CN115824324A - 一种基于旋进旋涡mems检测技术的湿气流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法，包括以下步骤：利用基于MEMS三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计进行管道气相流量测量，从辅助测量轴输出信号中消除重力偏置电压；将旋进漩涡敏感轴或流体主冲击轴的输出信号与消除重力偏置电压后的辅助测量轴的输出信号进行差动处理；将差动处理后的输出信号进行快速傅里叶变换，提取漩涡进动频率；利用漩涡进动频率与气相流量关系，建立单相仪表输出系数K；重复上述步骤进行湿气实验，提取湿气漩涡进动频率；基于量纲分析法，利用单相仪表系数K与湿气漩涡进动频率建立基于湿气仪表系数K’的旋进漩涡流量计量模型。
Description
技术领域
本发明属于流量测量技术领域，涉及一种基于MEMS三轴加速度传感器的旋进漩涡检测技术的湿气流量测量方法。
背景技术
湿气两相流广泛存在于石油、天然气、发电、航空航天等领域，一般是指体积含气率大于95％或Lockhart-Martinelli参数不超过0.3的气液两相流。美国石油学会(API)定义的三种湿气类型中，第I类湿气为超低含液率，其体积含气率一般大于99.5％。在中国，第I类湿气通常存在于低渗透气田井口产出气中，一般使用旋进漩涡流量计或孔板流量计等单相气体流量计直接计量并不修正，其中旋进旋涡流量计的使用占据了90％以上的市场份额。然而，由于湿气中液相含率的影响，通常会产生7％-15％的测量误差，随着技术进步，井口湿气计量水平亟待提升。旋进漩涡流量计作为一种速度式流量计，采用先进的微处理技术，具有功能强、流量范围宽、操作维修简单、安装使用方便等优点，主要技术指标达到国外同类产品的先进水平的新型气体流量仪表。旋进旋涡流量计广泛应用于石油、化工、电力、冶金、城市供气等行业测量各种气体流量，是目前油田和城市天然气输配计量和贸易计量的首选产品。
但是在工业计量中，除漩涡进动信号外，还包含流体脉动噪声、管道机械振动等其他各种干扰噪声信号，这些干扰噪声载荷是非常复杂的。现有的旋进漩涡流量计所使用的压电传感器存在难以同时区分漩涡进动信号与干扰噪声信号的问题，这为后续的信号处理以及进动频率提取增加了极大的难度。尤其是在测量较低流速时，旋涡进动频率信号较弱，易被干扰噪声所淹没，测量效果较差。
MEMS三轴加速度传感技术的快速发展为漩涡进动频率信号检测提供了新的可能，将其代替旋进漩涡流量计的压电传感器可实现管道中三维空间的流体漩涡进动信号测量，获得更多有价值的流体信息。同时，依据漩涡进动信号与流体脉动噪声、管道机械振动等其他各种干扰噪声信号作用力方向的差异性，基于三轴加速度传感器三轴测量的双差动技术可以有效消除干扰噪声。
旋进漩涡流量计根据强迫振动的漩涡进动原理实现流量的测量。但是当单相旋进漩涡流量计应用于湿气流量测量时，由于气体中存在游离的液相(水或油)，将会减弱旋涡进动从而导致进动频率信号检测结果不同于干气，导致流量计的计量误差较大，甚至会使旋进漩涡流量计无法正常工作。为此，国内外学者在湿气旋进旋涡流量测量方面做了许多尝试，以提高流量计用于湿气测量时的精度。如文献[1]Hua和Geng针对旋进漩涡流量计测量湿气时的气体流量读数误差进行了分析，研究发现，气流中夹带的液体与同等气体流量相比，容易导致流量计的气体流量读数出现负偏差。当与液体分数密切相关的Lockhart-Martinelli参数大于阈值时，旋进漩涡流量计将因漩涡进动消失而无法正常工作。此外，还发现流量计的液相导致的气体流量读数误差主要取决于洛马参数和气体密度弗劳德数。随后，文献[2]Hua和Geng设计并研究了一种基于旋进漩涡流量计两种不同输出信号(漩涡进动频率和压差)组合的低压湿气流量计，建立了基于两个关联式的联立方程组的湿气测量模型，并给出了迭代求解算法。文献[3]徐英等人通过在旋进漩涡流量计两端并联差压变送器发现，当体积含液率大于0.50％时，由于液相流量过大，破坏了漩涡的进动信号，导致旋进漩涡流量计的测量结果失真。通过增加幂指数形式的无量纲湿气修正项的方法，建立了频率和压降参数的对偶模型，使旋进漩涡流量计的湿气测量能力得到了进一步提升。专利CN 216081610 U为测量水蒸汽和天然气混合流量，在旋进漩涡流量计的流体流动腔内沿流体的流动方向增设一个压力传感器，并在两个压力传感器之间设置节流件使得节流件的上下游产生差压，通过两个压力传感器来检测节流件上下游的压力处理后得到差压，通过进动频率检测元件检测得到流体的体积流量，流量积算仪根据传感器采集到压力、温度、差压、体积流量等参数可以计算出混合的多相流中各组分各自的流量，上述进动频率检测元件依旧为压电晶体，且结构复杂，所需传感器较多，成本较高。
[1]Chenquan Hua,Yanfeng Geng.Investigation on the swirlmeterperformance in low pressure wet gas flow[J].Measurement,2011,44(5).
[2]Chenquan Hua,Yanfeng Geng.Wet gas meter based on the vortexprecession frequency and differential pressure combination of swirlmeter[J].Measurement,2012,45(4).
[3]徐英，王森菱，张涛，刘烨，巴玺立.基于对偶模型的超低含液率湿气双参数测量方法[J].天津大学学报,2022,55(07):665-671.
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法，基于安装有三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计，通过旋进漩涡流量计进行管道流量测量时，三轴加速度传感器中，与流体方向一致的定义为流体主冲击轴；与插入管道方向一致的定义为辅助测量轴；垂直于流体方向与插入方向所组成平面的定义为旋进漩涡敏感轴，包括以下步骤：
(1)通过旋进漩涡流量计进行单相气体流量测量，并消除辅助测量轴输出信号中的重力偏置电压；
(2)将旋进漩涡敏感轴或流体主冲击轴的输出信号与消除重力偏置电压后的辅助测量轴的输出信号进行差动处理；
(3)将差动处理后的输出信号进行快速傅里叶变换，提取漩涡进动频率；
(4)利用漩涡进动频率与单相气体流量的关系，得到单相仪表输出系数；
(5)重复步骤(1)-(4)进行湿气测量实验，提取湿气的漩涡进动频率，基于量纲分析法，利用单相仪表系数与湿气的漩涡进动频率建立旋进漩涡流量计量模型，实现湿气流量的测量。
进一步的，步骤(5)中利用单相仪表系数K与湿气的漩涡进动频率建立基于湿气仪表系数K’的旋进漩涡流量计量模型，具体公式如下：
Qg＝f/K’
K’＝K·[1+Ka·(1-GVF)/GVF]b
式中，f为漩涡进动频率；K为单相仪表系数；K’为湿气仪表系数；GVF为体积含气率；a、b为拟合系数；Qg表示湿气的气相流量。
本发明还提供一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量装置，包括：
三轴加速度传感器，用于测量管道流量；
电源模块，电源模块上设置有直流偏置电压输出端，用于滤除由地球重力加速度引起的重力偏置电压；
计算单元，用于对三轴加速度传感器内不同轴的输出信号进行差动处理；并通过傅里叶变换得到漩涡进动频率，利用漩涡进动频率与单相气体流量的关系，得到单相仪表输出系数；
湿气流量求解单元，用于求解通过量纲分析法建立的旋进漩涡流量计量模型。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述湿气流量测量方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述湿气流量测量方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明方法能够用于任意流速的流量测量，并能确保旋涡进动频率信号强，测量准确，不被干扰，精度高；可实现对传统压电陶瓷晶体技术的替代，并推广湿气流量测量的应用领域。
2.本发明方法能够实现管道流体在三个轴向上的旋进漩涡信号测量，并依据旋进漩涡信号与干扰噪声信号作用力方向的差异性，利用双轴差动信号处理方法实现了流体脉动噪声、管道机械振动等其他各种干扰噪声信号的有效克服。在简化信号处理与优化算法的同时提高了流量测量精度，降低了流量测量下限，拓宽了流量测量范围。
3.本发明方法仅依靠单个MEMS三轴加速传感器便提升了湿气流量测量时输出信号的信噪比，相比于其他抗干扰处理方法，例如双压电探头差动处理方法、互相关方法或其他各种数字信号处理算法等，具有算法简单可靠，经济成本低等优点。
4.本发明方法利用单相仪表系数与湿气的漩涡进动频率所建立旋进漩涡流量计量模型对于湿气中气相流量的预测精度高，且模型结构简单，需要输入参数少，降低了实现的难度，更易于移植进单片机等信号微处理器中，满足了仪器仪表对于稳定性、可靠性的要求，提高了旋进漩涡流量计的适应能力并降低了生产成本，填补了天然气工业现场对于低成本，运行安全可靠、计量精度高、适用范围广、测量能力宽、抗干扰能力强的流量计仪表需求的空白。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的三轴加速度传感器在管道中安装位置示意图；
图3a至图3e为本发明实施例提供的基于快速傅里叶变换的差动信号频谱图；
图4为本发明实施例提供的湿气漩涡进动频率与体积含气率关系曲线图；
图5为本发明实施例提供的湿气漩涡进动频率与气相流量关系曲线图；
图6为本发明所提出的湿气旋进漩涡流量计量模型的拟合相对误差。
附图标记：1-起旋器；2-旋进漩涡流量计；3-解旋器；4-三轴加速度传感器；5-辅助测量轴；6-流体主冲击轴；7-旋进漩涡敏感轴；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法，基于安装有三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计，见图2，旋进漩涡流量计2的前后两端设有起旋器1和解旋器3，旋进漩涡流量计2上安装有三轴加速度传感器4，通过旋进漩涡流量计2进行管道流量测量时，在三轴加速度传感器4中，与流体方向一致的定义为流体主冲击轴6；与插入管道方向一致的定义为辅助测量轴5；垂直于流体方向与插入方向所组成平面的定义为旋进漩涡敏感轴7；通过旋进漩涡流量计进行管道湿气流量测量过程见图1，具体包括以下步骤：
1)通过旋进漩涡流量计进行单向气体流量测量，利用减法器消除辅助测量轴5(Y轴)输出信号中的重力偏置电压；
2)将旋进漩涡敏感轴7(Z轴)或流体主冲击轴6(X轴)的输出信号与消除重力偏置电压后的辅助测量轴5(Y轴)的输出信号进行差动处理；
3)将差动处理后的输出信号利用Matalab内部集成函数进行快速傅里叶变换，得到频谱图，见图3a至图3e，以Z轴与Y轴差动信号为例，对频谱图进行扫描，提取漩涡进动频率f；
4)利用漩涡进动频率f与单相气体流量Q关系，得到单相仪表输出系数K，K＝f/Q；
5)重复上述步骤进行湿气实验，提取湿气的漩涡进动频率f。
6)基于量纲分析法，利用单相仪表系数K与湿气的漩涡进动频率f建立基于湿气仪表系数K’的旋进漩涡流量计量模型。
本实施例中，将封装有三轴加速度传感器4的探头安装于带有起旋器1和解旋器3的旋进漩涡流量计中，其中旋进漩涡流量计2的表体类似于文丘里管。三轴加速度传感器4用于检测旋进漩涡流量计2中流体经喉部到达扩张段产生的旋进漩涡进动频率信号。三轴加速度传感器4具有三个轴向，故其具有测量管道流体三维加速度的能力，其中与流体方向一致的为流体主冲击轴6，与探头插入方向一致的为辅助测量轴5，垂直于流体方向与探头插入方向所组成平面的为旋进漩涡敏感轴7。分别进行气体流量实验以及湿气实验。此外三轴加速度传感器内设置有电源模块，电源模块上设置有直流偏置电压输出端，用于滤除由地球重力加速度引起的重力偏置电压。
实验结果如图4以及图5所示。由图4可以发现：相同气相表观流速usg时，两轴差动漩涡进动频率f随着体积含气率GVF的增大而逐渐递增，且当体积含气率GVF大于等于99.9％时，两轴差动漩涡进动频率f随着体积含气率的增长速率明显增大；相同体积含气率GVF时，两轴差动漩涡进动频率f随着气相表观流速usg的增大而增大；两轴差动漩涡进动频率曲线在全部湿气测量工况范围内都保持着相对规律的变化趋势，即使在气相表观流速较低时(5m/s)，也可以准确的提取到漩涡信号的进动频率。
此外，由图5可以发现：相同体积含气率时，两轴差动漩涡进动频率随着气相流量的增加而线性递增，并且该传感器不因液相的存在而改变其线性输出规律，符合旋进漩涡流量计的测量特性；不同体积含气率的变化会导致旋进漩涡流量计仪表输出系数K的改变，这也是旋进漩涡流量计用于湿气测量时误差增大的主要原因，进一步说明了液相的存在将阻碍漩涡的进动产生。
因此，根据两轴差动漩涡进动频率湿气检测信号规律特性，旋进漩涡流量计量模型的建立将有利于提高旋进漩涡流量计的计量性能，减小测量误差。
量纲分析法在多相流中有着广泛的应用，在无法利用现有的数学模型对一些复杂问题进行描述时，设计相关实验，利用量纲分析法可揭示问题的本质。每个物理定律都可以表示成无量纲数形式，将这种规律称为π定理。π定理是量纲分析法的核心，指明了物理现象中所有物理量与无量纲数之间的关系。表1为实施例提供的测量中涉及的物理量及其符号、单位与量纲。
表1
使用量纲分析法对旋进漩涡流量计分析。采用国际单位制，基本量纲为时间T，长度L，质量M，列出所有的物理量和量纲，如表1所示。物理量总数n为12，基本量纲数量k为3，故选取3个基本物理量：管径D(L)，ρg气相密度(ML-3)和气相体积流量Qg(L3T-1)，无量纲数的数目为9。
N1＝[(D)a·(ρg)b·(Qg)c]·(f) (1)
[(L)a·(M/L3)b·(L3/T)c]·(1/T)＝M0L0T0 (2)
由式(1)、(2)得，
N1＝[(D)3·(ρg)0·(Qg)-1]·(f)＝(D3·f)/Qg (3)
依次类推，可以得到N2，N3，…，N9。由π定理可知，任意无量纲数Ni可以使用自身与其他无量纲数Nj(i≠j)的组合来替代。对无量纲数N1，N2，…，N9作适当的变换可以得到湿气测量中的重要参数，如气相弗劳德数Frg，液气密度比DR，洛马参数XLM等。
根据π定理有，
式中，气液粘度比，气相表观雷诺数Resg，H等参数与介质粘度有关，理论与实验研究表明气体粘度μg与温度呈正相关关系，液体粘度μl与温度呈负相关关系，压力对于粘度和表面张力的影响可以忽略不计，且压力只有在极低或极高条件下，才会对μg产生影响，一般条件下视为压力对μg无影响。
故基于体积含气率的旋进漩涡流量计量模型可简化为：
f＝f(GVF) (5)
故使用量纲分析法对旋进漩涡流量计分析，结合实验数据，建立基于体积含气率的旋进漩涡流量计量模型，具体可表示为，其中f为湿气测量时的两轴差动漩涡进动频率；K为基于三轴加速度传感器用于气相流量测量时的单相仪表系数，K＝22.49；Qg表示湿气的气相流量，GVF为体积含气率。
Qg＝f/K’ (6)
K’＝K·[1+Ka·(1-GVF)/GVF]b (7)
将湿气测量时的标准流量计示值以及旋进漩涡流量的输出频率代入上述旋进漩涡流量计量模型，修正系数a，b分别用最小二乘法进行拟合，得到该模型的拟合系数为a＝3，b＝-0.087。基于三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计量模型的拟合误差如图6所示，拟合的相对误差整体处于2.0％以内，旋进漩涡流量计量模型的平均百分比误差MPE为0.17％，这意味着旋进漩涡流量计量模型略微高估，但平均绝对百分比误差MAPE为0.81％，表明该模型拟合精度良好。MPE、MAPE定义分别如下，其中
为通过模型计算的预测值，fi为真实值。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的湿气流量测量方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，电子设备具体包括如下内容：
处理器(processor)、存储器(memory)、通信接口(Communications Interface)和总线；
其中，处理器、存储器、通信接口通过总线完成相互间的通信；通信接口用于实现服务器端设备、计量设备以及用户端设备等相关设备之间的信息传输。
处理器用于调用存储器中的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中的湿气流量测量方法中的全部步骤。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的湿气流量测量方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的湿气流量测量方法的全部步骤，
虽然本申请提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法，基于安装有三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计，通过旋进漩涡流量计进行管道流量测量时，三轴加速度传感器中，与流体方向一致的定义为流体主冲击轴；与插入管道方向一致的定义为辅助测量轴；垂直于流体方向与插入方向所组成平面的定义为旋进漩涡敏感轴，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过旋进漩涡流量计进行单相气体流量测量，并消除辅助测量轴输出信号中的重力偏置电压；
(2)将旋进漩涡敏感轴或流体主冲击轴的输出信号与消除重力偏置电压后的辅助测量轴的输出信号进行差动处理；
(3)将差动处理后的输出信号进行快速傅里叶变换，提取漩涡进动频率；
(4)利用漩涡进动频率与单相气体流量的关系，得到单相仪表输出系数；
(5)重复步骤(1)-(4)进行湿气测量实验，提取湿气的漩涡进动频率，基于量纲分析法，利用单相仪表系数与湿气的漩涡进动频率建立旋进漩涡流量计量模型，实现湿气流量的测量。
2.根据权利要求1所述一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量方法，步骤(5)中利用单相仪表系数K与湿气的漩涡进动频率建立基于湿气仪表系数K’的旋进漩涡流量计量模型，具体公式如下：
Qg＝f/K’
K’＝K·[1+Ka·(1-GVF)/GVF]b
式中，f为漩涡进动频率；K为单相仪表系数；K’为湿气仪表系数；GVF为体积含气率；a、b为拟合系数；Qg表示湿气的气相流量。
3.一种基于旋进旋涡MEMS检测技术的湿气流量测量装置，其特征在于，包括：
三轴加速度传感器，用于测量管道流量；
电源模块，电源模块上设置有直流偏置电压输出端，用于滤除由地球重力加速度引起的重力偏置电压；
计算单元，用于对三轴加速度传感器内不同轴的输出信号进行差动处理；并通过傅里叶变换得到漩涡进动频率，利用漩涡进动频率与单相气体流量的关系，得到单相仪表输出系数；
湿气流量求解单元，用于求解通过量纲分析法建立的旋进漩涡流量计量模型。
4.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至2任一项所述湿气流量测量方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至2任一项所述湿气流量测量方法的步骤。
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