CN113167616A - 用于分析多相流的成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及成像系统以及用于使用该成像系统来分析通过管道流动的多相流的方法，该成像系统用于测量多相流的各个相的流速并用于提供多相流的图像，其中，该成像系统还适用于测量管道的内壁上的沉积物的厚度。

Description

用于分析多相流的成像系统
技术领域
本发明涉及用于测量多相流的各个相的流速以及用于测量管道的内壁上的沉积物的厚度的成像系统，并且涉及用于分析多相流和沉积物的厚度的方法。特别地，该成像系统可以用于油田采油中。
背景技术
在各种不同的应用中都需要准确的、非侵入性的、无干扰且实时的流量计量。例如，在生物医学领域，需要测量血管内血液的流速，以避免由于各种心血管疾病而可能发生的不可预测的中风。
在油气厂领域，需要确保适当的储油管理和对所生产的燃料的质量监控。这导致许多研究人员和公司提出并构建了各种多相流量计。
例如，对生成多相流的二维(2D)图像和三维(3D)图像的层析成像系统进行了广泛研究，因为这些层析成像系统不仅提供了准确测量多相流的可能性，而且还提供了使实际流态的类型可视化的可能性，这有助于在实际流量条件下对管道网络的设计的质量进行评估。
当前，电容层析成像(ECT)、磁感应层析成像(MIT)、电阻层析成像(ERT)和电感层析成像(EIT)是用于多相流测量的最常用系统。这些系统主要由传感器阵列(即用于ECT和EIT的铜电极以及用于MIT的线圈)组成，使用预定义的序列以时间多路复用的方式对这些传感器进行激励以收集电信号，其特征取决于探头内相位的分布。
尽管在硬件和算法方面均取得了显著进步，但层析成像系统仍存在以下问题：不能适当处理各相之间的边界以及还需要过多的计算时间。提出了模块化脉动超大规模集成(VLSI)架构，以实现高吞吐量的2D ECT图像重建(例如，利用八个电极使用线性反向传播(LBP)算法来达到1200帧/秒)。虽然高度集成的VLSI芯片的可用性使得计算时间大幅度减少，但是输出图像的质量仍受到层析成像算法的平滑度约束的影响。这些系统的另一个限制是其不能处理小尺寸的相，这是湿气流情况，在湿气流情况下水滴被分散并且可以是亚毫米级的大小。
还考虑了用于多相流测量的其他系统，诸如允许使用超声相控阵列传感器通过导管的壁进行测量的系统(例如，美国专利第9,612,145号)。这样的系统被应用于血流测量以及油-水和气流测量。装置由发射超声波的传感器的阵列组成，所述发射超声波的传感器被放置在管道的一侧，以时间多路复用的方式朝向由另一超声波接收器阵列组成的另一径向相对侧发送超声波。对所接收的信号的充分分析允许确定多相流成分以及重建其相应的2D或3D图像。尽管该技术对于仅由液体(即油和水)组成的多相流是准确的，但对于携带有气相的多相流却是不可实现的。
美国专利申请2016/0258877中已经提出了另一种基于近红外(NIR)的装置。该装置测量通过导管的移动的固体颗粒(例如黑色粉末，这些粉末是具有高比例的铁氧化物和其他化学污染物的细颗粒)的流量。探头由发射器源组成，该发射器源在管道段内发送700nm至2500nm范围内的NIR波。一组NIR检测器接收NIR信号，NIR信号的强度取决于固体污染物的大小和浓度。尽管该技术已经证明其能够准确检测亚毫米尺寸的浓度非常小的固体污染物，但还没有针对油-水-气多相流的流体进行评估。
在美国专利第5,485,743号中，提出了微波天线阵列，该微波天线阵列被布置在管道周围，以利用层析成像算法中的一种算法通过捕获指示介质电导率的相位信息和指示流的介电常数的幅度信息来重建流的图像。在美国专利申请US 2016/0161425 A1中公开了另一种类似的设备，其中提出了具有多个馈送的多模微波腔来确定多相流特性(即，含水率(water-cut))而无需图像重建。使用γ射线的另一种技术被成功用于多相流测量。然而，除了危险之外，基于γ射线的探头在高气体空隙分数(即GVF大于95％)的情况下不能良好地运行，而且这些探头也不能获得流的图像。
美国专利第7,717,000号提出了降低多相流的各个相的测量的复杂度的采样方法。然而，由于流体可能失去其物理特性和化学特性，因此该方法可能不能达到预期的精度。此外，该方法提出测量通过的流体的一部分，该部分可能不能准确地表示实际的多相流。该装置的另一个显著缺点是计量器具有移动部件，这可能导致现场反复出现故障。
WO2017/021813提出了用于测量多相流的流速的成像装置，该多相流具有高的气体空隙分数(GVF)，即具有高于95％的GVF的湿气应用，或者具有相对低浓度的固体污染物，例如气体管道中的黑色粉末。然而，该装置不能用于GVF相对较低或含水率较高的应用，因为随着高介电介质诸如水的体积的增加，THz波显著衰减，这是许多油田生产中的情况，而且，该装置不提供流的图像。
美国专利第9,645,130号提出了盲三通连接件(blind-tee junction)，其用于使用在微波范围内操作的一个RF电磁传感器(一个或若干个RF天线)来测量在液体富集区域中的流的多相流特性，诸如介电常数和/或电导率。然而，该设备不测量各个流的速度。
此外，先前的工作提出了在多相流量计的上游使用流量调节器，然而这并不是为了生成流的2D图像或3D图像的目的，而仅是为了便于测量流的某些特性诸如流成分或其各个相的流速的目的。其他计量器诸如美国专利第7,942,065号中提到的计量器除了使用文丘里流量计之外，还使用微波传感器、伽马射线传感器。然而，该系统需要放射性元素，而且此外，没有该计量器在实际中将如何运行的指示。还已经公开了使用X射线的其他危险的多相流量计(例如，如美国专利申请0355115A1中提到的X射线设备)。最近，提出了基于核磁共振的多相流量计。例如，美国专利9,541,435中公开的计量器由两组永磁体组成。然而，该技术仍处于原型阶段，并且需要进一步的现场工作来证明此构思。
因此，仍然需要开发新的多相流计量的构思，该构思不仅可以提供关于每个单独相的流速的信息，而且可以提供流的图像。多相流量计的另外的挑战是补偿可能积聚在管道内壁上的污染物(例如，由原油和/或黑色粉末组成的结垢)的最终堆积。这是多相流量计的制造商很少解决的现实存在的挑战。在这方面，WO 98/10249中提出了由三个压力传感器组成的高复杂度的机械设备。在美国专利申请0316402中提出了类似的构思，其中另外使用了电磁传感器。
发明内容
本发明通过提供用于测量多相流的各个相的流速的成像系统来解决现有技术的上述缺点，其中，该成像系统还适用于测量管道内壁上的沉积物的厚度。
多相流可以至少包括气相和液相，并且其中，液相包括水和/或油。例如，多相流可以是湿气。
成像系统还可以包括在线流量调节器。特别地，在线流量调节器可以改善图像信号的信噪比。
在线流量调节器可以产生环形流或分层流。这样的流的产生减少了分析多相流的整体计算工作量。
在线流量调节器可以是旋流分离器或旋风分离器。
在线流量调节器可以位于成像系统的上游。
成像系统可以包括THz成像系统、超声阵列成像系统、电容层析成像系统、电阻层析成像系统和/或磁感应层析成像系统。
根据本发明的成像系统不使用任何统计方法，而是依赖于从各种成像传感器捕获的物理数据，所述各种成像传感器包括一个或更多个THz相机、超声阵列传感器(和附带的硬件)、电容层析成像系统、电阻层析成像系统和/或磁感应层析成像系统。THz成像系统对于具有低含水率的高GVF的分析特别有用，而超声阵列成像系统可以主要用于低GVF和高含水率。THz成像系统取决于具有不同的介电常数的介质中的差分吸收。例如，水的介电常数大于80，而气体的介电值约为1。
特别地，成像系统可以包括THz成像系统和超声阵列成像系统，其中，THz成像系统适用于测量气体空隙分数在预定义值以上的多相流，并且其中，超声阵列成像系统适用于测量气体空隙分数在预定义值以下的多相流。
这样的布置使得对于高GVF条件和低GVF条件以及高含水率条件和低含水率条件均可以测量流。
超声阵列成像系统可以在回波模式、渡越时间(transit time)模式或多普勒效应模式下操作。超声阵列系统适用于介电常数高于1的多相流的条件。
成像系统还可以包括一个或更多个超声传感器对，一个或更多个超声传感器对在渡越时间模式和/或多普勒效应模式下操作，适用于测量多相流的流速，其中，一个或更多个超声传感器对适于被插入到多相流中。由此，超声波通过液体传播。
当流量调节器下游的流是环形流时，该超声传感器对可以是液体超声传感器。
当流量调节器下游的流是分层流时，可以在发射模式(transmit mode)下使用液体超声传感器对来测量液体速度，以及可以在发射模式下使用气体超声传感器对来测量气体速度。
超声阵列成像系统可以被布置为圆形阵列。这样的圆形阵列被用于获得流的图像，例如在环形流的情况下获得外部液体层的图像。
成像系统还可以包括至少一个温度传感器和/或至少一个压力传感器。
至少一个超声传感器对可以被布置成使得在操作中，超声波通过液体传播。
THz成像系统可以包括THz源和THz相机，其捕获反映THz相机附近内的多相流的介电常数的THz图像。
可以通过执行基于块的运动估计或基于区域的运动估计来处理THz图像，以提供多相流的图像、GVF、含水率、密度、和/或液-气交界面的速度，所述液-气交界面的速度是气体速度和液体速度之间的平均值。
THz成像系统可以包括适用于执行多相流的三维重建和/或执行精确的二维图像重建的两个或更多个THz相机和/或两个或更多个THz源。
至少一个THz相机包括一个或更多个像素。在THz相机包括一个像素的情况下，该相机作为一个THz检测器来操作。可替选地，THz相机可以包括多达数千个像素。通常，图像质量随像素数目而增加。
THz成像系统可以在0.1THz至10THz之间的频率下工作(对应于30μm至3mm的波长以及0.41meV至41meV的能量)。然而，本发明可以在该范围以下或该范围以上的频率下工作。
超声阵列成像系统可以包括一个超声元件或多达数千个超声元件。
超声阵列成像系统包括一个或更多个超声元件环，其中，超声阵列成像系统在渡越和/或反射模式下操作，适用于确定气相的厚度和含水率值以及使用层析成像技术执行图像重建。
超声阵列成像系统可以在1KHz和100MHz之间的频率下操作。
本发明还涉及一种成像系统的用途，用于测量多相流的流速以及用于使多相流的流可视化和/或用于测量管道的内壁上的沉积物的厚度。
多相流可以具有低的气体空隙分数和/或高的含水率。
本发明还涉及一种用于使用成像系统来分析通过管道流动的多相流的方法，该方法包括以下步骤：
-确定多相流的各个相的流速；
-获取多相流的流的二维或三维图像；以及
-优选地，测量沉积在管道的内壁处的结垢的厚度。
可以基于从THz成像系统和/或超声阵列成像系统获得的数据，使用基于块的运动估计算法来确定流速。
多相流可以至少包括气相和液相，并且其中，液相包括水和/或油。
管道可以是气体管线或油管线。
THz成像系统可以被放置成使得THz相机平行于流的方向布置。
除了提供实际流的流态外，所提出的系统还具有准确估计可能堆积在管道壁上的沉积物的量的优点。这种沉积问题在其他多相流量计中很少被考虑，但是在进行精确的流量测量时却是现实的实际问题。
附图说明
下面参照附图描述本发明的优选实施方式，在附图中示出：
图1：根据本发明的实施方式的成像系统的图示；
图2：根据本发明的实施方式的在旋流分离器的下游捕获的环状流的真实图像；
图3：根据本发明的另一实施方式的成像系统的图示；
图4：根据本发明的另一实施方式的由THz相机捕获的流的图像、对应的直方图和统计数据；
图5a、图5b：根据本发明的另一实施方式的成像系统的示意性纵向图(a)和截面图(b)；
图6：根据本发明的另一实施方式的成像系统的示意图；
图7：根据本发明的另一实施方式的成像系统的示意图；
图8：根据本发明的另一实施方式的成像系统的示意图；
图9a、图9b：根据本发明的实施方式的针对不同量的含水率的THz频谱数据(a)和对应的主成分分析(PCA)图(b)；
图10：根据本发明的实施方式的基于块的运动估计算法的示意图；
图11：根据本发明的实施方式的使用两个THz相机提取流的三维信息的示意性框图；
图12a至图12c：根据本发明的实施方式的与环状流(a)、具有结垢沉积物的环状流(b)以及分层流(c)的沿THz相机的给定行的像素值分布相对应的图；
图13：根据本发明的实施方式的可能模式识别算法的示意性结构；
图14：根据本发明的实施方式的基于THz的成像系统的示意性算法。
具体实施方式
在下文中，针对附图详细描述本发明的优选实施方式。然而，应当理解的是，这些实施方式不旨在限制本公开内容的应用和范围或配置。另一方面，本发明的以下描述可以向本领域技术人员提供其他示例性优选实施方式。应当理解的是，在不脱离所附权利要求书中阐述的构思和范围的情况下，可以进行各种改变。
本发明涉及用于多相流计量的紧凑型成像系统，该紧凑型成像系统也可以用于结垢厚度即沉积在管道内壁处的结垢的厚度的测量。成像系统可以例如包括THz成像系统和/或超声阵列系统。该成像系统还可以包括其他成组的附加传感器例如超声传感器以确定各个相的流速。取决于流状况，成像系统还可以包括上游在线流调节器以产生可以更容易地被成像系统处理的合适的流态例如环状流(利用旋流分离器)或分层流。在多相流的总介电值不超过预定义值的情况下，成像系统也可以在没有流调节器的情况下自主地工作。例如，在气体空隙分数(GVF)非常高的多相流或含水率相对低的多相流的情况下，使用THz成像系统来确定各个流速是适当的。可替选地，在GVF非常低的情况下，可以使用超声阵列成像系统。
根据一个实施方式，本发明涉及可以包括THz成像系统的成像系统，该成像系统包括THz相机、THz源以及用于测量多相流的各个流速并使流可视化的相关联的电子装置。THz相机可以包括二维像素阵列，其中，每个像素与以预定义数目的位(例如8位、12位、16位或24位)编码的色值相关联并且表示通过被测试目标(TUT)介质传输的THz波的幅度。二维像素阵列可以小到1像素x 1像素并且可以大到数千像素。计量计的物理原理基于以下事实：THz波在给定介质中的传播取决于若干物理参数例如给定介质的介电值和大小。在包括油、水和气的多相流的情况下，水相的相对介电值可以超过80，而气的相对介电值通常约为1。因此，THz辐射在水相中比在气相中被吸收得多。取决于成像系统的设计，然后可以使用专用硬件机器实时获得多相流的二维或三维图像。
成像系统还可以包括附加的超声阵列成像系统，该成像系统可以在回波模式、渡越时间模式或多普勒效应模式下操作。该装置是对THz成像系统的补充，以处理例如GVF非常低且含水率高的多相流的情况。该装置还可以包括在线流调节器以利用旋流笼产生环状流或分层流。尽管紧凑且高效的在线分离器是可用的，但是通过上述两个成像系统更易于获取环状流或分层流并对其进行处理。
除了这两个成像系统和流调节器之外，该设备还可以包括其他传感器。例如，在多相流流体仅包括干燥气体或相对很小浓度的液体或者分离器下游的经调节的流相对均匀且不随时间显著变化的情况下，可以使用超声传感器来确定气体流速。还可以包括温度传感器用于补偿由温度变化引起的最终偏差。
所提出的成像系统的优势在于：除了非侵入性且非介入式之外，该系统还可以提供流的图像，并且可以容易地处理在当今的多相流量计中难以解决的诸如高GVF(例如GVF>95％)和含水率很高的情况。
此外，根据本发明的系统不使用任何统计方法而是依赖于从各种成像传感器捕获的物理数据，所述各种成像传感器包括THz相机和超声阵列传感器(以及随附的硬件)。此外，为了改善图像信号的信噪比提出了在线流调节器。除了提供实际流的流态之外，所提出的系统还具有准确地估算可能堆积在探头的壁上的沉积物的量的优势。油田结垢沉积物是其他多相流量计中很少考虑的问题，但是进行准确测量是现实的实际问题。
如图1所示，根据本发明的一个实施方式，成像系统包括与上游旋流阀相结合的THz成像系统及其与控制室的接口。成像系统包括THz相机8，THz相机8捕获从THz源5发出的传播通过包括液相(例如油-水混合物)2和气相1的多相流介质之后的THz辐射。
THz频率范围，也称为亚毫米波段，是指高于0.1THz且低于10THz的频率(其对应于从30μm到3mm的波长以及从0.41meV到41meV的能量)，然而根据本发明也可以使用低于该范围以及高于该范围的其他频率。取决于各种因素例如含水率的范围、气体空隙分数(GVF)的范围以及装置将被部署的区域等级，选择操作频率和传输功率。THz相机8和THz源5两者(以及最终嵌入相机和/或光源或用作设置适当视场的单独部件的透镜)彼此正面放置以包围运载多相流的管线。在线流调节器在THz成像系统的上游，该在线流调节器包括例如包含多个狭缝3的旋流笼11，所述多个狭缝3根据预定义定向角定向，并且多相流通过所述多个狭缝3穿过。在下游，可以产生具有特定流态的多相流(例如，由作为外层的液相和作为内层的气相组成的环状流)。该设计具有简化成像系统的计算复杂性的优点，同时该设计引起了相对可忽略的压降。发射机9以视频帧速率执行图像捕获和处理以便确定组成该流的各个流的流速以及重现该流的图像。除了通过THz成像系统估算气体流速和液体流速之外，压差传感器30也可以用于测量探头的给定截面处但在THz相机附近的静压以便使用例如简化的动量方程式来估算气体流速和液体流速：
Figure BDA0002940520280000091
其中，εG是空隙分数，dp/dz是沿给定轴向距离测量的压差，z是轴向距离，g是由于重力引起的加速度，ρG是气体密度，ρL是液体密度，τ0是壁剪切应力，S是管道截面面积，P是管道圆周，α是压力传感器相对于水平面的倾斜角(例如，图1中为90°)，并且ρTP由下式给出：
ρTP＝(1-εG)ρL+εGρG (式2)
式1的右手侧的三个项分别表示摩擦项、加速度项和重力压力梯度项。利用方程式1，可以确定表示混合物的质量流量的变量
Figure BDA0002940520280000092
并且因此可以获得气体速度与液体速度之间的第二关系。
在优选实施方式中，使用光纤4作为通信介质来进行THz源光5与驱动电路逻辑22之间的通信。如果要测量的过程是危险的并且只能托管本质安全的仪器，则使用光纤4作为通信介质来进行THz源光5与驱动电路逻辑22之间的通信是方便的。根据图1的系统还包括显示装置12、时钟发生器逻辑6和脉冲电源23。这是脉冲光发射所必需的。然而，该系统也可以在永久发射THz光的连续模式下操作。在这种情况下，时钟发生器逻辑块不是必需的。然而，实际上，脉冲模式具有对可能由各种物体(即，温度范围为14K至140K的物体)发射的噪声辐射进行补偿的优点。在这种情况下，图像获取模块进行连续地减去在具有THz辐射的情况下获得的连续帧和在没有THz辐射的情况下获得的连续帧。在图1中没有示出的是相位补偿电路，该相位补偿电路在图像处理模块7中实现以对由THz相机引起的最终相移进行补偿。
即使图1示出了系统配置处于吸收模式的优选实施方式，本发明同样也扩展到反射模式和折射模式。在具有高含水率的较高多相流的情况下，反射模式和折射模式可能更合适。
图像处理模块9的主要任务之一是对所获取的图像执行基于块的运动估计或基于区域的运动估计，这些所获取的图像可以在通过使用单个THz相机得到的二维空间中，如果使用多于一个的相机，则这些所获取的图像也可以在三维空间中。另外，通过在图像处理模块9中运行某种模式识别算法，可以根据那些图像确定液相和气相的电介质和密度两者。例如，期望的是，对于THz相机通常以8位、12位或16位进行编码的像素值高度线性依赖于相应介质的介电值。同样，气相和液相两者的密度在一定程度上对像素值具有影响(但不如介电值那么大)。在流量调节器下游产生的液-气交界面的运动场以及气相和液相两者的介电值和密度值将用于确定液滴和气体的各自的流速。
压差传感器30还可以使用简化的动量方程式(式1)来帮助测量气体速度和液体速度。可以经由标准总线10(即4mA至20mA总线或现场总线网络)将该信息发送至远程计算机或远程可编程逻辑控制器(PLC)。
在执行运动估计算法之前，数据获取模块9可以使用动态阈值技术执行图像二值化，随后执行图像形态学(例如，与液体气泡对应的区域的腐蚀和扩张)。
应当理解的是，混合介质的介电常数εmix.根据下式影响THz波的衰减和混合速度Vmix两者：
Figure BDA0002940520280000101
其中，c是声速(等于3*108m/s)。假如流体由α1(水)、α2(油)和α3(气体)三个相组成，则上式可以按以下重写：
Figure BDA0002940520280000102
其中，ε1、ε2和ε3分别是水、油和气体的相对介电常数，ε1、ε2和ε3是变量并且分别在区间[60，80]、[2，5]和[1，1.15]的范围内。假设空气的介电常数几乎恒定并且流体仅由水和气体组成的现实情况(这在湿气体流体中是典型情况)将导致确定以下空气分数：
Figure BDA0002940520280000111
εmix可以使用上式1来确定，对于εmix，Vmix是图像的所有像素上的THz波的平均速度。该数据可以用于对从THz相机提取的数据进行校正，由于所获取的图像的二维性质，从THz相机提取的数据可能提供一些不确定性。
应当理解的是，图像处理单元7中根据所获取的THz图像测量流速和气体/液体分数的逻辑中的大部分逻辑或某些逻辑可以在使用一个或多个中央处理单元的软件中执行或者在使用基于逻辑门的IC诸如现场可编程阵列的硬件中执行。
图2示出了在旋流分离器下游捕获的环形流的真实图像，其中，气相1被液相2包围。
可以在图像处理部分中探索液-气交界面的边界不是直线而在某种程度上是波浪形的事实，以估计该交界面(interface)的运动矢量vinterface，该运动矢量可以被估计为平均液体(liquid)速度vliquid 34与平均气体(gas)速度vGas 35之间的平均速度。
vinterface＝(vinterface+vinterface)/2 (式6)
图2示出了在管道的截面S处的液体34和气体35的速度分布，示出了气相和液相之间的跳跃速度不为零。
图3示出了本发明的另一个优选实施方式，根据该优选实施方式，成像系统包括THz成像系统和一组液体超声传感器26、27、28和29，以便测量液体和气体两者的流速。该系统还包括流量调节器，例如旋流阀。对于以精确的方式测量液相和气相两者的速度或者当下游流量相对均匀并且因此运动估计技术不能应用于所获取的图像时，超声传感器对是足够。
使用两对分别发射上游超声波和下游超声波的超声传感器26和27确定液体流速，上游超声波和下游超声波的时间延迟由以下表达式给出：
T上游＝2d/(v-vLiquid) (式7)
T下游＝2d/(v+vLiquid) (式8)
其中，d是每一对的两个超声传感器之间的距离，v是超声波进入液相中的传播速度，vLiquid是未知液体的速度。可以使用THz相机确定取决于含水率的变量v。使用上述式(7)和式(8)，液体速度可以确定为如下：
vLiquid＝(T上游-T下游)*v2/(2d) (式9)
可以使用在多普勒模式下操作的另一对超声传感器28和29来确定气体速度vGas：
vGas＝a(ft-fr)/(2ftcosθ) (式10)
其中，ft是所发射的超声波的频率，fr是所接收的超声波的频率，以及θ是两个传感器之间的半角。
图4示出了THz相机针对各种厚度的液层(在这种情况下为100％含水率)捕获的流量图像，以及相应的直方图和统计数据。虽然可以使用不同的特征来确定液气比，但是直方图中包含计数值在25附近的像素数量的特征显示出一致的趋势，因为该像素数量随厚度的增加而增加。值得注意的是，随着液体厚度的增加，液层周围的折射也会增加。可以通过降低THz源的曝光强度来减小这种影响。
图5(a)示出了本发明的另一优选实施方式，成像系统包括超声阵列探头19的阵列，该超声阵列探头19被放置在例如涡流阀的流量调节器11的下游。系统被插入到运载多相流的管道中，并与控制室连接。当含水率的值超过预定值(例如50％含水率)时，可以由超声阵列的一个(如图5(a)中所示)或更多个环组成的探头会比图1中示出的探头更优，因为大多数THz波在该范围内被吸收。然而，探头也可以在低含水率的情况下操作，但会产生质量低于THz相机提供的图像的图像，因为通常基于层析成像技术的重建算法在液-气交界面区域中表现不佳。探头由超声元件阵列19组成，其可以小到少于10个超声元件，以及大到数千个超声元件。这些元件由脉冲发生器模块21通过多路复用器/解多路复用器模块14以时分多路复用的方式触发，该多路复用器/解多路复用器模块14选择要激活的探头元件。快速模拟开关15将装置配置为从发射模式到接收模式，以将接收到的信号运载至放大器17和数字主处理单元18。在不失一般性的情况下，超声阵列成像探头19可以用电极或线圈代替来执行电容层析成像(ECT)、电阻层析成像(ERT)或磁感应层析成像(MIT)。相关联的电子设备21、14、15、17和18需要相应地修改。根据图5(a)的系统还包括显示装置12。
图5(b)示出了如图5(a)中描绘的超声阵列成像系统的截面。除了使用超声层析成像算法来构建流量图像外，该图像还说明了确定液层厚度以及含水率的准确方法。因此，超声元件A向传感器元件D发射超声波35。因为两个传感器之间的空气间隙，该波将不会撞击元件D。在另一时隙中，超声元件C接收由元件B发射的超声波36，该超声波指示两个装置之间的液层的存在。这两个序列允许估计液层的厚度。液体的含水率可以通过探测回波信号37来确定，因为对于给定的深度，超声波的飞行时间与含水率成比例。这样，超声阵列成像装置需要在渡越时间模式和反射模式二者下操作。
图6示出了根据本发明的成像系统的另一优选实施方式，其与图5(a)中示出的成像系统的不同之处在于，利用一组液体超声传感器26、27、28和29代替压力传感器，以便测量液体和气体二者的流速。因此，系统包括超声阵列成像装置、例如涡流阀的流量调节器、成对的超声传感器以及其与控制室的接口。如以上所说明的，成对的超声传感器适合于以准确的方式或者在下游流量相对均匀并因此不能将运动估计技术应用于所获取的图像时测量液相和气相二者的速度。使用分别发射上游超声波和下游波的两对超声传感器26和27来确定液体流速。使用在多普勒效应模式下操作的一对传感器28和29来确定气体速度。
图7示出了本发明的另一实施方式，根据该实施方式，成像系统包括THz成像装置，被插入到运载多相流的管道中。在该实施方式中，在成像系统中不需要流量调节器。如果在多相流量计沿竖直管放置时，则这样的布置可能是适当的，在竖直管内(并且与图1中示出的液气分离器下游的流动类似)，作为主导相的气相通常沿着管的中心行进，其中里面分散有油和水，而大部分油和水沿着管壁行进。在非常高的GVF的情况下，这可能足够了，在这种情况下，液气分离的质量可能无效或者含水率相对非常低。在非常高的GVF的情况下，如果液滴的尺寸低于预定义值，则夹带在气体中的液滴具有与气相几乎相同的速度。否则，可以使用斯托克斯方程或通过添加压差传感器和/或渡越时间或多普勒效应超声传感器来估计气体速度和液体速度。例如，在高GVF的情况下，如果斯托克斯数Stk远小于1，则未知气体速度和液体速度是否相同：
Stk＝t0u0/I0其中：t0＝ρPd2 p/(18μg) (式11)其中，uo和lo是流体的特征速度和长度，而ρp、dp和μg分别是输送相的密度、粒径以及输送流体的粘度。
关于气液分数，其可以通过测量THz图像中THz波的吸收量来确定。在含水率非常低的情况下，THz波可以更容易地渗透到流体中，并且根据气液分数，可以使用渡越时间超声传感器和/或压力传感器。
类似地，图8示出了本发明的另一实施方式，根据该实施方式，成像系统包括超声阵列成像系统，但是在没有流量调节器的情况下工作。成像系统被插入到运载多相流的管道中。在具有非常低的GVF的相对非常高的空隙分数的情况下，这种布置是足够的。假设在长度为LTotal的路径内，水(water)相的总长度为LWater，以及油(oil)相的总长度为LOil。然后，可以如下确定含水率WC：
WC＝(LWater)/(LTotal)＝(2t-υOilLTptal)/[(LTotal)*(υWater-υOil)] (式12)其中，t是超声波的渡越时间，vOil是超声波在油中的速度，以及vWater是超声波在水中的速度。
图9(a)示出了关于不同含水率浓度的THz频谱吸收，而图9(b)示出了相应的主成分分析(PCA)绘图。可以看出，THz波可以容易地区分各种量的含水率。频率fo的THz波通过复介电常数
Figure BDA0002940520280000142
的介质的吸收系数可以由下式表示：
Figure BDA0002940520280000141
应当理解，与THz范围相比，在NIR范围内的吸收频谱表现出吸收波长的窄得多的频带，这要求发射器和接收器两者都具有高分辨率。这构成了THz成像的显著优势。
从图1至图11中示出的建议实施方式中，可以推断出所提出的装置不需要管道限制以测量流速，这是其他多相流量计使用例如文丘里管、孔板或V锥计量表的情况。因此，避免了与这些装置相关联的所有缺点(例如，显著的压降、要求预先知道流体的确切总密度以及对流体进行预处理以将其转换为涡流)。为了补偿可能影响超声波和THz波传播速度的温度变化，还应考虑在上图中未示出的精确温度传感器。
图10示出了基于块的运动估计算法的原理，该算法可以用于估计气泡的二维速度场。在两个连续的时隙中获取的两个连续的THz帧i-1和i存储在数据处理模块9(图1)的帧缓冲器中。帧中的每一个被划分为大小(M x N)像素的图像块。然后，在大小(O x P)块的搜索区域内将帧i-1中的这些块p中的每一个与帧i中相同大小的块进行比较。与块之间的最小距离对应的最佳匹配指示属于帧i-1的块p的气泡的二维速度。类似地，还可以通过首先分割THz图像以标识与帧i和i-1二者中的气泡对应的区域来执行基于区域的运动估计算法。接下来，搜索帧i-1中的每个区域，即帧i中的最佳相关区域。
可以通过使用两个或更多个THz相机而不是一个单个THz相机来获取流体的三维图像捕获，然后通过使用立体视觉或其他3D重建技术对流体剖面进行3D重建来进行。这在图11中示出。可以使用基于DSP处理器或FPGA的专用多处理硬件架构来实现实时性能。相同的布置也可以用于二维图像重建，该二维图像重建可能比使用一个单个相机的情况更准确。
图12示出了针对环形流(图12(a)和图12(b))和分层流(图12(c))的情况，在相机的给定行内的THz波吸收的理论曲线，由像素值Y表示。在图12(a)中，绘图31和32与具有不同GVF和相同含水率的两个不同的多相流对应，而绘图32和33与具有相同GVF但两个不同含水率的两个不同的多相流对应。可以观察到，在图像的给定行内，与管道的截面中间对应的像素将表现出最小吸收B、B’和B”(因为这与液层的最小厚度对应)，而在液-气交界面内，可以观察到最大吸收A、A’和A”。图12(b)与在探头的右内壁上形成堆积物41的情况对应。在这种情况下，THz相机的给定行处的像素值将遵循轮廓43，该像素值具有下式：
Y＝K.z＝K.(R2-X2)0.5 (式14)其中，K是取决于THz源的功率的常数，R是探头的半径以及Z是竖直坐标。如果给定行的一系列相邻像素X具有以上在式14中针对给定数量的帧而给出的像素值Y，则相应区可能由堆积物质组成。
可以通过沿着图12(b)所示框架的X轴提供THz相机和THz源来将相同的原理用于检测可能出现在管道的顶部或底部上的堆积物质。类似地，超声阵列成像系统可以使用具有不同常数K的式14来容易地检测堆积物的厚度，该常数K取决于超声波在介质上的速度。
图12(c)示出了分层流的情况，其中绘图38和39与具有不同GVF和相同含水率的两个不同的多相流对应，而绘图39和40与具有相同GVF但两个不同含水率的两个不同的多相流对应。使用一些公知的模式识别算法(例如图13中所示的神经网络算法)，可以确定多相流的GVF和含水率二者。
图14表示所建议装置的总体软件架构的可能实施方式。超声传感器用于确定气体速度和液体速度，而THz成像子系统允许确定液体/气体分数、含水率以及运动矢量场。

Claims (21)

1.一种成像系统，用于测量多相流的各个相的流速以及用于提供所述多相流的图像，
其中，所述成像系统还适用于测量管道的内壁上的沉积物的厚度。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述多相流至少包括气相和液相，并且其中，所述液相包括水和/或油。
3.根据前述权利要求中任一项所述的成像系统，还包括在线流量调节器。
4.根据前一权利要求所述的成像系统，其中，所述在线流量调节器产生环形流或分层流。
5.根据权利要求3或4所述的成像系统，其中，所述在线流量调节器是旋流分离器或旋风分离器。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的成像系统，其中，所述在线流量调节器位于所述成像系统的上游。
7.根据前述权利要求中任一项所述的成像系统，包括THz成像系统、超声阵列成像系统、电容层析成像系统、电阻层析成像系统和/或磁感应层析成像系统。
8.根据前述权利要求中任一项所述的成像系统，包括THz成像系统和超声阵列成像系统，其中，所述THz成像系统适用于测量气体空隙分数在预定义值以上的多相流，并且其中，所述超声阵列成像系统适用于测量气体空隙分数在所述预定义值以下的多相流。
9.根据前述权利要求中任一项所述的成像系统，还包括一个或更多个超声传感器对，所述一个或更多个超声传感器对在渡越时间模式和/或多普勒效应模式下操作，适用于测量所述多相流的流速，其中，所述一个或更多个超声传感器对适于被插入到所述多相流中。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的成像系统，其中，所述超声阵列成像系统被布置为圆形阵列。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的成像系统，其中，至少一个所述超声传感器对被布置成使得在操作中，超声波通过所述液体传播。
12.根据前述权利要求中任一项所述的成像系统，还包括适用于测量所述多相流的流速的一个或更多个压力传感器。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的成像系统，其中，所述THz成像系统包括THz源和THz相机，其捕获反映所述THz相机附近内的所述多相流的介电常数的THz图像。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其中，通过执行基于块的运动估计或基于区域的运动估计来处理所述THz图像，以提供所述多相流的图像、GVF、含水率、密度和/或液-气交界面的速度，所述液-气交界面的速度是气体速度和液体速度之间的平均值。
15.根据权利要求13或14所述的成像系统，其中，所述THz成像系统包括适用于执行所述多相流的三维重建和/或执行精确的二维图像重建的两个或更多个THz相机和/或两个或更多个THz源。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的成像系统，其中，至少一个所述THz相机包括一个或更多个像素。
17.根据权利要求7至16中任一项所述的成像系统，其中，所述超声阵列成像系统包括一个或更多个超声元件环，并且其中，所述超声阵列成像系统在渡越和/或反射模式下操作，适用于确定所述气相的厚度和含水率值以及使用层析成像技术执行图像重建。
18.一种根据权利要求1至17中任一项所述的成像系统的用途，用于测量多相流的流速以及用于使所述多相流的流可视化，和/或用于测量管道的内壁上的沉积物的厚度。
19.根据前一权利要求所述的用途，其中，所述多相流具有低的气体空隙分数和/或高的含水率。
20.一种用于使用根据权利要求1至17中任一项所述的成像系统来分析通过管道流动的多相流的方法，包括以下步骤：
-确定所述多相流的各个相的流速；
-获取所述多相流的所述流的二维或三维图像；以及
-优选地，测量沉积在所述管道的内壁处的结垢的厚度。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述多相流至少包括气相和液相，并且其中，所述液相包括水和/或油。
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