为6％、8％情况下使用本发明方法方法实际实验得到颗粒相含率分布情况与同样条件下仿真结果进行对比如图9、图10所示(图中A为实验得到颗粒相含率分布、B为仿真得到颗粒相含率分布)。图中可见得到的实验结果与仿真结果一致。

由此可见，本发明所使用的超声波方法可以较好的运用于固液两相流流动过程中相含率的测量中，测量更为精准，两相流体透光性、导电性不影响测量精度，具有突出显著的技术效果。

Claims (8)

1.一种测量固液两相流相含率的装置，其特征是：包括管道(1)、超声波收发器(2)和计算机(3)，所述管道(1)竖直布置安装，超声波收发器(2)安装在管道(1)侧壁，超声波收发器(2)与计算机(3)连接，超声波收发器(2)产生超声波发送至管道(1)内的固液两相流体，并接收回波信号将其转化为数字量传送至计算机(3)。

2.根据权利要求1所述的一种测量固液两相流相含率的装置，其特征是：还包括空心螺母(6)和固定套管(7)，管道(1)的侧壁与沿垂直于管道(1)方向的固定套管(7)一端固定连接，超声波收发器(2)装在固定套管(7)中，固定套管(7)另一端连接空心螺母(6)，通过空心螺母(6)将超声波收发器(2)固定在固定套管(7)，并使得超声波收发器(2)探头端紧贴管道(1)侧壁。

3.根据权利要求1所述的一种测量固液两相流相含率的装置，其特征是：所述的超声波收发器(2)包括收发一体式超声换能器和5072PR脉冲发生/接收器，收发一体式超声换能器经5072PR脉冲发生/接收器与计算机(3)连接，计算机(3)控制5072PR脉冲发生/接收器产生正弦波信号并发送到收发一体式超声换能器，收发一体式超声换能器接收到正弦波信号后产生超声波并将超声波垂直入射到管道(1)中，回波信号被相同的收发一体式超声换能器接收并转化为正弦波信号后发送到5072PR脉冲发生/接收器，5072PR脉冲发生/接收器将接收到的回波电信号转化为数字量发送至计算机(3)。

4.应用于权利要求1-3任一所述装置的一种测量固液两相流相含率的方法，其特征是：

1)通过超声波收发器(2)向固液两相流体中发射超声波并接收到回波信号，根据回波信号计算得到回波功率谱和回波衰减；

2)所述固液两相流体采用多组不同的已知相含率的固液两相流体以步骤1)方式进行多次采集获得多组回波功率谱和回波衰减，将回波功率谱与对应的固液两相流体相含率进行拟合得到回波功率谱-相含率曲线，将回波衰减与对应的固液两相流体相含率进行拟合得到回波衰减-相含率曲线；

3)针对未知待测相含率的固液两相流体以步骤1)方式进行采集获得回波功率谱和回波衰减，根据步骤2)得到的两条拟合曲线进行比对得到固液两相流的相含率。

5.根据权利要求4所述的一种测量固液两相流相含率的方法，其特征是所述步骤1)具体包括：

1.1)通过超声波收发器(2)向管道(1)发射超声波脉冲，管道(1)内流动有颗粒浓度分布均匀、相含率恒定的固液两相流体并且流动方向垂直于超声波传播方向，固液两相流体接收超声波脉冲后产生的回波信号被超声波收发器(2)接收；

1.2)将回波信号按照时间顺序等分为多段窗口；

1.3)对每段窗口，将该段窗口的回波信号平均取若干个离散点，将所有离散点进行FFT变换后组成得到该段窗口对应的回波功率谱；

1.4)根据第一段窗口的回波功率谱和最后一段窗口的回波功率谱以及两窗口间的距离采用以下公式计算得到回波衰减α_f：

${\mathrm{\α}}_f=\frac{\log I_1\left(f\right)-\log I_2\left(f\right)}{2x}$

其中，I₁表示第一段窗口的回波功率谱，I₂表示最后一段窗口的回波功率谱，x为第一段窗口到最后一段窗口间的距离。

6.根据权利要求4所述的一种测量固液两相流相含率的方法，其特征是所述步骤2)具体包括：

2.1)利用由多次采集获得的第一段窗口的功率谱与采集时相含率组成的多组数据进行拟合处理，得到回波功率谱-相含率曲线；

2.2)利用由多次采集获得的回波衰减与采集时相含率组成的多组数据进行拟合处理，得到回波衰减-相含率曲线。

7.根据权利要求4或6所述的一种测量固液两相流相含率的方法，其特征是：所述多次采集是通过改变固液两相流体的相含率而进行多次采集，相含率是以第一次采集时的相含率为标准，以1％的增量进行逐次增加。

8.根据权利要求4所述的一种测量固液两相流相含率的方法，其特征是：所述步骤3)具体为：

3.1)将未知待测相含率的固液两相流体获得的第一段窗口的功率谱数据与回波功率谱-相含率曲线比对得到第一段窗口的相含率；

3.2)根据前两段窗口的功率谱数据、前两段窗口之间的距离计算获得前两段窗口之间的功率谱衰减，将前两段窗口之间的功率谱衰减和第一段窗口的相含率比对回波衰减-相含率曲线，得到第二段窗口的相含率；

3.3)同理重复步骤3.2)以上一段窗口的相含率和两段窗口之间的功率谱衰减计算获得后续每一段窗口的相含率。