CN112129363A - 基于电容传感器的气液两相流测量装置 - Google Patents
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Abstract
基于电容传感器的气液两相流测量装置，包括测量管道，在测量管道上依次设置有超声波测量模块、电容传感器和差压测量模块；所述超声波测量模块包括温度传感器、压力传感器、以及多个超声波换能器；四个超声波换能器以X形安装管道壁上，且斜向相对的两个超声波换能器在同一轴线上；温度传感器和压力传感器设置在超声波换能器安装位置附近；所述差压测量模块包括差压传感器和文丘里节流件，差压传感器两侧的引压管分别与文丘里节流件的前端和喉部管道位置相连通；所述超声波测量模块、电容传感器和差压测量模块均与一体化表头的数据采集模块电连接。本发明可实现气液两相流量、含水率、含气率等参数的在线测量，性能稳定、可靠、成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于计量技术领域，具体涉及一种基于电容传感器的气液两相流测量装置，主要应用于页岩气及天然气井口的气液两相流量计量。
背景技术
自然界中的物质可以根据相来划分，相指的是某种物质均匀存在于某个系统中，该物质在化学性质和物理特性上相同，不同相之间的物理界面分界明显。根据相的定义，物质一般可划分为固相、气相、液相。以相的数目为划分依据，系统又可以分为单一相和多相混合体系。多相流动体系中相数目为两个的两相流存在比较广泛。
自然界中物质通常以液态、气态、固态的形式存在，所以根据存在的形式的不同，两相流动体系可以再细分为气液、气固、液液和液固两相流。气液两相流例如火力发电厂管道内流动的水和水蒸汽，气固两相流例如固体燃料在燃烧器中燃烧产生的颗粒和气体，液液两相流例如石油行业中从地下抽上地面含有大量水分的石油，液固两相流例如造纸行业产生的纸浆以及污水处理厂产生的污泥浆。
由上述可知，气液两相流是一种随机多变的过程，其研究过程比单相流复杂，由于气液两相流的气相还具有可压缩特性，其参数监测比其它两相流动形式更复杂和困难。
目前对于气液两相流量测量商用最为成功的方案多采用层析成像技术并辅助以流速测量装置来实现，其中基于γ射线的层析成像技术最为成熟，但是其成本高昂，且由于其放射性的特性，受到国家严格管控，导致其在使用管理和运输管理上非常不便。而基于电容法的过程层析成像技术在近几年有许多学者研究，能够识别两相介质的流型和测量含水率。
发明内容
本发明针对当前气液两相流量测量中所用γ射线的层析成像技术的不足，提出了基于电容传感器的气液两相流测量装置，可实现气液两相流量、含水率、含气率等参数的在线测量，且具有性能稳定、可靠、成本低廉的优点。
基于电容传感器的气液两相流测量装置，其特征在于，包括测量管道，在测量管道上依次设置有超声波测量模块、电容传感器和差压测量模块；
所述差压测量模块包括差压传感器和文丘里节流件，所述差压传感器两侧的引压管分别与文丘里节流件的前端和喉部管道位置相连通；
所述超声波测量模块包括温度传感器、压力传感器、以及多个超声波换能器(采用两声道对射式换能器布局结构)；所述温度传感器和压力传感器分别设置在文丘里节流件喉部的前端的管道上；
所述超声波测量模块、电容传感器和差压测量模块均与一体化表头的数据采集模块电连接。
超声波测量模块进行气相的流量测定，电容传感器进行两相介质的流态分析及界面含水率测定，差压测量模块进行两相介质的流量测定。
所述超声波换能器的数量为2n个，其中，n＝1，2，3，4，5，6。
所述超声波换能器的数量为4个，以X形排列方式安装在测量管道壁上，且斜向相对的两个超声波换能器在同一轴线上。
进一步的，两个相邻超声波换能器的轴线互相呈90°夹角。
进一步的，四个超声波换能器处于同一平面内，且四个超声波换能器形成的平面与管道轴线平行。
进一步的，所述电容传感器包括环状绝缘内衬，在绝缘内衬外表面均匀布置8～20片金属电极，在金属电极外侧包围有金属屏蔽层；所述金属电极与导线或顶针相连接。环状绝缘内衬的内径与管道内径相同，以避免影响流体流动；在金属电极外侧(即绝缘内衬的外围)包裹金属屏蔽层，是为了将电容传感器与金属管道相隔绝。
进一步的，所述金属电极数量为12片。
进一步的，所述绝缘内衬耐压强度10～50MPa。
进一步的，在所述测量管道两端设有方便与其它管道相连接的法兰。
进一步的，所述一体化表头包括电源模块和单片机MCU，MCU连接有采集模块、流量输出模块(脉冲输出和恒流源输出)、自动增益调节模块、EEPROM存储模块、通信模块(RS485通信和NB-IOT无线通信)和菜单功能模块(按键设置和液晶显示)；所述采集模块包括分别与超声波换能器、压力传感器、温度传感器、电容传感器、差压传感器电连接的子模块，用于采集各传感器的数字信号。(各传感器以及超声波换能器首先将模拟信号通过信号调理电路和ADC进行处理和模数转换，再通过采集模块传输至MCU)
一体化表头实现整个测量过程中的控制、采集、运算、输出、以及通信功能，表头的核心MCU，控制前述外围模块工作，并且内部的运算功能可以将各模块的信息采集进行运算，得到气液两相流参数。
本发明的有益效果是：
在不进行气液两相分离的前提下，可以直接进行气液两相流参数的测量，利用电容传感器、超声波测量模块和差压测量模块实现气液两相介质的总流量测量、含气率测量、混合流体密度测量、单相流量测量，实现了低成本的在线式两相计量，具有相对优异的精度。可用于页岩气以及井口湿气的两相流系统的测量，相较于现有的多种测量方法，本发明的特点是用传统的单相仪表结合电容传感器巧妙地解决了工程测量问题，且测量结果可靠、稳定、精度优异，适用范围广、安装方便、体积小巧、成本低廉，具有一体化、仪表化、低功耗、无辐射的特点。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为电容传感器工作示意图；
图3为一体化表头功能框图；
图中，1、法兰，2、测量管道，3、一体化表头，4、超声波换能器，5、压力传感器，6、温度传感器，7、电容传感器，8、文丘里节流件，9、差压传感器，10、绝缘内衬，11、金属电极，A超声波测量模块，B、差压测量模块。
具体实施方式
如图1和2所示，基于电容传感器的气液两相流测量装置，包括测量管道2，在测量管道2上依次设置有超声波测量模块A、电容传感器7和差压测量模块B；超声波测量模块进行气相的流量测定，电容传感器进行两相介质的流态分析及界面含水率测定，差压测量模块进行两相介质的流量测定。
所述差压测量模块B包括差压传感器9和文丘里节流件8，所述差压传感器9两侧的引压管分别与文丘里节流件8的前端和喉部管道位置相连通；
所述超声波测量模块A包括温度传感器6、压力传感器5、以及四个超声波换能器4，所述四个超声波换能器以X形排列方式安装在测量管道壁上，且斜向相对的两个超声波换能器在同一轴线上，(即压力传感器5左侧的超声波换能器与温度传感器6右侧的超声波换能器在同一轴线上)，两个相邻超声波换能器的轴线互相呈90°夹角；所述温度传感器6和压力传感器5分别设置在四个超声波换能器安装位置3cm处的管壁上，且处于文丘里节流件的前端，在所述测量管道2两端设有方便与其它管道相连接的法兰1；
所述电容传感器7包括环状绝缘内衬10，其耐压强度40MPa，在绝缘内衬10外表面均匀布置12片金属电极11，在金属电极11外侧包围有金属屏蔽层；所述金属电极11与导线或顶针相连接。环状绝缘内衬的内径与管道内径相同，以避免影响流体流动；在金属电极外侧(即绝缘内衬的外围)包裹金属屏蔽层，是为了将电容传感器与金属管道相隔绝。
所述超声波测量模块A、电容传感器7和差压测量模块B均与一体化表头3的数据采集模块电连接。
所述一体化表头3包括电源模块和单片机MCU，MCU单向连接有采集模块、流量输出模块(脉冲输出和恒流源输出)、自动增益调节模块，双向连接EEPROM存储模块、通信模块(RS485通信和NB-IOT无线通信)和菜单功能模块(按键设置和液晶显示)；所述采集模块包括分别与超声波换能器、压力传感器、温度传感器、电容传感器、差压传感器电连接的子模块，用于采集各传感器的数字信号。(各传感器以及超声波换能器首先将模拟信号通过信号调理电路和ADC进行处理和模数转换，再通过采集模块传输至MCU)
一体化表头实现整个测量过程中的控制、采集、运算、输出、以及通信功能，表头的核心MCU，控制前述外围模块工作，并且内部的运算功能可以将各模块的信息采集进行运算，得到气液两相流参数。
具体的两相测量方法按如下具体步骤进行：
介质进入测量管道之后，超声波测量模块测量得到气相的流速v和温度t、压力P,则两相介质的工况流量为：
其中,D为测量管道的内径，v为超声波测量模块测量的气相流速。
之后介质通过电容传感器，因为本实施例中采用12电极电容传感器，因此共计可以获得66个电容数据，电容值可根据下式进行计算：
式中：Vij：激励电极i和检测电极j之间的电压；Γj：围绕电极j的封闭曲面；ε0：真空中的绝对介电常数；ε(x，y)：传感区域内的介电常数分布；φ(x，y)：电势分布函数。
由于被测两相介质的气液比不同，会导致混合介质的介电常数不同，且各相流体含率及分布不同，使得电极测得的电容值也不同，将测得的66组电容信号结合敏感场矩阵，并通过反投影图像重构算法即可得到流态分布及含率，敏感场反应某一位置介质变化时引起电容值变化的情况，可用下式计算：
式中：g(k)：像素K的灰度值；λi，j:电极i,j间的归一化电容值；Si，j(k)：像素k在电极i,j之间电容测量的灵敏度；
获得电容数据以及敏感场矩阵后，根据反投影算法即可实现管道内介质的层析成像，并计算出含水率LVF。
根据摩尔气体组分可以计算出气体密度ρ气，根据化验的方法得到液体密度ρ气率(认为一段时期不会变化)，且已知含水率LVF，可以得到混合流体的密度ρ1。
超声波流量计测量气相流量，文丘里测量混合流量。其中超声波测量算法：
L：声道长度；X：超声波换能器之间距离；tdown：逆流传播时间；tup：顺流传播时间。
文丘里测量算法：
C：流出系数；β：文丘里喉部与管道内径比；ε：可膨胀系数；d：管道内径；Δp：差压值；ρ1：测量介质密度。
液相流量为文丘里测量的混合流量减去超声波流量计测量的气相流量。
在一体化表头中有存储模块，存储模块中存储有文丘里的流出系数、等效开孔面积等数据。一体化表头对电容数据和差压数据以及超声波流速数据进行实时处理，获取气液两相流混合密度、含液率、含气率、单相流量等数据。
Claims (9)
1.基于电容传感器的气液两相流测量装置，其特征在于，包括测量管道(2)，在测量管道(2)上依次设置有超声波测量模块(A)、电容传感器(7)和差压测量模块(B)；
所述差压测量模块(B)包括差压传感器(9)和文丘里节流件(8)，所述差压传感器(9)两侧的引压管分别与文丘里节流件(8)的前端和喉部管道位置相连通；
所述超声波测量模块(A)包括温度传感器(6)、压力传感器(5)、以及多个超声波换能器(4)；所述温度传感器(8)和压力传感器(5)分别设置在文丘里节流件(8)喉部的前端的管道上；
所述超声波测量模块(A)、电容传感器(7)和差压测量模块(B)均与一体化表头(3)的数据采集模块电连接。
2.如权利要求1所述的基于电容传感器的气液两相流测量装置，其特征在于，所述超声波换能器(4)的数量为2n个，其中，n＝1，2，3，4，5，6。
3.如权利要求1所述的基于电容传感器的气液两相流测量装置，其特征在于，所述超声波换能器(4)的数量为4个，以X形排列方式安装在测量管道壁上，且斜向相对的两个超声波换能器在同一轴线上。
4.如权利要求3所述的基于电容传感器的气液两相流测量装置，其特征在于，四个超声波换能器处于同一平面内，且四个超声波换能器形成的平面与管道轴线平行。
5.如权利要求1所述的基于电容传感器的气液两相流测量装置，其特征在于，所述电容传感器(7)包括环状绝缘内衬(10)，在绝缘内衬(10)外表面均匀布置8～20片金属电极(11)，在金属电极(11)外侧包围有金属屏蔽层；所述金属电极(11)与导线或顶针相连接。
6.如权利要求5所述的基于电容传感器的气液两相流测量装置，其特征在于，所述金属电极(11)数量为12片。
7.如权利要求5所述的基于电容传感器的气液两相流测量装置，其特征在于，所述绝缘内衬(10)耐压强度10～50MPa。
8.如权利要求1所述的基于电容传感器的气液两相流测量装置，其特征在于，在所述测量管道(2)两端设有方便与其它管道相连接的法兰(1)。
9.如权利要求1所述的基于电容传感器的气液两相流测量装置，其特征在于，所述一体化表头(3)包括电源模块和单片机MCU，MCU连接有采集模块、流量输出模块、自动增益调节模块、EEPROM存储模块、通信模块和菜单功能模块；所述采集模块包括分别与超声波换能器、压力传感器、温度传感器、电容传感器、差压传感器电连接的子模块，用于采集各传感器的数字信号。
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|---|---|---|---|---|
| CN113504298A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-10-15 | 天津大学 | 超声透射传感器与多电极电导传感器持气率组合测量方法 |
| CN114011104A (zh) * | 2022-01-06 | 2022-02-08 | 湖南大学 | 一种重力闪蒸器的控制方法、装置、设备及重力闪蒸器 |
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