CN109163769B - 一种管道流量电磁阵列传感器的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测技术领域，提出了一种管道流量电磁阵列传感器及其检测方法，该传感器包括第一传感器阵列、第二传感器阵列、固定架、励磁线圈、励磁电路、信号处理电路和计算单元，固定架固定设置在待测管道的外壁上，第一传感器阵列和第二传感器阵列分别位于固定架的两端，励磁线圈设置在第一传感器阵列和第二传感器阵列之间，励磁电路用于驱动励磁线圈使其在待测管道内产生均匀感应磁场；第一传感器阵列和第二传感器阵列分别包括多个均匀设置在管道外周上的传感器触头，传感器触头的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端与计算单元连接。本发明提高了管道流量测量的准确度，可以应用于流量检测领域。

Description

一种管道流量电磁阵列传感器的检测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种管道流量电磁阵列传感器及其检测方法。

背景技术

试井是获取煤储层特性的重要手段和方法之一,目前,煤层气储层常用的试井方法主要有注入/压降测试、DST测试、段塞测试、变流量试井、水罐测试等。由于注入/压降测试提供的资料准确度高，特别是对于煤层中注入的流量，控制准确的流量数值对于注入过程的成功率大大加强。而在实际的现场环境中，由于流量的计算不精确而造成注入失败的事情时有发生。因此，在煤层气试井注入阶段，对管道中流量的准确测量显得至关重要。

目前，对于管道中流量的测量装置有超声波流量计，电磁流量计，涡轮流量计等，但是只针对固定的管道截面作为计算流量的依据而为考虑其他因素，如液体表面张力的影响。故目前的检测方法需要改进。通过将液体在管道中的截面面积准确测量，从而准确测量出流量。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种管道流量电磁阵列传感器的检测方法，利用管道剖面成像，对管道中通过的流量实时准确的监测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种管道流量电磁阵列传感器的检测方法，所述管道流量电磁阵列传感器，包括第一传感器阵列、第二传感器阵列、固定架、励磁线圈、励磁电路、信号处理电路和计算单元，所述固定架固定设置在待测管道的外壁上，所述第一传感器阵列和第二传感器阵列分别位于所述固定架的两端，所述励磁线圈设置在所述第一传感器阵列和第二传感器阵列之间，所述励磁电路用于驱动所述励磁线圈使其在待测管道内产生均匀感应磁场；所述第一传感器阵列和第二传感器阵列分别包括多个均匀设置在所述管道外周上的传感器触头，所述传感器触头的输出端与所述信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与所述计算单元连接，所述信号处理电路用于将采集到的传感器探头信号，经过放大之后，发送给计算单元，所述计算单元用于通过第一传感器阵列和第二传感器阵列中的传感器探头探测到的感应电动势的变化，计算出管道流量；所述检测方法包括以下步骤：S1、将第一传感器阵列和第二传感器阵列中各四个传感器作为激励传感器，另四个传感器作为接收传感器，且第一传感器阵列和第二传感器阵列中接收传感器和激励传感器的位置是对应的，采集第一传感器阵列中的四个接收传感器探测的电动势信号f₁,f₂,f₃,f₄，以及第二传感器阵列中的四个接收传感器探测的电动势信号g₁,g₂,g₃,g₄；

S2、根据电动势f₁,f₂,f₃,f₄和电动势信号g₁,g₂,g₃,g₄的互相关函数，确定延时值d；

S3、将第一传感器阵列中的其中一个传感器设置激励传感器，其它七个传感器设置为接收传感器，同时将第二传感器阵列中对应的一个传感器设置为激励传感器，其它七个传感器设置为接收传感器，采集第一传感器阵列和第二传感器阵列中中的各七组接收传感器的十四组电动势值；

S4、依次将第一传感器阵列和第二传感器阵列中的其它传感器中一一设置为激励传感器，重复步骤S3，采集第一传感器阵列和第二传感器阵列中中的各七组接收传感器的十四组电动势值；

S5、根据椭圆成像算法对传感器阵列接收到的多组信号进行成像定位，得到微变位置，然后利用电磁层析成像方法，确定微变面积S₂；

S6、根据公式

计算得到管道流量，所述K为传感器矫正系数，r为管道半径，D为第一传感器阵列和第二传感器阵列的直径距离，d为延时值，

为液体在管道中的平均速度。

所述管道流量电磁阵列传感器还包括电源模块，所述电源模块用于供电。

所述计算单元还用于驱动所述传感器触头，将其设置为激励传感器或接收传感器。

液体在管道中的平均速度的计算公式为：

其中，U表示传感器探头上的感应电动势，B表示磁感应强度，K′为仪表系数。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的提出管道电磁阵列传感器的检测方法，利用多探头对于管道各个剖面进行检测，多方位检测，可以准确测量管道中的流速，提高了测量的准确度。

2、本发明将采集到的电磁信号通过计算机处理成像，得到管道电磁剖面图，对于产生微变位置及面积大小可以准确判断，进行计算处理得到管道中的真实流量值，具有高分辨力和可靠性强的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种管道流量电磁阵列传感器的结构示意图；

图2为图1的左视剖视图；

图3为椭圆成像原理图；

图中：1为液体，2为第一传感器阵列，3为励磁线圈，4为第二传感器阵列，5为励磁电路，6为信号处理电路，7为固定架，8为微小形变，9为管道，10为计算单元，11为电源模块，12为传感器触头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～2所示，本发明提供了一种管道流量电磁阵列传感器，包括第一传感器阵列2、第二传感器阵列4、固定架7、励磁线圈3、励磁电路5、信号处理电路6和计算单元10，所述固定架7固定设置在待测管道9的外壁上，所述第一传感器阵列2和第二传感器阵列4分别位于所述固定架7的两端，所述励磁线圈3设置在所述第一传感器阵列和第二传感器阵列之间，所述励磁电路5用于驱动所述励磁线圈3使其在待测管道9内产生均匀感应磁场；所述第一传感器阵列2和第二传感器阵列4分别包括多个均匀设置在所述管道9外周上的传感器触头12，所述传感器触头12的输出端与所述信号处理电路6的输入端连接，所述信号处理电路6的输出端与所述计算单元10连接，所述信号处理电路用于将采集到的传感器探头信号，经过放大之后，发送给计算单元10，所述计算单元10用于通过第一传感器阵列2和第二传感器阵列4中的传感器探头探测到的感应电动势的变化，计算出管道流量。

如图1所示，本发明提供的一种管道流量电磁阵列传感器，还包括电源模块11，所述电源模块11用于给本发明的管道流量电磁阵列传感器供电。

进一步地，本发明中，所述计算单元还用于驱动所述传感器触头，使其作为激励传感器或接收传感器。

此外，本发明还提供了一种管道流量电磁阵列传感器的检测方法，包括以下步骤：

S1、将第一传感器阵列2和第二传感器阵列4中各四个传感器作为激励传感器，另四个传感器作为接收传感器，且第一传感器阵列2和第二传感器阵列4中接收传感器和激励传感器的位置是对应的，采集第一传感器阵列2中的四个接收传感器探测的电动势信号f₁,f₂,f₃,f₄，以及第二传感器阵列4中的四个接收传感器探测的电动势信号g₁,g₂,g₃,g₄。

S2、根据电动势f₁,f₂,f₃,f₄和电动势信号g₁,g₂,g₃,g₄的互相关函数，确定延时值d。

其中，本发明中，传感器触头为电磁传感器，电磁阵列传感器是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的。其具体定律的内容为：通过闭合导体回路所包围面积的磁通量发生变化时，在回路中就会产生感应电动势及感应电流，感应电动势与通过回路面积的磁通量随时间的变化成正比，也就是：

其中，U为产生的电动势，单位为V；

为通过闭合回路面积的磁通量，单位为Wb；t为时间，单位为s。使用电磁传感器，其工作原理便是将整个测量管道组织成一个法拉第电磁感应系统，利用公式：

其中，K’为仪表系数,D为检测探头间的距离，B为磁感应强度，通过测量探头两端的感应电动势U，

为平均流速。如图1所示，在管道两端截面处管壁上等角度地安装2组均匀阵列探头2和4，其中4为左侧阵列探头，2为右边阵列探头。同时在管道两侧设置各设置励磁线圈3来为传感器正常工作提供感应磁场，经过励磁电路5来进行控制信号，再经过信号处理电路6，对采集到的信号进行处理，装置通过固定架7在管道上对装置在管道外壁9进行固定，励磁电路和信号处理电路将数据传输到计算机10处理数据，电源模块11为整个装置供电。左侧阵列探头和右侧阵列探头之间的距离为D,D为被测管道的直径距离。传感器管道的内径为r，磁场

是均匀的，当液体从泵中流出经过管道时候，经过传感器测量区域时，因切割磁感应磁场中的磁力线而在上下游检测探头处产生感应电动势，在管道左检测探头处发生电动势的变化，将四对探头两端产生的感应电动势信号分别为f₁,f₂,f₃,f₄,而另一端检测探头的两端的感应电动势信号分别为g₁,g₂,g₃,g₄,这些感应电动势可以看做是时间t为自变量的函数。在一对励磁线圈产生的均匀磁场中，电动势f₁和g₁是属于同一侧的距离为L获取的数值，有着良好的相关性。假设左右两端探头测量信号f₁和g₁满足：

f₁＝s(t)+n₁(t),g₁＝a*s(t-d)+n₂(t)； (3)

其中s(t)为左端探头输出的电动势信号，s(t-d)为右端探头输出的电动势信号，它们之间的时间延迟为d，n₁(t)和n₂(t),分别为探头输出信号附加噪声，a为信号的振幅。利用互相关的方法估计延时d，信号g₁平移后与信号f₁进行比较，当平移距离和延时d恰好相等的时候，两个信号最接近。其中两个信号的互相关函数可以表示为:

其中E[]表示数学期望。假设s(t)是一个稳定的随机过程，噪声n₁(t)和n₂(t)是零均值并且独立于信号s(t)。在这些条件下，信号f₁和g₁之间互相关函数为：

其中，R_ss(τ)是s(t)的自相关函数，是n₁(t)和n₂(t)的互相关函数。在这样的情况下τ＝d时达到峰值，利用四组探头数据，可以估计出延时d。这里一组数据即可以求得一个延时值，使用多组数据求得结果，进行对比求其平均值，可以使测量结果更加准确，。然后即可以得到管道的理论流量值Q₁,其计算公式为：

其中，K表示传感器矫正系数，r为测量管道的内半径，D为管道两端检测探头之间的距离。

S3、将第一传感器阵列2中的其中一个传感器设置激励传感器，其它七个传感器设置为接收传感器，同时将第二传感器阵列4中对应的一个传感器设置为激励传感器，其它七个传感器设置为接收传感器，采集第一传感器阵列2和第二传感器阵列中4中的各七组接收传感器的十四组电动势值。

S4、依次将第一传感器阵列2和第二传感器阵列4中的其它传感器中一一设置为激励传感器，重复步骤S3，采集第一传感器阵列2和第二传感器阵列中4中的各七组接收传感器的十四组电动势值。

S5、根据椭圆成像算法对传感器阵列接收到的多组信号进行成像定位，得到管道中的微变位置，然后利用电磁层析成像方法，确定微变的面积S₂。

电磁层析成像技术(EMT)是现有技术中一种基于电磁感应原理的新型过程层析成像技术。通过该成像技术，可以得到微变部分在被测空间的分布图像。由于该成像方法为现有技术，因此，此处不做赘述，仅做简单介绍。电磁层析成像方法所用到的EMT系统一般分为三部分：传感器系统，数据处理电路和计算机。EMT系统的实现过程如下：在激励线圈中通过通入交变电流产生激励磁场，被测空间中存在的微变部分回改变激励磁场的分布，从而得到与被测物场空间电导率和磁导率分布相关的物场，分布在被测空间边界传感器检测以感应形式获得磁场的分布信息。通过传感器阵列对多个磁场方向上被测空间进行测量，再利用线性反投影物质在被测空间的分布情况，最终在计算机上得到微变部分在被测空间的分布图像。

S6、根据公式

计算得到管道流量，所述K为传感器矫正系数，r为管道半径，D为第一传感器阵列2和第二传感器阵列4的直径距离，d为延时值，

为液体在管道中的平均速度。

如图2所示，管道的微小形变8是主要的被测对象，其检测原理是利用电磁传感器的8个探头对于管道中液体通过检测区域时候进行检测，每个传感器都可以起到激励作用和接受作用，在信号采集过程中，使用一个传感器做激励传感器，其余7个做接收传感器，使每个传感器做激励传感器也做接收传感器。利用探头中线圈的电流变化，由于在检测区域中液体在交变磁场中，相应的产生感应电流。于液体表面部分存在微变，产生微小形变8。液体切割磁感线的时候导致了感应电压的变化。如图1中所示，通过探头连接的信号处理电路，通过计算机处理，得到液体流动通过电磁检测区域时电压变化，对于程度不一样的微变部分，其对应的磁场波幅值和波形也不大一样，在检测中有两组阵列探头，液体在管道中流动不断切割磁感线探头在检测到液面不平整后会出现电动势变化，通过两组探头的比对进行计算，得到这个时间段的瞬时电压，计算机经过对于微变信号的识别，再经过计算机对电压信号处理，使用不同的传感器作为激励传感器，制造出8组磁场，一组传感器阵列可以产生56组检测数据，一次检测共可产生112组数据。将传感器探头的数据传输到计算机，通过数据采集模块将电磁信号以数组的形式存储到存储模块，每10ms转换一次传感器采集一次信号，每次记录200个字节数据，存储模块共可存储1T数据。根据椭圆成像的方法，利用多角度定位，可以得到剖面成像，通过比较多个剖面图，进而可以得到微变处对应的图像剖面上的大小，累积多个瞬时信号得到面积S₂。利用

测量得到液体在管道中的平均速度利用公式

得到液体微变部分的损失流量Q₂，由此可得实际有效流量Q＝Q₁-Q₂。

如图3所示，为椭圆成像原理图，A(x_i,y_i)，B(x_j,y_j)为传感器位置坐标，微变位置为C，椭圆的焦点为A和B位置，而C位于椭圆的轨迹上，一对传感器可以判断微变位置的椭圆轨迹，而多个传感器就能够产生多个微变椭圆轨迹，且多个椭圆的交点便是微变位置。从传感器A(x_i,y_i)发出的电磁信号传播，到成像区域内的离散点(x,y)，再被传感器B(x_j,y_j)接受到的时间t_ij(x,y)为：

其中，v_g为一定激励频率下的电磁波群速度。利用微变处的散射信号形成图像，根据幅值全加法，包含N个传感器的阵列结构进行检测，可以得到N(N-1)组带有缺陷特征信息差值信号S_ij(t),在管道上每一个离散点(x,y)处都会有N(N-1)个信号幅值S_ij(t_ij(x,y))，对这些幅值进行相加可以得到微变成像的结果为I(x,y):

采用椭圆成像在计算机上得到成像画面，选取颜色最深的部分求取其面积即使s所求微变部分S₂。

本发明实施例中，采用的传感器可以为TMR9002线性传感器，采用了一个独特的推挽式惠斯通全桥结构设计，包含四个高灵敏度TMR传感器元件，其功耗低，对于微弱磁场的检测很灵敏。其参数为：

灵敏度：100mV/V/0e

磁滞：0.02e

工作电压及电流：0V≤VCC≤7V,I≤24mA

漂移：≤3nT/h

磁场强度范围：±5000e

工作温度：-40℃～125℃

通信协议：UART

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种管道流量电磁阵列传感器的检测方法，其特征在于，所述管道流量电磁阵列传感器包括第一传感器阵列(2)、第二传感器阵列(4)、固定架(7)、励磁线圈(3)、励磁电路(5)、信号处理电路(6)和计算单元(10)，所述固定架(7)固定设置在待测管道(9)的外壁上，所述第一传感器阵列(2)和第二传感器阵列(4)分别位于所述固定架(7)的两端，所述励磁线圈(3)设置在所述第一传感器阵列和第二传感器阵列之间，所述励磁电路用于驱动所述励磁线圈使其在待测管道(9)内产生均匀感应磁场；所述第一传感器阵列(2)和第二传感器阵列(4)分别包括多个均匀设置在所述管道(9)外周上的传感器触头(12)，所述传感器触头(12)的输出端与所述信号处理电路(6)的输入端连接，所述信号处理电路(6)的输出端与所述计算单元(10)连接，所述信号处理电路(6)用于将采集到的传感器探头信号，经过放大之后，发送给计算单元(10)，所述计算单元(10)用于通过第一传感器阵列(2)和第二传感器阵列(4)中的传感器探头探测到的感应电动势的变化，计算出管道流量；所述检测方法包括以下步骤：

S1、将第一传感器阵列(2)和第二传感器阵列(4)中各四个传感器作为激励传感器，另四个传感器作为接收传感器，且第一传感器阵列(2)和第二传感器阵列(4)中接收传感器和激励传感器的位置是对应的，采集第一传感器阵列(2)中的四个接收传感器探测的电动势信号f₁，f₂，f₃，f₄，以及第二传感器阵列(4)中的四个接收传感器探测的电动势信号g₁，g₂，g₃，g₄；

S2、根据电动势f₁，f₂，f₃，f₄和电动势信号g₁，g₂，g₃，g₄的互相关函数，确定延时值d；

S3、将第一传感器阵列(2)中的其中一个传感器设置激励传感器，其它七个传感器设置为接收传感器，同时将第二传感器阵列(4)中对应的一个传感器设置为激励传感器，其它七个传感器设置为接收传感器，采集第一传感器阵列(2)和第二传感器阵列中(4)中的各七组接收传感器的十四组电动势值；

S4、依次将第一传感器阵列(2)和第二传感器阵列(4)中的其它传感器中一一设置为激励传感器，重复步骤S3，采集第一传感器阵列(2)和第二传感器阵列中(4)中的各七组接收传感器的十四组电动势值；

S5、根据椭圆成像算法对传感器阵列接收到的多组信号进行成像定位，得到微变位置，然后利用电磁层析成像方法，确定微变面积S₂；

S6、根据公式

计算得到管道流量，所述K为传感器矫正系数，r为管道半径，D为第一传感器阵列(2)和第二传感器阵列(4)的直径距离，d为延时值，为液体在管道中的平均速度。

2.根据权利要求1所述的一种管道流量电磁阵列传感器的检测方法，其特征在于，所述管道流量电磁阵列传感器还包括电源模块(11)，所述电源模块(11)用于供电。

3.根据权利要求1所述的一种管道流量电磁阵列传感器的检测方法，其特征在于，所述计算单元(10)还用于驱动所述传感器触头(12)，将其设置为激励传感器或接收传感器。

4.根据权利要求1所述的一种管道流量电磁阵列传感器的检测方法，其特征在于，液体在管道中的平均速度

的计算公式为：

其中，U表示传感器探头上的感应电动势，B表示磁感应强度，K′为仪表系数。

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