CN114858707B - 插入式组合光纤阵列传感器及气液两相流参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种插入式组合光纤阵列传感器，其包括外壳、绝缘杆、上游固定支架、下游固定支架、光纤探针阵列模块、近红外吸收式多探测点光纤测量模块和电路控制系统终端，所述光纤探针阵列模块固定在所述绝缘杆的上游，所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块固定在所述绝缘杆的下游，并基于此提出一种气液两相流参数测量方法，所述气液两相流参数包括持气率和气相分布。本发明解决了现有垂直上升管内气液两相流持气率及气相分布特性测量困难、测量误差较大的问题，结构精巧、造价低、无可动部件和可靠性高，实用性好。
Description
技术领域
本发明属于剖面测井技术，具体涉及一种插入式组合光纤阵列传感器及气液两相流参数测量方法。
背景技术
气液两相流广泛存在于石油开采、动力工程和环境能源等诸多领域。由于其相间存在界面效应与相对速度，两相介质的分布状态呈现复杂的拟随机变化特征，导致两相流过程参数的检测难度很大。因此，实现两相流过程参数的快速、准确检测，是两相流研究及工程中首先需要解决的问题。
高速摄像法和探针法作为传统的局部气液两相流持气率测量途径受到广泛应用。由于管道内多相流结构在空间上的相互重叠，采用高速摄像法测量持气率参数具有一定的局限性；电探针法虽是获取局部持气率的可行方法，但由于电探针容易产生电极化现象，使得电探针法测量局部持气率的成功率有局限性。此外，光纤探针技术因其只对气相敏感的特性，被广泛应用于气液两相流持气率监测中，但由于气液两相流气相流动结构多呈非均匀分布，仅仅依靠中心局部持气率测量无法重建管截面持气率分布特性，而采用阵列光纤探针成像技术则存在其余空白区域探测点信息难以获取的问题，采用插值预测方法误差性又太大，无法较为准确地获取截面气相分布。
近红外技术因其对不同含氢基团具有不同的特征吸收谱带使得该技术开始被引入气液两相流、液液两相流等检测领域。相比于电导法、电容法、伽马射线法、微波法和超声法等方法，近红外吸收法具有穿透性强、传输距离远、高效环保、高分辨率、检测过程无损无污染和快速响应等优势特点，但其仅对固定径向区域的持气率信息进行测定且无法获取截面持气率分布特性。
因此，为满足气液两相流实际生产需要，设计一种针对垂直上升管的插入式组合光纤阵列传感器及气液两相流参数测量方法是必要且又相当迫切的。
发明内容
针对以上情况，本发明提供一种插入式组合光纤阵列传感器，其包括外壳、绝缘杆、上游固定支架、下游固定支架、光纤探针阵列模块、近红外吸收式多探测点光纤测量模块和电路控制系统终端，所述光纤探针阵列模块固定在所述绝缘杆的上游，所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块固定在所述绝缘杆的下游，并基于此提出一种气液两相流参数测量方法，所述气液两相流参数包括持气率和气相分布。本发明解决了现有垂直上升管内气液两相流持气率及气相分布特性测量困难、测量误差较大的问题，结构精巧、造价低、无可动部件和可靠性高，实用性好。
本发明提供一种插入式组合光纤阵列传感器，其包括外壳、绝缘杆、上游固定支架、下游固定支架、光纤探针阵列模块、近红外吸收式多探测点光纤测量模块和电路控制系统终端，所述绝缘杆上部固定有所述上游固定支架，下部固定有所述下游固定支架，所述上游固定支架和下游固定支架外侧支撑固定有所述外壳，所述光纤探针阵列模块固定在所述绝缘杆的上游且位于所述上游固定支架的下游，所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块固定在所述绝缘杆的下游且位于所述下游固定支架的上游，所述光纤探针阵列模块设有若干光纤探针，所述光纤探针布置在所述绝缘杆与所述外壳之间的环形区域内，且其末端测量点均位于同一轴截面；所述绝缘杆与外壳之间的该轴截面环形区域划分为n(n≥1,n∈N*)层环状空间，并以截面圆心为基点划分为m(m≥1,m∈N*)个等面积的扇形区域，所述扇形区域的圆心角均为360/m，所述光纤探针均位于所述扇形区域的分隔线上，所述扇形区域的分隔线上所述光纤探针的数量相等且均为n个，其上每层所述环形空间仅放置一根所述光纤探针，所述光纤探针总数为m×n；
所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块设有若干近红外吸收式光纤传感器，所述近红外吸收式光纤传感器分布在所述绝缘杆与外壳上且均匀分布在同一轴向截面上；所述近红外吸收式光纤传感器包括近红外发射装置和近红外接收装置，所述近红外发射装置和近红外接收装置分别与所述绝缘杆或外壳通过螺纹密封连接，相邻所述近红外吸收式光纤传感器的所述近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置在所述绝缘杆或外壳间进行对调；
所述电路控制系统终端包括多路程控开关、光纤探针阵列模块电路、近红外吸收式多探测点光纤测量模块电路、定时器模块、可视化模块、电源模块、存储模块和主控制器模块，所述光纤探针阵列模块电路包括探针发射模块、探针接收模块、探针AD数据采集模块和探针信号处理模块；所述探针发射模块包括驱动电路、红外光源和传输光纤，所述驱动电路为所述红外光源提供驱动电能并使其发光，所述传输光纤传输出射光；所述探针光接收模块包括出射光纤和光电转化电路，所述出射光纤传输经所述光纤探针返回的光线；所述探针AD数据采集模块采集探针数据；所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块电路包括吸收式光纤光发射模块、吸收式光纤光接收模块、吸收式光纤AD数据采集模块和吸收式光纤信号处理模块，所述吸收式光纤光发射模块驱动电能转化为出射光线，所述吸收式光纤光接收模块为探测器将返回光能转化为反映持气率信息的电压信号，所述吸收式光纤AD数据采集模块采集近红外吸收式光纤传感器数据；所述吸收式光纤光发射模块包括驱动电路和近红外光源，所述吸收式光纤光接收模块包括近红外接收探头和光电转化电路；所述探针信号处理模块和吸收式光纤信号处理模块均包括差分及功率放大电路和模数转化电路，并输出反映持气率信息的电压信号。
可优选的，所述多路程控开关分别连接光纤探针阵列模块和近红外吸收式多探测点光纤测量模块，所述定时器模块进行智能调控，所述可视化模块提供可视化操作终端，所述电源模块进行供电，所述存储模块对输出电压信号进行本地存储，所述主控制器模块进行数据采集和数据处理，并依据所述光纤探针阵列模块、近红外吸收式多探测点光纤测量模块获取的电压信号进一步获取截面持气率信息及截面气相分布信息。
可优选的，所述近红外吸收式光纤传感器设有m组，每组设有1个所述近红外发射装置和1个所述近红外接收装置且均位于所述扇形区域的分隔线上。
可优选的，所述上游固定支架和下游固定支架空间垂直布置支撑所述外壳；所述光纤探针起于所述绝缘杆上游的一点并发散至所述绝缘杆下游的某一轴截面上；所述近红外发射装置和近红外接收装置连线的延长线均过轴截面圆心，且总体呈“*”字形且沿周向交错方式排布。
可优选的，所述近红外发射装置在光源前方加载透镜进行聚光，所述近红外接收装置接收端适当外扩以更好接收光线。
本发明的另一方面，提供一种利用前述的插入式组合光纤阵列传感器的测量方法，所述气液两相流参数包括持气率和气相分布，其包括以下步骤：
S1、采集光纤探针阵列模块、近红外吸收式多探测点光纤测量模块的响应数据；
S2、基于所有光纤探针数据进行阈值处理得到二元符号化时间序列，即0、1时间序列，计算高电平时间占比，即为所有测量点处持气率信息；
S3、基于近红外吸收式光纤传感器光强信号并结合气相浓度测量模型，进行扇形分隔线区域处含气率测量；
S4、将轴向截面光纤探针测量点进行插值，增加至2m×n个，插值增加的测量点设为插值点，插值点信息依据扇形区域的分隔线区域含气率及径向探针测量点信息，借助插值点数据估计规则进行估计，并根据插值点更正规则进行插值点信息更正，确定最终插值点信息；
S5、对光纤探测点进行插值成像，光纤测量点包括插值点和实际测量点；
S6、对成像的气相分布图进行区域识别，进一步获取截面持气率信息。
进一步，所述步骤S4中的所述插值点数据估计规则为依据靠近插值点距离最近的实际测量点，借助多近邻插值规则获取插值点的电压信号Zi：
Zi＝α1Z1+α2Z2+α3Z3+α4Z4 (1)
其中，Z1,Z2,Z3,Z4分别表示实际测量点的电压信号，空白区域取0；α1,α2,α3,α4分别表示对应于Z1,Z2,Z3,Z4的权重系数且均为常实数；
所述插值点更正规则为已知任意一条扇形分隔线区域处的含气率参数为g1，扇形分隔线上测量点相态状态分别为n1、n2、…、nn，则插值点信息满足：
进一步，所述步骤S1中光纤探针阵列模块的响应信号由流体介质确定，若光纤探针检测到气相介质，则输出高电平电压信号；若光纤探针检测到液相介质，则输出低电平电压信号。
本发明的特点和有益效果是：
1、本发明提供的插入式组合光纤阵列传感器，借助了光纤探针阵列模块和近红外吸收式多探测点光纤测量模块，结构精巧、造价低、无可动部件和可靠性高，可在气液两相流测量领域广泛推广。
2、本发明提供的插入式组合光纤阵列传感器的测量方法，解决了现有垂直上升管内气液两相流持气率及气相分布特性测量困难、测量误差较大的问题，能够快速、准确地获取，实用性好。
附图说明
图1为本发明插入式组合光纤阵列传感器结构示意图；
图2是本发明插入式组合光纤阵列传感器轴截面结构示意图；
图3是本发明插入式组合光纤阵列传感器电路系统终端示意图；
图4是本发明插入式组合光纤阵列传感器的测量方法流程图。
图中：
1-外壳；2-上游固定支架；3-光纤探针阵列模块；4-绝缘杆；5-近红外吸收式多探测点光纤测量模块；6-下游固定支架。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
本发明提供的插入式组合光纤阵列传感器，如图1～图3所示，其包括外壳1、绝缘杆4、上游固定支架2、下游固定支架6、光纤探针阵列模块3、近红外吸收式多探测点光纤测量模块5和电路控制系统终端，绝缘杆上部固定有上游固定支架2，下部固定有下游固定支架6，上游固定支架2和下游固定支架6空间垂直布置且外侧支撑固定有外壳1，光纤探针阵列模块3固定在绝缘杆4的上游且位于上游固定支架2的下游，近红外吸收式多探测点光纤测量模块5固定在绝缘杆4的下游且位于下游固定支架6的上游。
光纤探针阵列模块3设有若干光纤探针，光纤探针布置在绝缘杆4与外壳1之间的环形区域内，且起于绝缘杆4上游的一点并发散至绝缘杆4下游的某一轴截面上，其末端测量点均位于同一轴截面；绝缘杆4与外壳1之间的该轴截面环形区域划分为n(n≥1,n∈N*)层环状空间，并以截面圆心为基点划分为m(m≥1,m∈N*)个等面积的扇形区域，扇形区域的圆心角均为360°/m，光纤探针均位于扇形区域的分隔线上，扇形区域的分隔线上光纤探针的数量相等且均为n个，其上每层环形空间仅放置一根光纤探针，光纤探针总数为m×n。在一个具体实施例中，n＝5，m＝8，此时扇形区域的圆心角均为45°，S发射，R接收
近红外吸收式多探测点光纤测量模块5设有m组近红外吸收式光纤传感器，近红外吸收式光纤传感器分布在绝缘杆4与外壳1上且均匀分布在同一轴向截面上；每组近红外吸收式光纤传感器设有1个近红外发射装置和1个近红外接收装置且均位于扇形区域的分隔线上，近红外发射装置和近红外接收装置分别与绝缘杆4或外壳1通过螺纹密封连接，相邻近红外吸收式光纤传感器的近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置在绝缘杆4或外壳1间进行对调，近红外发射装置和近红外接收装置连线的延长线均过轴截面圆心，且总体呈“*”字形且沿周向交错方式排布。近红外发射装置在光源前方加载透镜进行聚光，近红外接收装置接收端适当外扩以更好接收光线。在一个具体实施例中，如图2所示，外层设有4个近红外发射装置(S1、S2、S3和S4)和4个近红外接收装置(R1、R2、R3和R4)交错布置。
电路控制系统终端包括多路程控开关、光纤探针阵列模块电路、近红外吸收式多探测点光纤测量模块电路、定时器模块、可视化模块、电源模块、存储模块和主控制器模块。
光纤探针阵列模块电路包括探针发射模块、探针接收模块、探针AD数据采集模块和探针信号处理模块；探针发射模块包括驱动电路、红外光源和传输光纤，驱动电路为红外光源提供驱动电能并使其发光，传输光纤传输出射光；探针光接收模块包括出射光纤和光电转化电路，出射光纤传输经光纤探针返回的光线；探针AD数据采集模块采集探针数据。
近红外吸收式多探测点光纤测量模块电路包括吸收式光纤光发射模块、吸收式光纤光接收模块、吸收式光纤AD数据采集模块和吸收式光纤信号处理模块，吸收式光纤光发射模块驱动电能转化为出射光线，吸收式光纤光接收模块为探测器将返回光能转化为反映持气率信息的电压信号，吸收式光纤AD数据采集模块采集近红外吸收式光纤传感器数据；吸收式光纤光发射模块包括驱动电路和近红外光源，吸收式光纤光接收模块包括近红外接收探头和光电转化电路；探针信号处理模块和吸收式光纤信号处理模块均包括差分及功率放大电路和模数转化电路，并输出反映持气率信息的电压信号。
多路程控开关分别连接光纤探针阵列模块3和近红外吸收式多探测点光纤测量模块5，可对每组传感器进行独立控制；定时器模块进行智能调控，可视化模块提供可视化操作终端，电源模块进行供电，存储模块对输出电压信号进行本地存储，主控制器模块进行数据采集和数据处理，并依据光纤探针阵列模块、近红外吸收式多探测点光纤测量模块获取的电压信号进一步获取截面持气率信息及截面气相分布信息。
本发明的另一方面，提供一种利用前述的插入式组合光纤阵列传感器的测量方法，如图4所示，气液两相流参数包括持气率和气相分布，其包括以下步骤：
S1、采集光纤探针阵列模块、近红外吸收式多探测点光纤测量模块的响应数据。光纤探针阵列模块的响应信号由流体介质确定，若光纤探针检测到气相介质，则输出高电平电压信号；若光纤探针检测到液相介质，则输出低电平电压信号。
S2、基于所有光纤探针数据进行阈值处理得到二元符号化时间序列，即0、1时间序列，计算高电平时间占比，即为所有测量点处持气率信息。
S3、基于近红外吸收式光纤传感器光强信号并结合气相浓度测量模型，进行扇形分隔线区域处含气率测量。
在工作时，利用近红外吸收式多探测点光纤测量模块5进行含气率测量，测量管道只有气相流体流动时，记录光强信号为Ig(入射光束强度)；当测量管道只有液相流体流动时，记录该光强信号为Il(透射液相后的光束强度)。令近红外发射探头输出近红外光经测量管道液相浓度为β1的两相流吸收后，近红外吸收光强为I′，则I′可表示为：
I′＝Igexp{-d[μg(1-βl)+μlβl]} (3)
其中，d表示光程/通过被测介质厚度；μg表示待测气相摩尔吸光系数；μl表示待测液相摩尔吸光系数。
则测量管道界面液相浓度βl可表示为：
由式(3)与(4)可知，近红外接收装置收集的光强信号变化实际反映了近红外光强信号穿过待测液体后入射光强吸收衰减情况，且光强信号大小与被测液相浓度βl有关。
S4、将轴向截面光纤探针测量点进行插值，增加至2m×n个，插值增加的测量点设为插值点，插值点信息依据扇形区域的分隔线区域含气率及径向探针测量点信息，借助插值点数据估计规则进行估计，并根据插值点更正规则进行插值点信息更正，确定最终插值点信息。
插值点数据估计规则为依据靠近插值点距离最近的实际测量点，借助多近邻插值规则获取插值点的电压信号Zi：
Zi＝α1Z1+α2Z2+α3Z3+α4Z4 (1)
其中，Z1,Z2,Z3,Z4分别表示实际测量点的电压信号，空白区域取0；α1,α2,α3,α4分别表示对应于Z1,Z2,Z3,Z4的权重系数且均为常实数。
插值点更正规则为已知任意一条扇形分隔线区域处的含气率参数为g1，扇形分隔线上测量点相态状态分别为n1、n2、…、nn，则插值点信息满足：
S5、对光纤探测点进行插值成像，光纤测量点包括插值点和实际测量点。
S6、对成像的气相分布图进行区域识别，进一步获取截面持气率信息。
本发明提供的插入式组合光纤阵列传感器，借助了光纤探针阵列模块和近红外吸收式多探测点光纤测量模块，结构精巧、造价低、无可动部件和可靠性高，可在气液两相流测量领域广泛推广；解决了现有垂直上升管内气液两相流持气率及气相分布特性测量困难、测量误差较大的问题，能够快速、准确地获取，实用性好。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种插入式组合光纤阵列传感器，其特征在于，其包括外壳、绝缘杆、上游固定支架、下游固定支架、光纤探针阵列模块、近红外吸收式多探测点光纤测量模块和电路控制系统终端，所述绝缘杆上部固定有所述上游固定支架，下部固定有所述下游固定支架，所述上游固定支架和下游固定支架外侧支撑固定有所述外壳，所述光纤探针阵列模块固定在所述绝缘杆的上游且位于所述上游固定支架的下游，所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块固定在所述绝缘杆的下游且位于所述下游固定支架的上游，
所述光纤探针阵列模块设有若干光纤探针，所述光纤探针布置在所述绝缘杆与所述外壳之间的环形区域内，且其末端测量点均位于同一轴截面；所述绝缘杆与外壳之间的该轴截面环形区域划分为n(n≥1,n∈N*)层环状空间，并以截面圆心为基点划分为m(m≥1,m∈N*)个等面积的扇形区域，所述扇形区域的圆心角均为360/m，所述光纤探针均位于所述扇形区域的分隔线上，所述扇形区域的分隔线上所述光纤探针的数量相等且均为n个，其上每层所述环形空间仅放置一根所述光纤探针，所述光纤探针总数为m×n；
所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块设有若干近红外吸收式光纤传感器，所述近红外吸收式光纤传感器分布在所述绝缘杆与外壳上且均匀分布在同一轴向截面上；所述近红外吸收式光纤传感器包括近红外发射装置和近红外接收装置，所述近红外发射装置和近红外接收装置分别与所述绝缘杆或外壳通过螺纹密封连接，相邻所述近红外吸收式光纤传感器的所述近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置在所述绝缘杆或外壳间进行对调；
所述电路控制系统终端包括多路程控开关、光纤探针阵列模块电路、近红外吸收式多探测点光纤测量模块电路、定时器模块、可视化模块、电源模块、存储模块和主控制器模块，所述光纤探针阵列模块电路包括探针发射模块、探针接收模块、探针AD数据采集模块和探针信号处理模块；所述探针发射模块包括探针驱动电路、红外光源和传输光纤，所述探针驱动电路为所述红外光源提供驱动电能并使其发光，所述传输光纤传输出射光；所述探针光接收模块包括出射光纤和探针光电转化电路，所述出射光纤传输经所述光纤探针返回的光线；所述探针AD数据采集模块采集探针数据；所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块电路包括吸收式光纤光发射模块、吸收式光纤光接收模块、吸收式光纤AD数据采集模块和吸收式光纤信号处理模块，所述吸收式光纤光发射模块驱动电能转化为出射光线，所述吸收式光纤光接收模块为探测器将返回光能转化为反映持气率信息的电压信号，所述吸收式光纤AD数据采集模块采集近红外吸收式光纤传感器数据；所述吸收式光纤光发射模块包括光纤驱动电路和近红外光源，所述吸收式光纤光接收模块包括近红外接收探头和光纤光电转化电路；所述探针信号处理模块和吸收式光纤信号处理模块均包括差分及功率放大电路和模数转化电路，并输出反映持气率信息的电压信号。
2.根据权利要求1所述的插入式组合光纤阵列传感器，其特征在于，所述多路程控开关分别连接光纤探针阵列模块和近红外吸收式多探测点光纤测量模块，所述定时器模块进行智能调控，所述可视化模块提供可视化操作终端，所述电源模块进行供电，所述存储模块对输出电压信号进行本地存储，所述主控制器模块进行数据采集和数据处理，并依据所述光纤探针阵列模块、近红外吸收式多探测点光纤测量模块获取的电压信号进一步获取截面持气率信息及截面气相分布信息。
3.根据权利要求1所述的插入式组合光纤阵列传感器，其特征在于，所述近红外吸收式光纤传感器设有m组，每组设有1个所述近红外发射装置和1个所述近红外接收装置且均位于所述扇形区域的分隔线上。
4.根据权利要求1所述的插入式组合光纤阵列传感器，其特征在于，所述上游固定支架和下游固定支架空间垂直布置支撑所述外壳；所述光纤探针起于所述绝缘杆上游的一点并发散至所述绝缘杆下游的某一轴截面上；所述近红外发射装置和近红外接收装置连线的延长线均过轴截面圆心，且总体呈“*”字形且沿周向交错方式排布。
5.根据权利要求1所述的插入式组合光纤阵列传感器，其特征在于，所述近红外发射装置在光源前方加载透镜进行聚光，所述近红外接收装置接收端适当外扩以更好接收光线。
6.一种利用权利要求1至5之一所述的插入式组合光纤阵列传感器的气液两相流参数测量方法，其特征在于，所述气液两相流参数包括持气率和气相分布，其包括以下步骤：
S1、采集光纤探针阵列模块、近红外吸收式多探测点光纤测量模块的响应信号；
S2、基于所有光纤探针数据进行阈值处理得到二元符号化时间序列，即0、1时间序列，计算高电平时间占比，即为所有测量点处持气率信息；
S3、基于近红外吸收式光纤传感器光强信号并结合气相浓度测量模型，进行扇形分隔线区域处含气率测量；
S4、将轴向截面光纤探针测量点进行插值，增加至2m×n个，插值增加的测量点设为插值点，插值点信息依据扇形区域的分隔线区域含气率及径向探针测量点信息，借助插值点数据估计规则进行估计，并根据插值点更正规则进行插值点信息更正，确定最终插值点信息；
S5、对光纤探测点进行插值成像，光纤测量点包括插值点和实际测量点；
S6、对成像的气相分布图进行区域识别，进一步获取截面持气率信息。
7.根据权利要求6所述的气液两相流参数测量方法，其特征在于，所述步骤S4中的所述插值点数据估计规则为依据靠近插值点距离最近的实际测量点，借助多近邻插值规则获取插值点的电压信号Zi：
Zi＝α1Z1+α2Z2+α3Z3+α4Z4 (1)
其中，Z1,Z2,Z3,Z4分别表示实际测量点的电压信号，空白区域取0；α1,α2,α3,α4分别表示对应于Z1,Z2,Z3,Z4的权重系数且均为常实数；
所述插值点更正规则为已知任意一条扇形分隔线区域处的含气率参数为g1，扇形分隔线上测量点相态状态分别为n1、n2、…、nn，则插值点信息满足：
8.根据权利要求6所述的气液两相流参数测量方法，其特征在于，所述步骤S1中光纤探针阵列模块的响应信号由流体介质确定，若光纤探针检测到气相介质，则输出高电平电压信号；若光纤探针检测到液相介质，则输出低电平电压信号。
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|---|---|---|---|---|
| CN114737949B (zh) * | 2022-03-23 | 2024-04-23 | 燕山大学 | 一种用于气液两相流气相分布测量传感器及其终端系统 |
Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4333624A1 (de) * | 1993-10-04 | 1995-04-06 | Martin Dipl Ing Simon | Verfahren und Anordnung zum Bestimmen der Strömungsform einer Zweiphasenströmung |
| CN102830094A (zh) * | 2012-08-30 | 2012-12-19 | 燕山大学 | 一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器 |
| CN103558179A (zh) * | 2013-10-09 | 2014-02-05 | 河北大学 | 一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置及方法 |
| CN204476404U (zh) * | 2014-09-16 | 2015-07-15 | 燕山大学 | 一种光纤电导一体化探针传感器 |
| CN107290000A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-10-24 | 天津大学 | 一种多相流气相局部流动参数光电传感器组合测量装置 |
| CN107941667A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-04-20 | 中国神华能源股份有限公司 | 高温环境气固两相流多参数测量装置和方法 |
| CN207268709U (zh) * | 2017-03-28 | 2018-04-24 | 燕山大学 | 一种阵列式电导光纤一体化探针传感器 |
| CN107991221A (zh) * | 2017-12-01 | 2018-05-04 | 天津大学 | 光纤式微颗粒检测与计数方法及系统 |
| CN208223539U (zh) * | 2018-03-28 | 2018-12-11 | 燕山大学 | 一种光纤电导一体化探针传感器 |
| CN109596526A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-04-09 | 天津大学 | 双光纤阵列传感器气液两相流气相分布参数测量方法 |
| CN109856047A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-06-07 | 天津大学 | 一种单光纤阵列传感器气液两相流持气率成像测量方法 |
| CN110823896A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-02-21 | 西安交通大学 | 一种光纤探针含气率测量系统以及光纤探针尖端制作方法 |
| CN111272241A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-06-12 | 河北大学 | 一种基于散射光测量管道流量的系统及方法 |
| CN111289579A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-06-16 | 燕山大学 | 一种基于陆面气液分离集成传感器及持水率矫正方法 |
| CN111307809A (zh) * | 2020-02-24 | 2020-06-19 | 浙江大学 | 小管道气液两相流相分布光学检测系统和方法 |
| CN111504407A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-08-07 | 西安石油大学 | 一种产液气藏井中气液两相流量的在线测量方法 |
| CN211235565U (zh) * | 2019-12-05 | 2020-08-11 | 西安交通大学 | 一种光纤探针含气率测量系统 |
| 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 |
| CN111982862A (zh) * | 2020-08-01 | 2020-11-24 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种光纤传感器气液两相流持气率的计算方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11920967B2 (en) * | 2018-11-19 | 2024-03-05 | Kyocera Corporation | Optical fluid detection sensor for detecting flow of immiscible slug flow in a fluid detection device |
-
2022
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Patent Citations (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4333624A1 (de) * | 1993-10-04 | 1995-04-06 | Martin Dipl Ing Simon | Verfahren und Anordnung zum Bestimmen der Strömungsform einer Zweiphasenströmung |
| CN102830094A (zh) * | 2012-08-30 | 2012-12-19 | 燕山大学 | 一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器 |
| CN103558179A (zh) * | 2013-10-09 | 2014-02-05 | 河北大学 | 一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置及方法 |
| CN204476404U (zh) * | 2014-09-16 | 2015-07-15 | 燕山大学 | 一种光纤电导一体化探针传感器 |
| CN207268709U (zh) * | 2017-03-28 | 2018-04-24 | 燕山大学 | 一种阵列式电导光纤一体化探针传感器 |
| CN107290000A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-10-24 | 天津大学 | 一种多相流气相局部流动参数光电传感器组合测量装置 |
| CN107941667A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-04-20 | 中国神华能源股份有限公司 | 高温环境气固两相流多参数测量装置和方法 |
| CN107991221A (zh) * | 2017-12-01 | 2018-05-04 | 天津大学 | 光纤式微颗粒检测与计数方法及系统 |
| CN208223539U (zh) * | 2018-03-28 | 2018-12-11 | 燕山大学 | 一种光纤电导一体化探针传感器 |
| CN109596526A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-04-09 | 天津大学 | 双光纤阵列传感器气液两相流气相分布参数测量方法 |
| CN109856047A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-06-07 | 天津大学 | 一种单光纤阵列传感器气液两相流持气率成像测量方法 |
| CN110823896A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-02-21 | 西安交通大学 | 一种光纤探针含气率测量系统以及光纤探针尖端制作方法 |
| CN211235565U (zh) * | 2019-12-05 | 2020-08-11 | 西安交通大学 | 一种光纤探针含气率测量系统 |
| CN111307809A (zh) * | 2020-02-24 | 2020-06-19 | 浙江大学 | 小管道气液两相流相分布光学检测系统和方法 |
| CN111289579A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-06-16 | 燕山大学 | 一种基于陆面气液分离集成传感器及持水率矫正方法 |
| CN111272241A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-06-12 | 河北大学 | 一种基于散射光测量管道流量的系统及方法 |
| CN111504407A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-08-07 | 西安石油大学 | 一种产液气藏井中气液两相流量的在线测量方法 |
| CN111982862A (zh) * | 2020-08-01 | 2020-11-24 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种光纤传感器气液两相流持气率的计算方法 |
| 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 |
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