CN117433596A - 腰型节流式光量子混相流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业混相流体测量技术领域，具体涉及腰型节流式光量子混相流量计，其包括光量子相分仪主体、光量子源和光量子探测器，光量子相分仪主体的内部流道包括依次连接的第一变径段、腰型喉部段和第二变径段，第一变径段的内径从远离腰型喉部段的一端至靠近腰型喉部段的一端逐渐减小，第二变径段的内径从远离腰型喉部段的一端至靠近腰型喉部段的一端逐渐减小；在垂直于流道轴向的方向上，腰型喉部段的截面呈腰型孔状；光量子源和光量子探测器均设置于光量子相分仪主体，且均位于腰型喉部段处，光量子探测器还与光量子源相对分布，光量子探测器用于检测光量子源发出的单个光量子的能量信号。腰型节流式光量子混相流量计能提高适用性和测量精度。

Description

腰型节流式光量子混相流量计

技术领域

本发明涉及工业混相流体测量技术领域，具体而言，涉及一种腰型节流式光量子混相流量计。

背景技术

随着油气产业的发展，需要利用各种混相流量计对油气单井以及汇管混相流量进行检测；而且相关技术提供的混相流量计利用光量子进行相分率检测，可以实现混相流体中多种流体介质的流量测量。

但是，相关技术提供的混相流量计的相分测试精度受到包括测量截面的结构设计等诸多因素影响，还有具有较大的提高空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种腰型节流式光量子混相流量计，其能够提高相分率测量精度。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明提供一种腰型节流式光量子混相流量计，包括：

光量子相分仪主体，光量子相分仪主体的内部设置有流道，流道包括依次连接的第一变径段、腰型喉部段和第二变径段，第一变径段的内径从远离腰型喉部段的一端至靠近腰型喉部段的一端逐渐减小，第二变径段的内径从远离腰型喉部段的一端至靠近腰型喉部段的一端逐渐减小；在垂直于流道的轴向的方向上，腰型喉部段的截面呈腰型孔状；

光量子源，光量子源设置于光量子相分仪主体，且位于腰型喉部段处；以及，

光量子探测器；光量子探测器设置于光量子相分仪主体，且与光量子源相对且平行分布，光量子探测器用于检测光量子源发出的单个光量子的能量信息。

在可选的实施方式中，腰型喉部段包括两个平面壁，两个平面壁相对且间隔分布，光量子源设置于其中一个平面壁，光量子探测器设置于其中另一个平面壁。

在可选的实施方式中，腰型节流式光量子混相流量计还包括传感器数据获取板和流量计算机，流量计算机通过传感器数据获取板与光量子探测器连接。

在可选的实施方式中，腰型节流式光量子混相流量计还包括设置于光量子相分仪主体的多参量传感器，多参量传感器通过传感器数据获取板与流量计算机连接。

在可选的实施方式中，腰型喉部段还包括两个弧形壁，两个平面壁均连接于两个弧形壁之间。

在可选的实施方式中，光量子相分仪主体设置有安装孔和安装槽，光量子探测器插接于安装孔，光量子源插接于安装槽。

在可选的实施方式中，安装孔为通孔，光量子源从安装孔穿出后插接于安装槽内。

在可选的实施方式中，腰型喉部段为等径段。

本发明实施例的腰型节流式光量子混相流量计的有益效果包括：本发明实施例提供的腰型节流式光量子混相流量计的光量子相分仪主体设置的流道中的腰型喉部段的截面呈腰型孔状，可以改善设置于腰型喉部段的光量子源发出的光量子穿透介质距离受限问题，同时腰型孔状的截面改善了光量子线性测量的代表性，进而保证相分率测试精度，并保证整个腰型节流式光量子混相流量计的计量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中腰型节流式光量子混相流量计在第一视角下的剖视图；

图2为本发明实施例中腰型节流式光量子混相流量计在第二视角下的剖视图；

图3为本发明实施例中腰型节流式光量子混相流量计的结构示意图；

图4为本发明实施例中光量子相分仪主体的结构示意图；

图5为相关技术中截面呈圆形的喉部光量子测量示意图；

图6为本发明实施例中腰型喉部段光量子测量示意图。

图标：010-腰型节流式光量子混相流量计；100-光量子相分仪主体；110-流道；111-第一变径段；112-腰型喉部段；113-第二变径段；114-第一等径段；115-第二等径段；116-平面壁；117-弧形壁；121-安装孔；122-安装槽；200-光量子源；300-光量子探测器；310-探头壳体；320-流量计算机；321-差压变送器；322-压力变送器；323-阀体；324-温度变送器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1、图2和图3，本实施例提供一种腰型节流式光量子混相流量计010，用于检测混相流量；上述混相可以是指油、气、水和固体四相，在此不作具体限定。

腰型节流式光量子混相流量计010包括光量子相分仪主体100、光量子源200和光量子探测器300；光量子相分仪主体100的两端均连接有法兰，法兰用于连接测试管路，光量子相分仪主体100还设置有流道110，测试管路内的混相能够流经流道110；光量子源200和光量子探测器300均设置于光量子相分仪主体100，光量子源200和光量子探测器300相对且间隔地分布于流道110的两侧，光量子探测器300用于检测所述光量子源200发出的单个光量子的能量信息，进而实现对流经流道110的介质进行多相流量检测。

进一步地，腰型节流式光量子混相流量计010还包括传感器数据获取板和流量计算机320，流量计算机320通过传感器数据获取板与光量子探测器300连接。流量计算机320用于接收光量子探测器300输出的检测信号，以相应的输出检测到的多相介质的流量。

可选地，光量子源200为多组能级光量子源，多组能级光量子源为豁免级Ba-133光量子源，豁免级Ba-133光量子源的活度小于27微居，豁免级Ba-133光量子源产生31keV、81keV、160keV和356keV能量的四能级组的单个光量子。通过对每一个光量子能量的测量，依据物质与31keV、81keV、160keV的能量的光量子组的光电截面，以及物质与356keV能量的光量子组的康普顿截面，完成混相流体的相分率测量。

需要说明的是，上述光量子（简称：光子），是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉及衍射等性质；而光子的粒子性可由光电效应证明。光子只能传递量子化的能量，是点阵粒子，是圈量子粒子的质能相态。一个光子能量的多少正比于光波的频率大小，频率越高，能量越高。当一个光子被原子吸收时，就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的原子就从基态变成了激发态。

混相流量计的技术路线为：1、测量相分率（通常包括：含气率GVF和含水率WC）；2、测量总流量Qt；3、再依据相分率和总流量Qt分别计算各相流量。相关技术提供的混相流量计通常采用节流测量技术，即通过测量文丘里管所产生的差压来测量总流量；并通过射线测量相分率，即通过射线与物质的相互作用，利用强度衰减/吸收法（具体是指：射线强度在不同介质中衰减/吸收程度不一样）检测相分率，也即光量子相分率测量是利用不同能量的光量子与不同物质相互作用的不同机理（包括光电效应、康普顿散射和电子对效应）和不同反应几率（截面）从而解析得到相分率，其中，不同反应机理所需要的光量子能量是不同的，光电效应所涉及的光量子能量为100kEv以下，康普顿散射所涉及的光量子能量为100~1000kEv，电子对效应则需要光量子能量达到1.022MEv以上，换言之，低能量光量子100kEv以下，与物质相互作用主要为光电效应，较高能量光量子100~1000kEv，与物质相互作用主要为康普顿散射，以及更高能力光量子1.022MEv以上，物质相互作用主要为电子对效应。

光量子的全能谱测量技术用多个能量光量子的强度衰减量来实现符合测量和冗余计算，可以实现更多相的相分率精密测量，例如：四相：油气水固、油气水硫的；五相：二氧化碳/天然气/原油/地层水/砂等。

对于与物质发生光电效应相互作用的能量在100kEv以下的光量子，其在物质中的穿透能力通常在10~30毫米之间；而相关技术提供的流量计尺寸大于或等于DN100，即流量计通径大于或等于100毫米的情况下，其配置的文丘管（即节流器件）的喉径比（β=d/D，喉部直径比通径）要求控制在0.35~0.75，就是说大于或等于DN100的流量计的最小喉部直径为35毫米，超出能量在100kEv以下的光量子在物质中的穿透能力，导致无法可靠地进行光量子能量在100kEv以下的检测。

为了改善上述问题，提高检测的精度；请参照图4，本实施例中，将光量子相分仪主体100的流道110配置为包括依次连接并连通的第一变径段111、腰型喉部段112和第二变径段113，第一变径段111的内径从远离腰型喉部段112的一端至靠近腰型喉部段112的一端逐渐减小，第二变径段113的内径从远离腰型喉部段112的一端至靠近腰型喉部段112的一端逐渐减小；在垂直于流道110的轴向的方向上，腰型喉部段112的截面呈腰型孔状；且光量子源200和光量子探测器300均位于腰型喉部段112处。

腰型喉部段112的截面呈腰型孔状，可以解决设置于腰型喉部段112的光量子源200发出的光量子穿透介质的距离受限的问题，同时腰形截面改善了光量子线性测量的代表性，保证相分率测试精度，进而保证整个腰型节流式光量子混相流量计010的测试精度。

进一步地，请参照图2，腰型喉部段112包括两个弧形壁117和两个平面壁116，两个平面壁116相对且间隔分布，两个平面壁116均连接于两个弧形壁117之间，光量子源200设置于其中一个平面壁116，光量子探测器300设置于其中另一个平面壁116。

截面呈腰型孔状的腰型喉部段112，能够在其截面积与截面为圆形孔状的喉部相同的情况下，减小腰型孔状的腰型喉部段112的相对两个平面壁116之间的间距，以使间距便于满足小于35毫米的要求，进而可靠地进行光量子能量在100kEv以下的检测，即能够改善光量子穿透介质的距离受限的问题，保证检测准确性。

与此同时，如图5和图6所示，在进行光量子测量时，为了减少散射的影响，需要光量子通过准直器的结构设计实现窄束要求，即使得光量子测量一个截面的相分率时仅仅是测量了其路径上的一条线（如图5中，O点所示的直线，即截面为圆形的喉部的中轴线这条直线），也就是用这一条线上的线性相分率来代表相关技术的文丘里管的喉部横截面的相分率，只有在混相均匀时，所测的线性相分率等于这个横截面的相分率，即只有在混相均匀时，检测的结果才是准确的，但是混相在管道中是流动的、无法保证均匀性（如图5所示，最上层通常是气相，中层通常是油相，最下层为水相），进而相关技术的文丘里管无法保证检测的精准度，特别是靠近喉部底部的水相的检测影响更大，检测结果显示的相分率明显偏大，进而带来几何代表性误差。换言之，光量子的窄束测量本质上是一个取样性测量，因此取样的代表性就在很大程度上决定了相分率的测量精度，而截面呈圆形的喉部取样的代表性较差，无法保证测量精度。

本实施例的腰型喉部段112处的光量子测量的是两个平行的平面壁116之间的相分率；具体地，测量的实际是如图6示出的O1O2这条直线沿流道110的轴向延伸形成的截面的相分率，也即图6示出的腰型孔的近端圆心O1和远端圆心O2之间的连线沿腰型喉部段112的轴向形成的截面的相分率；这样一来，提高了几何代表性，即使是各相完全分离了，即不均匀的混相（如图6所示，最上层通常是气相，中层通常是油相，最下层为水相），检测得到的线性相分率也较好地代表着这个横截面的相分率，即保证了检测的精准度。换言之，腰型喉部段112的结构设计改善了光量子线性测量的取样代表性，保证相分率的精度，进而保证整个腰型节流式光量子混相流量计的计量精度。

需要说明的是，请参照图5和图6，以水相和油相为例，同样混相的情况下，等面积的腰型喉部段112和截面为圆形的喉部中，腰型喉部段112中的水相层的深度小于截面为圆形的喉部内的水相层的深度，同理，腰型喉部段112中的油相层的深度小于截面为圆形的喉部内的油相层的深度。

可选地，两个平面壁116之间的间距可以控制在20-30mm，以使分别设置于两个平面壁116的光量子源200和光量子探测器300的间距能够达到20-30mm，例如：20mm、22mm、25mm、27mm、30mm等，在此不作具体限定。将两个平面壁116之间的间距可以控制在20-30mm，可以使光量子测量距离被控制在20-30mm，确保光量子相分测量的精度最高。

请参照图4，本实施例中，腰型喉部段112被配置为等径段，即沿流道110的轴向，腰型喉部段112的内径保持一致，且腰型喉部段112的内径与第一变径段111的缩口端以及第二变径段113的缩口端大小相同，即腰型喉部段112的内径等于第一变径段111与其连接的一端的内径、并等于第二变径段113与其连接的一端的内径。如此设置，能够确保流道110内介质流动的顺畅性，进而确保检测的精度和准确性。

可选地，本实施例的流道110还包括第一等径段114和第二等径段115，第一等径段114连接于第一变径段111远离腰型喉部段112的一端，且第一等径段114的内径等于第一变径段111的扩口端的内径，即第一等径段114的内径等于第一变径段111与其连接的一端的内径；第二等径段115连接于第二变径段113远离腰型喉部段112的一端，且第二等径段115的内径等于第二变径段113与其连接的一端的内径。

可选地，第一等径段114远离第一变径段111一端为入口端，第二等径段115远离第二变径段113一端为出口端，即待检测的混相介质能从第一等径段114远离第一变径段111的一端进入流道110，之后再从第二等径段115远离第二变径段113的一端流出。

请参照图1和图2，本实施例中，光量子相分仪主体100设置有安装孔121和安装槽122，光量子探测器300插接于安装孔121，光量子源200插接于安装槽122。如此设置，确保了光量子探测器300和光量子源200装配于光量子相分仪主体100的可靠性，并且确保了光量子探测器300和光量子源200装配的易操作性。

进一步地，安装孔121为通孔，光量子源200从安装孔121穿出后插接于安装槽122内，即安装孔121为贯穿光量子相分仪主体100外壁和腰型喉部段112的内壁的通孔，安装槽122的槽口与腰型喉部段112的内腔连通光量子源200能从安装孔121沿其轴向插接于安装槽122内。如此设置，不需要在光量子相分仪主体100的腰型喉部段112设置安装槽122的一侧设置通孔，减少了光量子相分仪主体100上的漏点，并且减小光量子暴露的风险。

当然，在其他实施例中，腰型节流式光量子混相流量计010还包括塞子；光量子相分仪主体100还设置有与安装槽122连通的装配孔，光量子源200从装配孔插接于安装槽122内，塞子可拆卸地设置于装配孔内，即可将装配孔封堵起来。如此设置，便于通过将塞子从装配孔拆卸下来，露出装配孔来对装配于安装槽122的光量子源200进行维护、更换，确保了腰型节流式光量子混相流量计010的易维护性，还能通过塞子将装配孔封堵起来，减少漏点。

可选地，腰型节流式光量子混相流量计010还包括探头壳体310，光量子探测器300设置于探头壳体310内，探头壳体310插接于安装孔121，以使光量子探测器300通过探头壳体310插接于安装孔121。如此设置，能够利用探头壳体310保护光量子探测器300，以改善光量子探测器300容易受到碰撞、损坏等问题，还能够提高光量子探测器300设置于安装孔121的稳定性。

进一步地，探头壳体310设置有台阶部，台阶部能与光量子相分仪主体100抵持，即探头壳体310插接于安装孔121，台阶部与光量子相分仪主体100的外壁抵持。如此设置，能够进一步保证光量子探测器300通过探头壳体310插接于安装孔121的稳定性，进而确保光量子探测器300可靠地与光量子源200相对分布，确保检测结果的精度和准确性。

请参照图1、图2和图3，本实施例的腰型节流式光量子混相流量计010还包括设置于光量子相分仪主体100的多参量传感器，多参量传感器通过传感器数据获取板与流量计算机连接。

可选地，多参量传感器包括差压变送器321和压力变送器322，差压变送器321和压力变送器322均设置于光量子相分仪主体100、且均通过传感器数据获取板与流量计算机320连接。如此设置，可以利用差压变送器321检测流道110内的压差，并能够压力变送器322检测流道110内的压力，并通过差压变送器321和压力变送器322将检测信息发送至流量计算机320，以通过流量计算机320根据相应的检测结果输出流道110内油水气混相的瞬时流量和累计流量。

进一步地，腰型节流式光量子混相流量计010还包括阀体323，差压变送器321通过阀体323连接于其中一个弧形壁117对应的位置处。如此设置，以提高检测的准确性。

再进一步地，阀体323为三阀组件，其包括三个接头，其中一个接头与差压变送器321连接；另外两个接头均与光量子相分仪主体100连接，且另外两个接头中的其中一个连接于腰型喉部段112其中一个弧形壁117对应的位置处，另外两个接头中的另一个连接于第一变径段111远离腰型喉部段112的一端。如此设置，能够进一步确保检测的精度和准确性。

请参照图1、图2和图3，可选地，多参量传感器还包括温度变送器324，温度变送器324设置于光量子相分仪主体100、且通过传感器数据获取板与流量计算机320连接。温度变送器324能够用于检测流道110内的温度，并输出相应的检测信号给流量计算机320，以保证流量计算机320根据差压变送器321、压力变送器322和温度变送器324输出的检测信号可靠地输出流道110内油水气混相的瞬时流量和累计流量。

可选地，温度变送器324和压力变送器322均位于第一变径段111远离腰型喉部段112的一端。如此设置，能够确保温度变送器324和压力变送器322的检测精度。

进一步地，温度变送器324和压力变送器322均设置于第一等径段114靠近第一变径段111的一端；或者温度变送器324和压力变送器322均位于第一等径段114和第一变径段111的连接处。

需要说明的是，差压变送器321、压力变送器322和温度变送器324的检测原理，以及流量计算器通过差压变送器321、压力变送器322和温度变送器324的检测信号输出的流道110内油水气混相的瞬时流量和累计流量的原理均与相关技术类似，在此不再赘述。

综上所述，本发明的腰型节流式光量子混相流量计010能够用于检测混相流量，且能提高测试精度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种腰型节流式光量子混相流量计，其特征在于，包括：

光量子相分仪主体，所述光量子相分仪主体的内部设置有流道，所述流道包括依次连接的第一变径段、腰型喉部段和第二变径段，所述第一变径段的内径从远离所述腰型喉部段的一端至靠近所述腰型喉部段的一端逐渐减小，所述第二变径段的内径从远离所述腰型喉部段的一端至靠近所述腰型喉部段的一端逐渐减小；在垂直于所述流道的轴向的方向上，所述腰型喉部段的截面呈腰型孔状；

光量子源，所述光量子源设置于所述光量子相分仪主体，且位于所述腰型喉部段处；以及，

光量子探测器；所述光量子探测器设置于所述光量子相分仪主体，且与所述光量子源相对且平行分布，所述光量子探测器用于检测所述光量子源发出的单个光量子的能量信息。

2.根据权利要求1所述的腰型节流式光量子混相流量计，其特征在于，所述腰型喉部段包括两个平面壁，两个所述平面壁相对且间隔分布，所述光量子源设置于其中一个平面壁，所述光量子探测器设置于其中另一个平面壁。

3.根据权利要求2所述的腰型节流式光量子混相流量计，其特征在于，所述腰型节流式光量子混相流量计还包括传感器数据获取板和流量计算机，所述流量计算机通过所述传感器数据获取板与所述光量子探测器连接。

4.根据权利要求3所述的腰型节流式光量子混相流量计，其特征在于，所述腰型节流式光量子混相流量计还包括设置于所述光量子相分仪主体的多参量传感器，所述多参量传感器通过所述传感器数据获取板与所述流量计算机连接。

5.根据权利要求2所述的腰型节流式光量子混相流量计，其特征在于，所述腰型喉部段还包括两个弧形壁，两个所述平面壁均连接于两个所述弧形壁之间。

6.根据权利要求1-5任一项所述的腰型节流式光量子混相流量计，其特征在于，所述光量子相分仪主体设置有安装孔和安装槽，所述光量子探测器插接于所述安装孔，所述光量子源插接于所述安装槽。

7.根据权利要求6所述的腰型节流式光量子混相流量计，其特征在于，所述安装孔为通孔，所述光量子源从所述安装孔穿出后插接于所述安装槽内。

8.根据权利要求1-5任一项所述的腰型节流式光量子混相流量计，其特征在于，所述腰型喉部段为等径段。