CN113504298B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种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，其特征在于，所采用的传感器包括超声透射传感器和多电极电导传感器两部分，包括如下步骤：对多电极电导传感器施加载波信号，采集反映管道内两相流持气率信息的输出电压信号；对多电极电导传感器进行标定；进行水平气液两相流实验测试，获得多电极电导传感器以及超声透射传感器的测量响应信号；基于多电极电导传感器信号实现层状流二维可视化、泰勒泡三维可视化；计算不同流型下的持气率。

Description

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
技术领域
本发明涉及一种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。
背景技术
水平气液两相流广泛存在于石油、化工等重要工业生产领域。水平气液两相流流型复杂多样，流型之间的相互转化受两相流量影响较为明显，即使在同种流型内部也存在着多尺度流体结构，如水平气液间歇流中液膜区存在大尺度的泰勒气泡，液塞区存在分布复杂的小尺度气泡。因此，实现水平气液两相流持气率多流型的准确测量存在极大挑战。
目前，电导式传感器在导电性存在明显差异的两相流流动参数测量中应用较为广泛。Fan等(IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2014，63(2)：456-466)为获得段塞流下的各相流速，设计了一对环形电导探针，并利用神经网络推演法从电信号中获得包括持气率在内的一系列流动参数，达到了平均误差控制在0.3％以内的目标。Ye等(IEEE Sensors Journal，2011，11：1704-1711)利用双螺旋电容传感器实现了垂直气液两相流持水率测量，并提出传感器电信号输出与持气率的线性模型。Vieira等人(Journal of Fluids Engineering，2014，136：121301-121316)采用了两个电导丝网传感器来测量气液分层流和环状流下管道截面内的持气率。通常情况下，丝网传感器可以提供有关管道内部相分布的重要信息，如界面结构、波动不稳定性和局部持气率数据。
超声传感技术具有精度高、响应快、无干扰等优点。因此，它可以应用在恶劣的环境中，在两相流的测量中得到了广泛的应用。Carvalho等人(Experimental Thermal andFluid Science，2009，33：1065-1086)设计了一种由一个发射器/接收器换能器和三个接收器组成的超声仪器，该仪器位于管道周长不同位置，研究了气泡流中声衰减与持气率之间的系统关联行为。尽管超声技术不断发展，但水平气液两相流的持气率测量仍然是一个具有挑战性的课题。超声在水平气液流动中的应用主要集中在流型识别和流动结构检测方面。例如，Liang等人(Measurement Science and Technology，2016，27：035304)通过追踪管道内壁反射的回声来识别水平气液流流型。
常见的气液两相流流型，一般可分为层状流和间歇流。层状流是气相和液相皆为连续相，分别从管道的上方和下方流过。而间歇流中，气体的主要存在形式有两种：分散的小尺度气泡和尺寸较大形如子弹的泰勒泡。由于电学传感器一般对大尺度的气泡有着较高的测量精度，而不适用于分散的小气泡，此时，需要加入超声透射传感器，其敏感于液塞区中分散的小气泡，可用于液塞区的持气率测量。
由于现有声学及电学传感器的针对性较强，一般仅适用于某种特定的流型。本发明专利提出一种新型的声电组合传感器持气率测量方法，充分利用声学和电学传感器的各自优势，降低传感器响应对水平气液两相流流型的依赖性，并提高其对气液两相流持气率的测量精度。
发明内容
本发明专利提出一种气液两相流超声透射传感器与多电极电导传感器组合测量持气率方法。设计了多电极电导传感器与超声透射传感器组合测量系统，利用多电极电导传感器探测大尺度气液两相流结构，实现分层光滑流、分层波状流以及间歇流液膜区的持气率测量。基于超声透射传感器的幅值衰减特性，建立基于超声波衰减特性的间歇流的液塞区持气率测量模型。最终得到声电组合传感器对不同气液两相流流型持气率测量结果。技术方案如下：
一种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，其特征在于，所采用的传感器包括超声透射传感器和多电极电导传感器两部分，超声透射传感器包括超声换能器发射端和接收端，设置在管道的垂直方向，以确保测量区域与多电极电导传感器的激励电极相同；多电极电导传感器包括激励电极(E)和多个测量电极组成，测量电极分布在与激励电极等距的圆周上。包括如下步骤：
(1)对多电极电导传感器施加载波信号，采集反映管道内两相流持气率信息的输出电压信号Vi；
(2)对多电极电导传感器进行标定，具体过程如下：
在水平管道内注水，构成气液分层分布，水层高度用hw表示，获得各个测量电极对应的输出电压信号Vi，对多电极电导传感器测量电极i的输出电压信号进行归一化处理，得到归一电导Gi，绘制多电极电导传感器归一化电导Gi与水层高度hw的关系图，拟合得到水层高度hw，i的表达式，表示为：hw，i＝fi(Gi)；
在垂直管道中心分多次放入粗细不同的圆柱体，在圆柱体和管道之间形成环形空间，向环形空间内注水，形成不同厚度的环状液膜结构，液膜厚度用hf表示，获得各个测量电极对应的输出电压信号Vi，并进行归一化处理，得到各个测量电极的归一化电导Gi，计算归一化电导Gi的平均值，表示为G*；绘制多电极电导传感器归一化电导的平均值G*与液膜厚度hf的关系，并拟合得到液膜厚度的表达式，表示为hf＝f9(G*)；
(3)进行水平气液两相流实验测试，获得多电极电导传感器以及超声透射传感器的测量响应信号；
(4)基于多电极电导传感器信号实现层状流二维可视化、泰勒泡三维可视化：
1)对多电极电导传感器各个测量电极采集的输出电压信号Vi，进行归一化处理，得到各个测量电极的归一化电导Gi；
2)采集超声透射传感器输出电压信号Vu，按下式对超声透射传感器脉冲幅值序列进行归一化：
其中U0为全水时超声透射传感器脉冲幅值，U为有气泡存在时的超声透射传感器脉冲幅值；
3)对水平气液两相流流型进行识别，判定流型是否为间歇流型，设Umax为UN的最大值，Gr为第一测量电极归一化电导G1的极差，根据Umax和Gr的取值范围判定气液两相流为分层流或间歇流；
4)对于分层流，将第一测量电极归一化电导G1带入标定实验拟合曲线f1，计算水层高度hw，l，判断hw，l是否在第一测量电极的高灵敏度测量区间，如果是则hw，l为水层高度hw；反之，考察hw，l属于其他哪个测量电极的高灵敏度测量区间，将相应测量电极的归一化电导带入拟合曲线，获得最终的水层高度值hw；根据水层高度值hw实现层状流的二维可视化成像；其中，所述的高灵敏度测量区间的判定取决于各测量电极拟合曲线fi的拐点位置，从拐点起拟合曲线斜率较低的一侧为高灵敏度测量区间；
5)对于间歇流型，首先识别泰勒泡出现的时刻；然后根据各个测量电极的归一化电导Gi，计算归一化电导Gi的平均值，将此平均值带入标定实验拟合曲线f9，获得泰勒泡周围的局部液膜厚度hf，i；对各个测量电极处的液膜厚度进行径向插值，得到径向截面气液分布轮廓图；选取某时间内完整泰勒泡的二维轮廓图进行纵向插值，得到泰勒泡的三维图像；
(6)按如下流程计算不同流型下的持气率：
1)当流型为分层光滑流和分层波状流时，利用分层流二维可视化结果计算水相和气相在管截面占据的面积Sg和Sl，从而获得管道截面持气率：
其中和/>分别表示分层光滑流和分层波状流的持气率，SD为管截面的总面积，D为管道内径；
2)当流型为间歇流时，根据间歇流泰勒泡的三维可视化结果，计算泰勒泡和液膜分别在管截面占有的面积，从而获得液膜区的平均持气率基于超声衰减特性计算水平气液间歇流的液塞区持气率/>
上式中k为利用实验数据线性回归得到的拟合曲线斜率，综合考虑液膜区与液塞区各自所占的比例，计算间歇流的持气率
其中p和q分别为液膜区和液塞区在一个段塞单元中所占的比例，p+q＝1。
优选地，所述的圆柱体为有机玻璃棒。
优选地，步骤(4)的子步骤3)中，当Umax小于0.01V且Gr小于0.05时，认定流型为分层流；反之，则认定为间歇流型。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)针对水平气液两相流的流型，本发明提出一种新型的超声电导组合传感器；充分利用电学传感器敏感于管壁附近的大尺度流体结构，而超声透射传感器对管道内部小尺度气泡有较好的分辨能力；
(2)基于多电极电导传感器的测量响应，本发明提出分层光滑流和分层波状流的二维可视化算法以及间歇流中泰勒泡的三维可视化算法，可有效观察到气液两相流的大尺度结构；
(3)本发明中提出了一种针对水平气液两相流的多流型测量方法，包括基于水层高度的分层流持气率测量、基于液膜厚度的间歇流液膜区持气率测量、基于超声波幅值衰减特性的间歇流液塞区持气率测量；最终可实现水平气液两相流不同流型下的持气率准确测量。
附图说明
图1水平气液两相流传感系统示意图
图2声电组合传感器结构示意图
图3多电极电导传感器标定示意图：(a)气液层状分布；(b)环状液膜结构
图4多电极电导传感器标定结果：(a)气液层状分布；(b)环状液膜结构
图5动态水平气液两相流实验示意图
图6水平气液两相流流型结构示意图
图7多电极电导传感器归一化信号：(a)不同流型下电极M1信号；(b)低充气段塞流信号；(c)高充气段塞流信号
图8实验获取的超声响应序列：(a)原始信号；(b)脉冲幅值序列
图9基于多电极电导传感器信号实现层状流二维可视化、泰勒泡三维可视化流程示意图
图10气液两相流流型判定流程示意图
图11分层流二维可视化结果图
图12间歇流泰勒泡的三维可视化结果图
图13计算不同流型持气率的流程图
图14间歇流液塞区中超声衰减与持气率的关系
图15声电组合传感器与丝网传感器层状流持气率测量结果对比
图16声电组合传感器与丝网传感器段塞流持气率测量结果对比
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明包括：
(1)设计如图1所示的声电组合传感系统，该系统包括超声透射传感器(TUS)、多电极电导传感器(MCS)以及测量电路。
图2为声电组合传感器的结构示意图。该传感器由超声透射传感器和多电极电导传感器两部分组成。超声透射传感器由超声换能器发射端和接收端组成，中心频率为2.25MHz，安装在管道的垂直方向，以确保测量区域与多电极电导传感器的激励电极相同。超声换能器的直径DUT为8mm，晶体元件的直径为6mm。底部的超声波换能器作为发射端，顶部的作为接收端。从接收到的超声脉冲的衰减程度可以得出连续水相中小尺度分散气泡的浓度。超声透射传感器输出电压信号Vu，通过采集系统记录在上位机。
多电极电导传感器由激励电极(E)与测量电极(M1至M8)组成，同侧的测量电极在与激励电极等距的圆周上对称均匀分布。多电极电导传感器的激励电极施加频率为20kHz，峰峰值为4V的正弦电压信号，该正弦激励信号由振荡器CG402R2产生。十六个测量电极分别通过参考电阻Rref与地相连。施加在激励电极上的正弦电压信号作为载波信号，当气液两相流经过多电极电导传感器时，该正弦电压信号被流体信息所调制，因此，参考电阻两端电压可以反映管道内两相流持气率信息。采用AD620对参考电阻两端电压进行差分放大。电压信号放大后，由芯片AD637获取参考电阻两端电压的真有效值信号(直流信号)，V1，V2，...，V8，该真有效值信号被数据采集系统(NI USB6363)获取并传至上位机。
(2)对多电极电导传感器进行标定，具体过程如下：
在水平管道内注入自来水，构成气液分层分布，如图3(a)所示，水层高度用hw表示。获得测量电极M1-M8对应的输出电压信号V1，V2，...，V8，对多电极电导传感器输出电压信号进行归一化处理：
其中Vi，为i个测量电极输出的电压信号，Vi，w为第i个测量电极全水条件下的电压信号。
在垂直管道中心放置粗细不同的有机玻璃棒，有机玻璃棒和管道之间形成环形空间，向环形空间内注入自来水，形成不同厚度的环状液膜结构，如图3(b)所示，液膜厚度用hf表示。此时，获得测量电极M1-M8对应的输出电压信号V1，V2，...，V8，并按公式(1)进行归一化处理，得到归一化电导G1，G2，...，G8。计算归一化电导的平均值，可表示为G*。
绘制多电极电导传感器归一化电导Gi与水层高度hw的关系，并拟合得到水层高度hw，i的表达式，可表示为：hw，i＝fi(Gi)，i＝1，2，...，8。绘制多电极电导传感器归一化电导的平均值G*与液膜厚度hf的关系，并拟合得到液膜厚度的表达式，可表示为hf＝f9(G*)。
(3)进行水平气液两相流实验测试，获得多电极电导传感器以及超声透射传感器的测量响应信号。
水平气液两相流实验测试管道如图5所示，测试管道安装高速摄像仪、声电组合传感器、电导式丝网传感器。实验中利用高速摄像机记录流体图像，判断流型结构。实验中观察到的流型包括分层光滑流(ST flow)，分层波状流(SW flow)，弹状流(plug flow)，段塞流(slug flow)，如图6所示。段塞流可分为低充气段塞流、高充气段塞流以及伪段塞流。分层光滑流和分层波状流统称为分层流，弹状流和段塞流统称为间歇流。间歇流中每个段塞单元由液膜区和液塞区构成，液膜区包括管道上部的泰勒泡和下部的水膜，液塞区包括连续的水相以及分散的小气泡(即液塞区的充气现象)。
不同流型下多电极电导传感器归一化电导信号如图7所示，其中Usg和Usw分别表示气相和水相的表观速度，即气相体积流量和水相体积流量与管道横截面积之比。对于分层光滑流，测量管段内气液两相界面光滑，电极M1淹没在水中，响应信号曲线幅值不随时间变化，如图7(a)所示；对于分层波状流，电极M1响应曲线随时间出现小幅规律的波动；对于间歇流，液塞区和液膜区的交替运动导致响应曲线幅值出现剧烈波动，曲线幅值较高处与液塞区对应。如图7(b)和图7(c)所示，对于低充气和高充气段塞流，多电极电导传感器不同测量电极的输出信号表现出拟周期结构；但是当充气程度较高时，信号波动规律异常复杂。
超声透射传感器接收到的超声脉冲响应信号如图8(a)所示。如果管道中充满水，接收到的脉冲幅值会因为低衰减而比较高。随着液塞中充气程度增加，接收到的脉冲幅值变低。对于层状流，由于超声在气液界面处的全反射，接收到的信号主要为基噪。将脉冲信号的幅值进行提取，以得到的脉冲幅值序列U，如图8(b)所示。
(4)基于多电极电导传感器信号实现层状流二维可视化、泰勒泡三维可视化，具体步骤如图9所示：
1.输入多电极电导传感器测量信号以及超声透射传感器测量信号。按公式(1)对多电极电导传感器进行归一化；按公式(2)对超声透射传感器脉冲幅值序列U进行归一化：
其中U0为全水时超声透射传感器脉冲幅值，U为有气泡存在时的超声透射传感器脉冲幅值。然后，对水平气液两相流流型进行识别，判定流型是否为间歇流型，具体判定流程如图10所示。图中Umax为UN的最大值，Gr为归一化电导G1的极差，即Gr＝Max(G1)-Min(G1)。根据Umax和Gr的取值范围可判定气液两相流为分层流或间歇流。
2.对于分层流，将归一化电导G1带入标定实验拟合曲线f1，计算水层高度hw，l；判断hw，l是否在测量电极M1的高灵敏度测量区间，如果是则hw，l为水层高度，反之，根据hw，l的大小选择最优的测量电极拟合曲线(在f2-f8中选择)，获得最终的水层高度值hw。根据水层高度值可实现层状流的二维可视化成像，如图11所示。
3.对于间歇流型，首先识别泰勒泡出现的时刻；然后将8个归一化电导带入标定实验拟合曲线f9，获得泰勒泡周围的局部液膜厚度hf，i；对各个测量电极处的液膜厚度进行径向插值，可得到径向截面气液分布轮廓图；选取某时间内完整泰勒泡的二维轮廓图进行纵向插值，可得到泰勒泡的三维图像，如图12所示。
(5)不同流型下持气率的计算流程如图13所示：
1.当流型为分层光滑流和分层波状流时，利用分层流二维可视化结果(见图11)，计算水相和气相在管截面占据的面积Sg和Sl，从而获得管道截面持气率：
其中和/>分别表示分层光滑流和分层波状流的持气率，SD为管截面的总面积，D为管道内径。
2.当流型为间歇流时，为得到段塞流中一个完整段塞单元的平均持气率，可利用多电极电导传感器计算液膜区的平均持气率超声传感器计算液塞区平均持气率然后，结合液膜区与液塞区各自所占的比例，最终求得段塞流的持气率。
根据间歇流泰勒泡的三维可视化结果(见图12)，计算泰勒泡和液膜分别在管截面占有的面积，从而获得液膜区的平均持气率
识别脉冲幅值序列的液塞区。超声脉冲信号幅值与持气率的关系可表示为：
其中n＝2π/λ为超声波的波数，θ为散射系数，LU为超声波传播距离。丝网传感器测得的间歇流液塞区持气率与超声幅值衰减-ln(U/U0)之间的关系如图14所示，拟合图中数据可得到基于超声衰减特性的水平气液间歇流的液塞区持气率测量模型，可表示为：
综合考虑液膜区与液塞区各自所占的比例，可计算段塞流的持气率：
其中p和q分别为液膜区和液塞区在一个段塞单元中所占的比例。
实验验证与结果：
(1)按图1和图2设计声电组合传感器系统，包括一个超声透射传感器和一个多电极电导传感器。多电极电导传感系统输出电压信号V1，V2，...，V8，超声透射传感系统输出电压信号Vu。
(2)按图3通过构建气液层状分布及环状液膜结构，对多电极电导传感器进行标定。对多电极电导传感器输出电压信号进行归一化，建立归一化电导与水层高度及液膜厚度的关系，从而获得标定曲线f1-f9。
(3)按图5建立水平气液两相流实验装置，将声电组合传感器和丝网传感器安装在内径为20mm的管道上。声电组合传感器安装在距离入口3300mm处，以确保流型得到充分发展。在测试段的末端安装电导式丝网传感器，以提供准确的持气率。进行水平气液两相流实验。实验中气相表观流速Usg范围为0.055-3.981m/s，液相表观流速Usw的范围为0.037-1.179m/s，具体实验工况见表1。实验过程中，采取固定气相表观流速，逐渐增大液相表观流速的方案，实验包含180组工况。利用数据采集卡记录多电极电导传感器的输出电压信号V1，V2，...，V8；同时，记录超声透射传感器的输出电压信号Vu。
表1水平气液两相流实验时工况表(单位m/s)
(4)提取超声透射传感器脉冲幅值序列U，进行归一化处理。按图10对气液两相流流型进行辨识，判定流型为分层流或间歇流。对于分层流，按图9所示流程，利用标定曲线f1-f8计算分层流的水层高度值hw，根据水层高度值实现层状流的二维可视化成像。对于间歇流，按图9所示流程，将8个归一化电导带入标定实验拟合曲线f9，获得泰勒泡周围的局部液膜厚度hf，i，实现泰勒泡的三维可视化成像。
(5)对于分层流，将得到水层高度值hw带入按公式(3)，获得分层光滑流和分层波状流的持气率和/>
(6)对于间歇流型，首先，根据间歇流泰勒泡的三维可视化结果，计算泰勒泡和液膜分别在管截面占有的面积，从而获得液膜区的平均持气率然后，识别脉冲幅值序列中的液塞区，将超声信号归一化值带入公式(5)，获得水平气液间歇流的液塞区持气率
综合考虑液膜区与液塞区各自所占的比例p和q，将和/>带入公式(6)，获得间歇流型的持气率/>
将声电组合传感器测量的持气率与丝网传感器测量结果进行对比分析，并引入绝对平均偏差(AARD)和绝对平均偏差(AAD)作为对比评价标准，计算公式如下：
其中表示声电组合传感器计算得到的持气率，/>表示Wire-Mesh传感器计算得到的持气率，N表示实验工况编号。
图15为声电组合传感器对气液两相流中持气率测量结果。误差统计结果表明，对于层状流，多电极电导传感器测量持气率的绝对平均相对偏差为3.35％，绝对平均偏差为0.0177。可见，本文优化设计的多电极电导传感器对水平气液分层流持气率有较高的测量精度。
图16为声电组合传感器对气液两相流间歇流的持气率测量结果。经计算发现，声电组合传感器对段塞流持气率的绝对平均相对偏差为2.57％，绝对平均偏差为0.012，表明本文设计的声电组合传感器对气液间歇流持气率有较高的测量精度。

Claims (3)

1.一种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，其特征在于，所采用的传感器包括超声透射传感器和多电极电导传感器两部分，超声透射传感器包括超声换能器发射端和接收端，设置在管道的垂直方向，以确保测量区域与多电极电导传感器的激励电极相同；多电极电导传感器包括激励电极（E）和多个测量电极组成，测量电极均匀地分布在激励电极一侧的同一个圆周上，并且与激励电极的距离相同；包括如下步骤：
（1）对多电极电导传感器施加载波信号，采集反映管道内两相流持气率信息的输出电压信号V i ；
（2）对多电极电导传感器进行标定，具体过程如下：
在水平管道内注水，构成气液分层分布，水层高度用h w表示，获得各个测量电极对应的输出电压信号V i ，对多电极电导传感器测量电极i的输出电压信号进行归一化处理，得到归一化电导G i ，绘制多电极电导传感器归一化电导G i 与水层高度h w的关系图，拟合得到水层高度h w,i 的表达式，表示为：h w,i =f i (G i )；
在垂直管道中心分多次放入粗细不同的圆柱体，在圆柱体和管道之间形成环形空间，向环形空间内注水，形成不同厚度的环状液膜结构，液膜厚度用h f表示，获得各个测量电极对应的输出电压信号V i ，并进行归一化处理，得到各个测量电极的归一化电导G i ，计算归一化电导G i 的平均值，表示为G*；绘制多电极电导传感器归一化电导的平均值G*与液膜厚度h f的关系，并拟合得到液膜厚度的表达式，表示为h f= f 9(G*)；
（3）进行水平气液两相流实验测试，获得多电极电导传感器以及超声透射传感器的测量响应信号；
（4）基于多电极电导传感器信号实现层状流二维可视化、泰勒泡三维可视化：
1）对多电极电导传感器各个测量电极采集的输出电压信号V i ，进行归一化处理，得到各个测量电极的归一化电导G i ；
2）采集超声透射传感器输出电压信号V u，按下式对超声透射传感器脉冲幅值序列进行归一化：
其中U 0为全水时超声透射传感器脉冲幅值，U为有气泡存在时的超声透射传感器脉冲幅值；
3）对水平气液两相流流型进行识别，判定流型是否为间歇流型，设 U max为的最大值，G r为第一测量电极归一化电导G 1的极差，根据/>和G r的取值范围判定气液两相流为分层流或间歇流；
4） 对于分层流，将第一测量电极归一化电导G 1带入标定实验拟合曲线f 1，计算水层高度h w,1，判断h w,1是否在第一测量电极的高灵敏度测量区间，如果是则h w,1为水层高度h w；反之，考察h w,1属于其他哪个测量电极的高灵敏度测量区间，将相应测量电极的归一化电导带入拟合曲线，获得最终的水层高度值h w；根据水层高度值h w实现层状流的二维可视化成像；其中，所述的高灵敏度测量区间的判定取决于各测量电极拟合曲线f i 的拐点位置，从拐点起拟合曲线斜率较低的一侧为高灵敏度测量区间；
5） 对于间歇流型，首先识别泰勒泡出现的时刻；然后根据各个测量电极的归一化电导G i ，计算归一化电导G i 的平均值，将此平均值带入标定实验拟合曲线f 9，获得泰勒泡周围的局部液膜厚度h f,i ；对各个测量电极处的液膜厚度进行径向插值，得到径向截面气液分布轮廓图；选取某时间内完整泰勒泡的二维轮廓图进行纵向插值，得到泰勒泡的三维图像；
（6）按如下流程计算不同流型下的持气率：
1） 当流型为分层流时，分层流又被分为分层光滑流和分层波状流，利用分层流二维可视化结果计算水相和气相在管截面占据的面积S g和S l，从而获得管道截面持气率：
其中/>和/>分别表示分层光滑流和分层波状流的持气率，S D为管截面的总面积，D为管道内径；
2） 当流型为间歇流时，根据间歇流泰勒泡的三维可视化结果，计算泰勒泡和液膜分别在管截面占有的面积，从而获得液膜区的平均持气率；基于超声衰减特性计算水平气液间歇流的液塞区持气率/>：
上式中k为利用实验数据线性回归得到的拟合曲线斜率，综合考虑液膜区与液塞区各自所占的比例，计算间歇流的持气率/>：
其中p和q分别为液膜区和液塞区在一个段塞单元中所占的比例，p+q=1。
2.根据权利要求1所述的持气率组合测量方法，其特征在于，所述的圆柱体为有机玻璃棒。
3.根据权利要求1所述的持气率组合测量方法，其特征在于，步骤（4）的子步骤3）中，当小于0.01V且G r小于0.05时，认定流型为分层流；反之，则认定为间歇流型。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104101687A (zh) * 2014-07-10 2014-10-15 天津大学 基于超声多普勒与电学多传感器的多相流可视化测试方法
CN104155471A (zh) * 2014-07-10 2014-11-19 天津大学 基于超声与电学多传感器互相关测速的多相流测试方法
CN105275450A (zh) * 2015-11-19 2016-01-27 天津大学 油气水三相流流动参数声电传感器组合测量方法
CN111946324A (zh) * 2020-08-21 2020-11-17 燕山大学 一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪
CN112129363A (zh) * 2020-10-30 2020-12-25 西安安森智能仪器股份有限公司 基于电容传感器的气液两相流测量装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2191243A2 (en) * 2007-09-18 2010-06-02 Schlumberger Technology B.V. Multiphase flow measurement

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104101687A (zh) * 2014-07-10 2014-10-15 天津大学 基于超声多普勒与电学多传感器的多相流可视化测试方法
CN104155471A (zh) * 2014-07-10 2014-11-19 天津大学 基于超声与电学多传感器互相关测速的多相流测试方法
CN105275450A (zh) * 2015-11-19 2016-01-27 天津大学 油气水三相流流动参数声电传感器组合测量方法
CN111946324A (zh) * 2020-08-21 2020-11-17 燕山大学 一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪
CN112129363A (zh) * 2020-10-30 2020-12-25 西安安森智能仪器股份有限公司 基于电容传感器的气液两相流测量装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
油-气-水三相流超声传感器持气率测量;金宁德 等;应用声学(第01期);40-48 *

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