CN1332183C - 流体的流量检测装置 - Google Patents

Abstract

一种流体的流量检测装置，在沿流动方向横截面积存在变化的检测通道上安装至少两个动态压力传感器，用于检测节流差压的波动量值，该量值及其所包含的流量信息长期被人们忽视，在本发明中却得到了精确的检测和挖掘，根据该量值的谱密度可以有效检测流体流量。该装置克服了传统节流差压式流量计范围度窄、引压管线故障多的缺点，并可检测多种两相流。在该装置上增加相分率检测器后可以更准确地检测两相流，并可用于检测油气水三相流。

Description

流体的流量检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于压力检测的流量检测装置，更进一步地说，本发明属于通过检测节流装置所产生的压力波动量值来进行流量检测的装置，并且当所述流体为各种两相流或者三相流时，所述装置尤其适用。

背景技术

在现实生产和生活中，流体无处不在。传统的节流差压式流量计利用流体流动的节流差压特征来进行其流量特征的检测，成功地应用于工业已逾百年，其全球销售数量在各类流量仪表中长期占居首位，达到仪表总量的50％以上。

节流差压式流量计是以伯努利方程和流动连续性方程为基础的。充满管道的流体，当它流经管道内的节流装置时，流体将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流装置前后便产生了压差，这一压差与流量的平方近似成正比，这样可依据压差来衡量流量的大小。这一基本原理在大多数涉及流量计量技术的书刊中均有介绍，例如机械工业出版社出版的“流量测量技术及仪表”一书(ISBN7-111-10147-2)第三章第二节第43页。

但是，随着工业生产过程的自动化水平的不断提高，更高的流量检测要求也不断出现，以下两个方面的要求就是十分迫切的：

一方面，节流差压式流量计固然有很多优点，但是它的以下缺点是急需改进的：

一是范围度窄。由于检测的节流差压信号与流体流量为平方关系，要保证一定的流量检测精度，范围度通常难以大于3∶1-4∶1。

二是节流差压引压管线容易发生故障。这段管路连接在节流装置与差压变送器之间，是其薄弱环节，

容易产生堵塞、泄漏、腐蚀、冻结、信号失真等故障。据统计，在节流差压式流量计的各类故障中，引压管线造成的故障占总数的70％以上。

另一方面，随着工业生产过程的日趋复杂，往往需要对一些多组分混合流体中的每一组分进行无须分离的流量检测。常见的多相混合流体有以下五类：

第一类是气液混合两相流，如带水的水蒸气、空调中的制冷剂以及其它易于汽化的液体和易于液化的气体等，油气井出产的带有少量凝析油或者液态水的天然气也属于此类流体。相应的流量检测专利如美国专利US-5031466。

第二类是气固混合两相流，如采用气力输送的煤粉、粮食以及化工原料颗粒等。相应的流量检测专利如美国专利US-4726235。

第三类是液液混合两相流，如油井出产的油水混合液等。相应的流量检测专利如美国专利US-6755086。

第四类是固液混合两相流，如纸浆、采用液力输送的水煤浆以及化工原料浆状液等。相应的流量检测专利如美国专利US-4484478。

第五类是油气水三相流，即油气井出产的原油、伴生气和矿化水的混合流体。相应的流量检测专利如美国专利US-6655221，以及公开号为1492216A、公开日期为2004年4月28日的中国专利。

从上述文献可见，上述每一类多相流体的不分离流量检测都是困扰工业界几十年时间的技术难题。

传统的节流差压式流量计在多相流的检测环境下，前述两个缺点尤其严重。原因是，一方面，多相流体中各相物质的黏度、密度往往差别较大，当两种物质的界面通过节流装置时会产生很大的节流差压波动。这种情况下，必须选择量程较大的差压传感器才能承受这种节流差压的冲击而不至于造成永久性损坏，而量程过大就无法保证节流差压比较小的正常情况下的检测精度。另一方面，多相流中常常混合有气体或者固体，这些气泡或者固体颗粒又对引压管线的压力传递功能构成了无法避免的严重威胁。结果，传统的节流差压式流量计与其它种类的流量计同样，都无法有效用于解决多相流检测这一技术难题。

针对上述不足，近年来针对节流差压式流量计主要有以下几方面的研发努力：

一是采用宽量程差压变送器或多台差压变送器并用，拓宽范围度。如美国专利US-6860325所描述的技术方案。

二是开发线性孔板，拓宽范围度。线性孔板又称弹性加载可变面积可变压头孔板，其曲面圆锥形塞子在差压和弹簧力的作用下来回移动，使孔隙面积随流量大小而自动变化，这种孔隙的变化导致差压输出信号或者位移输出信号与流量成线性关系，进而扩大了范围度。

三是缩短引压管线，将节流装置和差压变送器做成一体，形成一体化节流差压式流量计，减少管线的潜在泄漏点，提高整体可靠性，改善动态特性，方便安装使用。如美国专利US-6776054，以及中国发明专利申请公开说明书(申请号为98239368.7，公开日期为1999年11月10日)所描述的技术方案。

中国发明专利申请公开说明书(申请号为88105217.5，公开日期为1989年9月6日)曾经公开了一种与本发明类似的检测方案，专用于气液两相流的流量检测。在该检测方案中，采用传统的差压传感器对节流装置上的节流差压进行检测，检测结果经计算处理后，分别得到在一段时间之内的节流差压均值量值和节流差压波动量值的均方根值，再根据这两个量值的比值来确定这段时间内气液两相流的含气率，最后再求得气液两相流的总质量流量。

另一份1991年7月16日公开的美国专利US-5031466也公开了一个气液两相流的检测方案，该技术方案与上述中国专利的技术方案各方面都十分相似，两者之间的区别仅在于流量的计算公式略有不同。

上述两个现有专利所存在的问题是：其技术方案是完全照搬了传统节流差压式流量计的结构，对于这种流量计用于单相流情况下原本存在的种种问题没有进行改进的意愿，就直接用于两相流检测；没有认识到所使用的差压传感器和引压管线都对于节流差压波动量值的检测效果有很大的不良影响。

形成上述不良影响的原因有两个方面。一方面，任何压力传感器的反应速度都有一个限度，当压力信号的波动速度快到某一个程度时，检测结果将出现较大的偏差，无法正确反映其真实波动量值。这个限度就称为传感器的频率响应。以目前的技术水平，传统的差压传感器对于频率大于5KHz的压力信号就已经难以实现准确的检测。另一方面，传统的引压管线的安装方法也很难保证对于高频压力信号的准确检测，因为引压管线本身构成了一个较大的腔室，当其内部存在可被压缩的介质时，其本身就存在类似弹簧的弹性效应，难以有效地传递高频压力信号，而且此腔室过大则容易进入杂质和气泡等，过小则阻力增大，甚至造成局部的堵塞，均不利于节流差压的准确检测。即使采用充油的毛细管作为引压管线，这一问题仍然难以完全解决。

由于上述原因，节流差压波动量值的检测误差一直较大，而这也是节流差压波动量值与流量的准确关系一直没有被发现的主要原因之一。前述两个现有专利虽然尝试寻求节流差压波动量值与流量的准确关系，但是由于节流差压波动量值的检测误差导致此关系模糊不清。结果是绝大多数专家认为这个关系不准确、不可靠、不可能成为新一代流量计的基本原理，而这一偏见反过来又进一步加剧了对此关系的漠视。近百年来，类似本案的发明一直未能出现，至今所有的业内专家对此均持怀疑态度并且不再尝试，原因就在于此。中国发明专利申请公开说明书(申请号为88105217.5，公开日期为1989年9月6日)的发明人之一在其第二份中国发明专利申请公开说明书(公开号为CN 1477375A，公开日期为2004年2月25日)的技术背景部分对于其第一份发明专利的技术方案再次评价如下：“该方法及仪器由于受井下引压管线太长、管路内径又太小等测试条件的限制，差压的脉动噪音信号经过阻尼很难测出来”，然而却没能给出针对性的解决办法，只是又重新提出了另外一个解决方案。

与上述现有专利对比，本发明能够在检测原理上另辟蹊径，放弃贝努利方程，转而基于节流差压波动量值与流量的直接关系，原因正在于，通过动态压力传感器的使用，找到了精确检测节流差压波动量值的方法，进而发现了节流差压波动量值与流量的准确关系，提出了根据单相流的节流差压波动量值可以有效地检测其流量，并克服了单相流中节流差压波动量值极其微弱、准确检测十分困难的技术难题，最终将本发明成功地应用于单相流的流量检测领域，并且产生了流量检测范围度扩大近十倍等预料不到的技术效果。采用动态压力传感器还同时消除了引压管线，从而彻底消除了前述引压管线可能导致的各种故障。

从表面上来看，本发明的性质属于要素替代发明，因为与传统的节流差压式流量计相比，在机械结构上，本发明的不同之处仅仅在于采用两个动态压力传感器替代了一个传统的差压传感器。需要注意的是，这绝对不是一个简单的同等替换，原因是：这两种压力检测方法的检测目的已经是完全不同的了，采用传统的差压传感器不可能准确检测节流差压波动量值中的高频分量，而采用本发明所选用的动态压力传感器也根本不可能检测得到节流差压的稳态量值。自从1886年美国人赫谢尔就用文丘里管制成了测量水流量的实用装置，至今节流差压式流量计在世界范围内的使用总量至少为数百万台，在迄今长达一百多年的使用过程中，其缺点早已为技术人员所熟知并一直渴望解决。但是，本发明提出的方案一直没有出现过，工业过程中所使用的节流差压式流量计都是建立在贝努利方程的基础之上的，也就是说，只有节流差压均值量值中所包含的流量信息被有效利用了，而节流差压波动量值中所包含的流量信息一直被认定为检测噪声而滤除。本发明正是克服了这一偏见，并取得了范围度扩大近十倍等预料不到的技术效果。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种流量检测装置，该检测装置可以精确地检测流体的节流差压波动量值，并在此基础之上进一步检测出流体的流量。

本发明的目的之二是提供一类流量检测装置，当被测流体为前述各种工业过程中所常见的气液、气固、液液、固液两相流以及油气水三相流时，能够根据使用现场的性能及价格要求，从该类流量检测装置中选择有针对性的配置，从而适应不同的现场要求，经济、有效地实现多相流各相流量的在线不分离检测。

本发明的技术方案基于下述原理：对于自然界中任何物理量进行检测，在一段时间之内的检测结果实际上都包含两个部分，其中一个是均值量值，另一个是波动量值，通常检测结果应该是这两个量值的叠加结果。在极端的情况下，这两个量值之中只有一个有实际意义，例如在一段时间内对物体的重量连续进行多次检测，由于每次检测都会不可避免地存在少量误差，从而导致检测结果在某个均值量值附近呈现出一种近似随机的波动。但是该检测结果的波动量值可以忽略掉，只有均值量值有意义，因为波动量值主要是每次检测所引入的误差，没有意义。又例如对交流电的电压进行一段时间内的检测，检测结果的均值量值基本为零，没有意义，只有波动量值的频率和幅值才有意义。需要注意的是，这两个例子只是两种极端的情况，现实生活中对于大多数物理量来说，检测结果通常是介于上述两个极端的检测例子之间的，也就是说，检测结果中的均值量值和波动量值同时都具有实际意义，或者说，检测结果中的均值量值和波动量值同时都包含有用的信息。

下面以节流差压为例来进行具体分析。假设在一段时间内，在节流装置上的两个检测点处所检测得到的压力分别为P1(t)和P2(t)，这两点之间的节流差压为Y(t)。根据上一段的分析，每个检测点的压力以及节流差压都是由均值量值和波动量值两个部分的叠加，即有：

P1(t)＝PA1+PD1(t)；  (1)

P2(t)＝PA2+PD2(t)；  (2)

Y(t)＝YA+YD(t)；     (3)

上式中PA1和PA2分别为两个检测点处压力的均值量值，由于它们都是在一段时间内的平均值，因而在这段时间内是不随时间变化的量值；而PD1(t)和PD2(t)分别为两个检测点处压力的波动量值，它们都是随时间变化的量值，并且它们在这段时间内的平均值都为零；YA为节流差压的均值量值，由于它也是在这段时间内的平均值，因而在这段时间内是不随时间变化的量值；YD(t)为节流差压的波动量值，它是随时间变化的量值，并且它在这段时间内的平均值也为零。

另一方面，由于节流差压Y(t)根据定义应该是两个检测点处的压力的差值，亦即：

Y(t)＝P1(t)-P2(t)；  (4)

将式(1)、式(2)代入式(4)可得：

Y(t)＝(PA1+PD1(t))-(PA2+PD2(t))

＝(PA1-PA2)+(PD1(t)-PD2(t))；    (5)

由于PD1和PD2的平均值都为零，比较式(3)与式(5)可得，

YA＝PA1-PA2；    (6)

YD(t)＝PD1(t)-PD2(t)；    (7)

由式(6)可知，节流差压均值量值等于两个检测点处压力的均值量值之差。由式(7)可知，节流差压波动量值等于两个检测点处压力的波动量值之差。据此可知，采用动态压力传感器来检测节流差压波动量值是可行的，原因如下：

动态压力传感器是为精确有效地检测压力的波动情况而设计的，因而难以准确有效地检测压力的稳态数值。其特点是对压力的波动量值十分敏感，而对压力的均值量值不敏感。换句话说，动态压力传感器是靠牺牲对压力均值量值的检测效果，而换得了对压力波动量值的更好的检测效果。目前常用的动态压力传感器主要是基于晶体压电原理、陶瓷压电原理、线圈加永久磁铁原理或者光纤测量原理的动态压力传感器。当采用两个动态压力传感器进行压力P1(t)、P2(t)的检测时，通常压力均值量值PA1、PA2都得不到有效的检测，而压力波动量值PD1(t)、PD2(t)却能得到十分精确快速的检测。这样，根据式(6)可知，差压均值量值YA将得不到有效的检测，从而无法根据伯努利方程来准确计算流量的大小。而根据式(7)可知，差压波动量值YD(t)仍然可以得到精确的检测，并且不会受到差压均值量值YA检测不准确的影响。这一特点对基于差压波动量值YD(t)的流量检测方法来说是十分有利的。

基于上述分析，本发明的技术构思如下：首先，提出了流体流动的流量信息不仅仅存在于节流差压的均值量值之中，而且同样存在于节流差压的波动量值之中，对节流差压均值量值不予检测，仅仅检测节流差压波动量值同样可以实现流量检测的目标。其次，指出了在总流速相同的情况下，由于不同组分之间密度、黏度等方面的差异，导致多相流体所形成的节流差压波动量值往往比单相流体所形成的节流差压波动量值大很多，因而上述的以节流差压波动量值为依据的流量检测方法用于检测多相流时具有更大的优势和潜力。第三，采用两个动态压力传感器进行节流差压波动量值的检测，这种检测方法的基本思路是：通过牺牲对于节流差压均值量值的检测效果，来提高对于节流差压波动量值的检测效果。这种检测方法所得到的结果比传统的差压传感器更准确、带宽更大，并且彻底消除了引压管线可能导致的各种故障。第四，在上述基础上，针对被检测流体的各相组分的物理性质的主要差异之处，从基于不同工作原理的各种相分率检测器中做出有针对性的选择，并且将这样选择得到的相分率检测器集中布置在节流装置上流体流动通道的横截面积最小的部位附近，使得流动通道中的每一段流体在流经布置了相分率检测器的部位时，能在同一时刻得到多数相分率检测器的检测，或者使得流动通道中的每一段流体在流经布置了相分率检测器的部位时，能在最短的时间内依次得到多数相分率检测器的检测，这样可以进一步提高所述流量检测装置用于两相流检测时的准确度和可靠性，并且可以对三相流实现在线不分离流量检测。

以下是根据上述技术构思而形成的本发明的基本技术方案：

所述流量检测装置由一段内部有流体流动的密闭通道构成检测通道，在该检测通道上布置1个传感器组合，该传感器组合至少由2个传感器组成，将该传感器组合中至少2个传感器的输出信号引入1个电子装置中，由该电子装置来实现流体流量的求取，所述流量检测装置的特征是：所述传感器组合中至少包含2个动态压力传感器，这种动态压力传感器是为精确有效地检测压力的波动情况而设计的，因而难以准确有效地检测压力的稳态数值；至少有2个动态压力传感器是沿着流体流动方向间隔一段距离而布置的；在沿着流体流动方向间隔一段距离而布置的2个动态压力传感器之间，检测通道的横截面积存在变化，流体的流速也因此而发生了相应的改变。

本发明的第一种改进，是在上述基本技术方案所述流量检测装置上增加1个相分率检测器，该相分率检测器可以是以下8种相分率检测器之中的任意一种：超声波检测器、电容检测器、电阻抗检测器、微波检测器、红外检测器、激光检测器、X射线检测器、伽玛射线检测器。并且该相分率检测器布置在节流装置上流体流动通道的横截面积最小的部位附近。

本发明的第二种改进，是在上述基本技术方案所述流量检测装置上增加至少2个相分率检测器，这些相分率检测器可以从下述8种相分率检测器所组成的检测器组中任意选用：超声波检测器、电容检测器、电阻抗检测器、微波检测器、红外检测器、激光检测器、X射线检测器、伽玛射线检测器；所选用的检测器具有相同的或者不同的工作原理，并且具有相同的或者不同的工作波长；所选用的相分率检测器集中布置在节流装置上流体流动通道的横截面积最小的部位附近；在所述相分率检测器不会相互干扰以及空间位置允许的前提条件下，尽可能使至少2个相分率检测器的有效检测区域的中心线在检测通道的中心相交于一点，并且尽量减小这两个中心线之间的夹角，使2个相分率检测器的有效检测区域相互重叠覆盖，使得检测通道中的每一段流体在流经该部位时，能在同一时刻得到这些相分率检测器的检测；或者，在所述相分率检测器不会相互干扰以及空间位置允许的前提条件下，尽可能使至少2个所选用相分率检测器的有效检测区域沿着流体的流动方向紧密相邻地并列平行布置在同一个轴向截面内，并且尽量减小这两个有效检测区域的中心线之间的间距，使得检测通道中的每一段流体在流经该部位时，能在最短的时间内依次得到这些相分率检测器的检测。

本发明的第三种改进，是在上述基本技术方案所述流量检测装置的节流装置上再增加1个差压传感器，并且该差压传感器所连接的两个取压孔分别布置在安装有动态压力传感器的横截面内。

本发明的技术方案中所述的电子装置可以是模拟电路装置，也可以是数字电路装置，其功能是接收动态压力传感器和相分率检测器的输出信号，并且进行相应的处理，最终形成单相流的流量结果或者多相流中各相流量的结果。目前各种流量计中用于计算和输出流量结果的电路装置均可以用来实现这一功能，比如各种流量计算机、微处理器电路以及硬件可编程逻辑电路等等。如果选用数字电路，那么通常包括模数转换电路、数据处理电路、输出信号接口以及必要的显示装置等。

本发明提出了一种新颖的基于节流装置的流量检测装置，由于传统节流差压式流量计量程范围窄的根源是随着流体流量的增大节流差压的稳态量值增长很快，两者为平方关系；而节流差压的波动量值的幅值增长缓慢，频率增长较快，因此，本发明采用动态压力传感器取代原有的差压传感器后，动态压力传感器目前高达几十万赫兹的频率响应就使得本发明所述流量检测装置的量程范围能够很轻松地得到大幅度的扩大。同时，由于消除了原有的引压管线，该流量检测装置保持了传统的节流差压式流量计结构简单牢固、性能稳定可靠、使用寿命较长的优点，同时克服了传统节流差压式流量计范围度窄、引压管线易出故障等缺点，还可以取消某些情况下所必须的防冻式隔离器以及冷凝器等。

同时，当被测流体为前述各种工业过程中所常见的气液、气固、固液两相流时，由于该流量检测装置放弃了传统的节流差压式流量计从节流差压均值量值中挖掘流量信息的思路，转而从节流差压波动量值中挖掘流量信息，并且由于与节流差压均值量值中所包含的流量信息相比，节流差压波动量值中所包含的流量信息更为可靠和丰富，因而能够实现两相流各相流量的可靠、经济的在线不分离检测。

另外，由于该流量检测装置所使用的流量信息挖掘方法将流量计算问题转化为一个目标函数的极值求取问题，当需要进一步提高两相流流量的检测效果时，或者需要检测某些三相流、如油气水三相流时，就可以针对被检测流体中各个组分的主要物理性质差别，选择相应的相分率检测器，并加装在该流量检测装置上，然后再于目标函数中加入与新增相分率检测器相对应的项。经过这样改进之后，不但所述检测装置对于两相流流量的检测效果可以得到进一步的提高，而且还可以实现油气水三相流的在线不分离检测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的实施方式1的结构示意图；

图2是本发明的实施方式2的结构示意图；

图3是本发明的实施方式2的一个横断面剖视图，该横断面是沿图2所示A-A剖线所取；

图4是本发明的实施方式3的结构示意图；

图5是本发明的实施方式4的结构示意图；

图6是本发明的实施方式4的一个横断面剖视图，该横断面是沿图5所示B-B剖线所取；

图7是本发明的实施方式5的结构示意图；

图8是本发明的实施方式6的结构示意图；

图9是本发明的实施方式6的一个横断面剖视图，该横断面是沿图8所示C-C剖线所取；

图10是本发明的实施方式7的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图给出7个非限定性实施方式，并做出进一步的详细说明。

图1是本发明的实施方式1的结构示意图，图中1为流体入口端，7为流体出口端，检测通道依次由前直管段2、孔板16和后直管段6构成。两个压电式动态压力传感器8、9沿着流动方向间隔一段距离，分别布置在前直管段2和后直管段6，其压力敏感端面与流体流动通道的内表面尽量齐平，以避免干扰流体流动。压电式动态压力传感器8、9通过电缆连接至电子装置36，该电子装置为动态压力传感器8、9提供工作电源并对两个电压输出信号进行采集保存，然后再对这两个电压输出信号进行滤波处理并进行比较，得到节流差压的波动量值，最后将此波动量值作为求取流体流量的依据。

实施方式1的这种配置可以用于各种单相流体的流量检测，此检测的过程为：第一步进行所述流量检测装置的标定实验，在其量程范围内选定几个流量数值进行实流标定，在每一个流量工况下，对两个动态压力传感器的输出信号分别进行10秒钟的连续记录。第二步进行标定计算工作，先计算每一个流量工况下两个信号记录的差值，再计算并存储该差值的谱密度数值。由于谱密度随着流量的增大呈现单调增大的趋势，因而可以通过非线性插值得到两者之间的关系。第三步是进行现场流量检测。这时只须将现场在线求得的谱密度与标定过程中所得到的关系直接比较，即可求得流量的最终结果。

实施方式1这种配置还可以检测各种气液两相流，如：凝析气流、易于液化的气体流、易于汽化的液体流等。下面以带水水蒸汽的流量和干度的检测为例来进行具体说明。水蒸汽作方一种热源，在现代工业中应用十分广泛，其干度是一项涉及安全生产和各种工艺效果的重要指标。比如，通过向油层中注入高温蒸汽的热力采油技术已有几十年的历史，其所使用的高温蒸汽的干度值的检测十分重要，直接影响原油产量、能源消耗、运营成本和注汽锅炉的安全运行。因此，经济有效地对水蒸汽进行流量和干度的同时检测具有非常重要的意义。但是至今为止这一检测基本都是由人工实现，精度差效率低，急需自动检测装置。

实施方式1这种配置用于检测带水水蒸汽的过程如下：

第一步，定义多相流的代表性参数。对于带水水蒸汽来说有以下两个参数：总体积流量Q和体积含气率G。在总体积流量Q的量程范围内选定多个不同Q和G的组合工况进行所述流量检测装置的实流标定实验，在每一个组合工况下，对两个动态压力传感器8、9的输出信号S1、S2这两个数字量分别进行10秒钟的连续采集和记录存盘；第二步，用MATLAB软件包中的firl函数设计三个频带分别为10Hz至100Hz、100Hz至1000Hz、1000Hz至10000Hz的带通滤波器FA、FB、FC；第三步，先用MATLAB软件包中的filter函数对两个动态压力传感器输出信号S1、S2进行适当的滤波，此滤波的目的是消除50Hz工频以及其它一些频率点上的干扰信号，然后计算每一个组合工况下两个动态压力传感器输出信号记录的差值D＝S2-S1，再分别使用第二步中所设计的滤波器FA、FB、FC对该差值DS进行滤波计算得到三个滤波结果DA、DB、DC，最后用MATLAB软件包中的periodogram函数分别计算并存储三个滤波结果DA、DB、DC的谱密度数值PA、PB、PC。第四步进行函数插值，采用非线性插值方法求得PA、PB、PC与总体积流量Q和体积含气率G之间的函数关系：PA＝f1(Q，G)；PB＝f2(Q，G)、PC＝f3(Q，G)；这里我们选用MATLAB软件包中的interpn函数即可达到这一目的；第五步是进行现场流量检测。这时只须将现场按第二步至第三步实时求得的谱密度RA、RB、RC带入以下目标函数：

M＝(f1(Q，G)/RA-1)²+(f2(Q，G)/RB-1)²+(f3(Q，G)/RC-1)²；    (8)

然后再对目标函数M进行最小化寻优计算即可求得总体积流量Q和体积含气率G的最终结果。至此，该检测问题已经转化为求解目标函数M的极值的问题，而这一古老的数学问题目前已经有大量十分成熟的数学算法和软件程序包，可以方便地选用。这里我们选用MATLAB软件包中的fminimax函数即可求得总体积流量Q和体积含气率G的最终结果。

图2是本发明的实施方式2的结构示意图，图中可见，检测通道由一个类似文丘里管的节流装置构成，该节流装置依次由前直管段2、前变速管段3、喉部4和后变速管段5构成，1为流体入口端，7为流体出口端，采用绝缘材料制造。该节流装置上流体流动通道的横截面积最小的部位为喉部4。此节流装置上所配置的传感器还具有以下特点：

首先，两个压电式动态压力传感器8、9沿着流动方向间隔一段距离，分别布置在前变速管段3上游的前直管段2和喉部4，并且其压力敏感端面与流体流动通道的内表面尽量齐平，以避免干扰流体流动。压电式动态压力传感器8、9通过电缆连接至电子装置36，该电子装置为动态压力传感器8、9提供工作电源并对两个电压输出信号进行采集保存，然后再对这两个电压输出信号进行滤波处理并进行比较，得到节流差压的波动量值，最后将此波动量值作为求取流体流量的依据。

其次，在喉部4的内表面附近增设了两个电容相分率检测器。由电极23、24所构成的一对电极和由电极25、26所构成的一对电极均嵌入喉部4的内表面。两对电极布置在喉部4的同一个横截面上，该横截面位于节流装置上流体流动通道的横截面积最小的部位附近，并且每一对电极均对称布置在流体流动通道的轴心线两侧，两对电极的两条中心连线垂直相交于一点。电极嵌入喉部4的内表面后，在电极接触流体的表面上增设绝缘层，并且尽量保证喉部4的内表面在嵌入四个电极后仍然保持嵌入电极前的形状，而不会影响流体经过喉部4的流动。四个电极通过电缆连接至电子装置36，在该电子装置内部，这两对电极分别连接至两个ANALOG DEVICES公司的AD7745芯片，该芯片为专用的电容-数字量转换芯片，只需为该芯片提供5V电源，即可将连接在其两个管脚的电极之间的电容值直接转换为数字量，并将该数字量通过12C接口提供给电子装置内部的数据处理电路，以便对该数字量进行采集保存和计算处理。

电容相分率检测器是利用物质的介电常数差异来进行检测的。通过电极在多相流体的管道两侧导入30KHz至300MHz的高频激励电压，来检测电极之间电容的大小，而该电容的大小又完全取决于电极之间流体的介电常数，当多相流体中各相组分的介电常数差别较大时，据此就可以得到相分率的相应信息。本实施方式中高频激励电压的频率选为30KHz。

图3是本发明的实施方式2的一个横断面剖视图，该横断面是沿图2所示A-Λ剖线所取；图中可以清楚地看到电极对23、24和电极对25、26的相对位置。

第三，在喉部4的内表面附近增设了两个超声波换能器11、12，两者正好位于斜穿喉部4的一条直线上，该直线位于电极23、24所在的流体流动通道轴向截面内，并且该直线穿过前述两对电极的两条中心连线的交点。两个超声波换能器11、12的感应面相互平行并且遥相对应，以便超声波换能器12能够有效地接收超声波换能器11所发射的超声波。超声波换能器11、12也通过电缆连接至电子装置36，该电子装置内部包含一个Panametrics公司的5072PR超声波脉冲发射接收器，可以为超声波换能器11提供0-40V的脉冲激励电压使其发射频率为2MHz的超声波脉冲，同时可以对超声波换能器12所接收的超声波电压信号进行相应的放大处理。然后再将此信号输入电子装置36中进行采集保存，并且通过与超声波换能器11所发射的脉冲信号进行对比，得到超声波穿过多相流体后的强度变化结果以及超声波的飞行时间结果。

这里超声波换能器11、12都是基于超声波的相分率检测器的一部分。这种相分率检测器是利用超声波在物质中传播时的强度变化和速度差异来进行检测的。超声波在介质中的传播速度与介质的密度近似成正比，因此超声波在两个换能器之间的飞行时间与所穿过介质的密度有关。另外，超声波在穿透复杂的介质结构如气泡或者液块时，其强度会因反射和折射而显著减弱，减弱的程度与其所穿过的介质的颗粒度有关。根据这一性质可知，超声波在两个换能器之间的飞行时间和强度变化这两个变量与换能器之间流体介质的相分率直接有关，当被检测流体中各相组分的密度或者颗粒度差别较大时，对这两个变量进行检测就可以实现相分率的检测。

用于相分率检测时，当被检测的流体中包含气体时，超声波的工作频率选在0.5MHz至5MHz之间，当被检测的流体中不包含气体时，超声波的工作频率选在2.0MHz至20MHz之间。其频率的具体选择需折中考虑以下几个因素：一是检测部位往往存在与相分率无关的低频流动噪声，选择较低的频率必须提高信号的功率才能得到满意的信噪比：二是每一次相分率检测必须等待上一次相分率检测所发射的超声波信号充分衰减，如果采用频率较低的超声波，由于其衰减比高频超声波慢的多，相分率检测的频率将难以提高；三是当流体中存在气体时频率高的信号衰减作用很强，接收的信号将因十分微弱而难以保证精度；四是通常相分率的大小主要取决于检测部位所存在的粗大混合结构，如尺寸较大的液块或者气泡，但是它们往往与一些直径很小的气泡或者液滴等细微混合结构并存，频率过高的信号由于对这些细微混合结构过于敏感，容易造成较大的相分率检测误差。

图2中可见，包含电极对23、24的电容相分率检测器与包含超声波换能器11、12的超声波相分率检测器布置在同一个轴向截面内，并且为了使这两个相分率检测器的有效检测区域尽可能相互重叠覆盖，在不会相互干扰以及空间位置允许的前提条件下，这两个相分率检测器的有效检测区域中心线在检测通道的中心相交于一点，并且这两个中心线之间的夹角已经被尽量减小。这样的结构设计使得流动通道中的每一段流体在流经这一部位时，能在同一时刻得到这两个相分率检测器的检测。

实施方式2这种配置可以用于多种三相流的流量检测。比如石油天然气行业普遍存在的油气水三相流。由于多数油气井的出产物往往会包含原油、天然气和矿化水这三种成分，因此，经济有效地对油气井出产物进行各相流量的在线不分离检测对于油藏管理、开采工艺优化以及生产过程监控等具有非常重要的意义。但是至今为止这一检测基本都是由分离器实现，精度差效率低，急需自动不需分离的检测装置。实施方式2这种配置用于检测油气水三相流的过程如下：

第一步，定义多相流的代表性参数。对于油气水三相流来说有以下三个参数：总体积流量Q、体积含气率G和液相体积含水率W。在总体积流量Q的量程范围内选定多个不同Q、G和W的组合工况进行所述流量检测装置的实流标定实验，在每一个组合工况下，对两个动态压力传感器8、9的输出信号S1、S2，两对电极之间的电容C1、C2和超声波换能器12的输出信号U1共计五个数字量分别进行10秒钟的连续采集和记录存盘；第二步，用MATLAB软件包中的firl函数设计三个频带分别为10Hz至100Hz、100Hz至1000Hz、1000Hz至10000Hz的带通滤波器FA、FB、FC；第三步，先用MATLAB软件包中的filter函数对两个动态压力传感器输出信号S1、S2进行适当的滤波，此滤波的目的是消除50Hz工频以及其它一些频率点上的干扰信号，然后计算每一个组合工况下两个动态压力传感器输出信号记录的差值D＝S2-S1，再分别使用第二步中所设计的滤波器FA、FB、FC对该差值DS进行滤波计算得到三个滤波结果DA、DB、DC，最后用MATLAB软件包中的periodogram函数分别计算并存储三个滤波结果DA、DB、DC的谱密度数值PA、PB、PC。第四步计算每一个组合工况下电容C1、C2检测结果的平均值P1、P2和超声波换能器输出信号强度的平均值P3。第五步进行函数插值，采用插值方法求得PA、PB、PC、P1、P2、P3与总体积流量Q、体积含气率G和液相体积含水率W之间的函数关系：PA＝f1(Q，G，W)；PB＝f2(Q，G，W)、PC＝f3(Q，G，W)、P1＝g1(Q，G，W)、P2＝g2(Q，G，W)、P3＝g3(Q，G，W)；这里我们选用MATLAB软件包中的interpn函数即可达到这一目的；第六步是进行现场流量检测。这时只须将在现场条件下按照第二步至第四步所求得的谱密度RA、RB、RC、电容平均值R1、R2和超声波强度平均值R3带入以下目标函数M：

M＝(f1(Q，G，W)/RA-1)²+(f2(Q，G，W)/RB-1)²+(f3(Q，G，W)/RC-1)²

+(g1(Q，G，W)/R1-1)²+(g2(Q，G，W)/R2-1)²+(g3(Q，G，W)/R3-1)²；    (9)

然后再对目标函数M进行最小化寻优计算即可求得总体积流量Q、体积含气率G和液相体积含水率W的最终结果。至此，该检测问题已经转化为求解目标函数M的极值的问题，而这一古老的数学问题目前已经有大量十分成熟的数学算法和软件程序包，可以方便地选用。这里我们选用MATLAB软件包中的fminimax函数即可求得总体积流量Q、体积含气率G和液相体积含水率W的最终结果。

需要指出的是，对于其它由介电常数差别较大的成分所组成的多相流体，实施方式2的这种配置也可以实现各相流量的在线不分离检测。并且，在精度等性能要求不是很高，或者价格的承受能力有限的情况下，实施方式2还可以进一步简化，取消其技术方案中所采用的超声波相分率检测器和一个电容相分率检测器，只保留另一个电容相分率检测器，同样可以实现上述多相流的各相流量检测。检测过程中的区别只在于，目标函数M中对应于被取消的相分率检测器的各项也被取消掉。

图4是本发明的实施方式3的结构示意图，图中可见，此实施方式与实施方式2的部分结构是完全相同的，这部分完全相同的结构在此不再重述，下面详细说明这两个实施方式的不同之处：

首先，取消了实施方式2中的超声波相分率检测器和电容相分率检测器，并且，节流装置可以不用绝缘材料制造。

其次，喉部4增设了两个红外线相分率检测器。红外线相分率检测器通常基于下述原理工作：当向物质上照射红外光时，被照物会根据其组成成分而吸收特定波长的光。以水为例，在红外波段的吸收带就有1.2微米、1.45微米、1.94微米、2.6微米和6微米五个波长，水分子对于这些波长的红外辐射有明显吸收作用。这种吸收是通过水分子伸缩振动和变角振动的结合而引起的共振现象所产生。因此，一旦将这些光照射在含水的物质上，就会产生与含水量对应的光吸收。在水的红外吸收波长中，因用1.2微米的波长时水的吸收率小，故现在多采用1.45微米或1.94微米波长。在实际的检测过程中，一般流体的界面是不规则的，其反射率要发生变化，因而穿过流体后到达传感器的光能量也要发生变化。如果只采用水的吸收波长进行测定，上述的变化就形成了外部干扰，很难测量准确。为消除干扰，除使用被水分吸收的波长外，还要使用该波长附近不易被水分吸收的波长，作为比较波长。将这两种光投射到被测物上，并用传感器把穿过流体的光转换为电信号，求出各自的比率。由于外部干扰通常以同样的比例影响这两种光，所以对两种光的检测结果求取比例后，就能消除外部干扰的影响。以1.94微米为例，由于水对于其邻近的波长为1.81微米红外线几乎不吸收，该波长就可以作为理想的比较波长，用以消除外部干扰的影响。

图4中可见，在不会相互干扰以及空间位置允许的前提条件下，这两个红外线相分率检测器的有效检测区域是沿着流体的流动方向紧密相邻地并列布置在同一个轴向截面内的，并且两个相分率检测器的有效检测区域中心线之间的间距已被尽可能减小。这样的结构设计使得流动通道中的每一段流体在流经这一部位时，能在最短的时间内依次得到这两个相分率检测器的检测。这两个红外线相分率检测器中，一对红外线发射管17、红外线接收管19的工作波长选为1.94微米，另一对红外线发射管18、红外线接收管20的工作波长选为1.81微米。如前所述，波长为1.94微米的红外线容易被水分吸收，而波长为1.81微米的红外线则作为对比波长使用。在红外线发射管17、18的发射功率一定的情况下，求取红外线接收管19、20的输出信号之间的比值P，该比值P即为含水量的检测结果。与使用一对红外线发射管和接收管的方案相比，上述方案可以提高含水量检测的准确性。另外，喉部4还需要增设红外吸收体作为内衬，用于消除红外反射波的影响。

实施方式3的这种配置可以用于带水凝析气以及其他含有水分的两相流的流量和含水量检测。其检测过程与实施方式2相似。

图5是本发明的实施方式4的结构示意图，图中可见，此实施方式与实施方式2的部分结构是完全相同的，这部分完全相同的结构在此不再重述，下面详细说明这两个实施方式的不同之处：

首先，节流装置可以不用绝缘材料制造，喉部4的内表面附近的超声波换能器11、12改变了空间位置，并且又增设了一个超声波换能器13，该超声波换能器与超声波换能器11通过管壁直接耦合，或者通过其他耦合材料直接耦合，以便对来自超声波换能器11的没有穿过流体的超声波信号直接进行接收，并与超声波换能器12所接收的穿过流体后的信号进行比较，求取强度变化和飞行时间。在电子装置内部，这一比较是通过采用ANALOG DEVICES公司的AD8302芯片来实现的。超声波换能器12所接收的穿过流体后的信号与超声波换能器13所接收的没有穿过流体的信号分别连接至ANALOG DEVICES公司的AD8302芯片的两个输入端，该芯片为专用的高频信号强度及相位比较芯片，只需为该芯片提供5V电源，即可对连接在其两个管脚的高频电信号进行强度及相位的比较，并将比较结果转换成两个0.03V至1.8Vd的电压信号，再提供给电子装置内部的模数转换电路，以便对该模拟量进行采集保存和计算处理。根据超声波的频率和所检测得到的相位差信号，即可计算得到超声波的飞行时间结果。

其次，原有的两个电容相分率检测器被一个微波相分率检测器所取代。微波相分率检测器基于如下原理而工作：电磁波在介质中传播时，其强度通常会因其所穿过的介质的影响而改变，而且这种改变与电磁波的频率和介质的介电特性有直接关系。目前工业过程中所使用的相分率检测器大多数都是利用这一类关系而设计出来的。微波波长的选择范围为1毫米至1米。更进一步地说，其工作波长可以由下述4个波长所组成的波长组之中任选一个：33cm、16.7cm、15.8cm、12cm，原因是这几个波长在微波通信行业中应用十分普遍，相应的微波硬件器件和信号处理芯片由于用量巨大而具有很高的性价比，相应的数据处理算法及软件更是异常丰富，只要在装置上做好对于外部微波信号的屏蔽工作，防止外来的干扰，这些硬件和软件就可以迅速方便地转用到流量检测这一领域中来，发挥出巨大的潜力。波长的另一个优选方案为3cm，原因是低于这个频率范围时水的矿化度对检测结果影响较大，而高于这个频率范围则流体中的前述混合结构对信号的反射作用增强，影响检测的准确性。在本实施方式中，微波波长选为15.8cm。

图5中可见，该微波相分率检测器包括两个微波天线14、15。微波信号源31所产生的微波信号分别输出至电子装置36和微波天线14，微波天线14用于发射微波信号，微波天线15用于接收微波信号并将其输出给电子装置36，在该电子装置内部，两个微波信号分别连接至ANALOG DEVlCES公司的AD8302芯片的两个输入端，该芯片为专用的高频信号强度及相位比较芯片，只需为该芯片提供5V电源，即可对连接在其两个管脚的高频电信号进行强度及相位的比较，并将比较结果转换成两个0.03V至1.8V的电压信号，再提供给电子装置内部的模数转换电路，以便对该模拟量进行采集保存和计算处理。

第三，与实施方式2相比，超声波相分率检测器的空间位置发生了改变。实施方式4的一个横断面剖视图如图6所示，图中可见，该超声波相分率检测器与前述微波相分率检测器布置在同一个横截面内，并且在不会相互干扰以及空间位置允许的前提条件下，这两个相分率检测器的有效检测区域被布置得尽可能相互重叠覆盖，亦即这两个相分率检测器的有效检测区域中心线在检测通道的中心相交于一点，并且这两个中心线之间的夹角已被尽可能减小。这样的结构设计使得流动通道中的每一段流体在流经这一部位时，能在同一时刻得到这两个相分率检测器的检测。

实施方式4的这种配置可以用于检测油气水三相流；其检测过程与实施方式2相似。

需要指出的是，对于其它由介电常数或者密度差别较大的成分所组成的多相流体，实施方式4的这种配置也可以实现各相流量的在线不分离检测。并且，在精度等性能要求不是很高，或者价格的承受能力有限的情况下，实施方式4还可以进一步简化，取消其技术方案中所采用的超声波相分率检测器或者微波相分率检测器，只保留两者之中的一个，同样可以实现上述多相流的流量检测。检测过程中的区别只在于，目标函数M中对应于被取消的相分率检测器的各项也被取消掉。

图7是本发明的实施方式5的结构示意图，图中可见，此实施方式与实施方式2的部分结构是完全相同的，这部分完全相同的结构在此不再重述，下面详细说明这两个实施方式的不同之处：

首先，在检测通道的后变速管段5的下游增加了后直管段6，并且压电式动态压力传感器8的位置由前直管段2改变为后直管段6。取消了原有的两个电容相分率检测器以及超声波相分率检测器。并且，节流装置可以不用绝缘材料制造。

其次，后变速管段5的内表面附近增设了一个激光相分率检测器。激光相分率检测器基于下述原理而工作：由于激光具有极好的方向性、单色性和相干性，检测微小颗粒直径大小的粒度仪通常采用激光原理。在多相流的情况下，如果多相流之中的一相颗粒细小并且在流动过程中混合比较均匀，那么使用激光进行相分率检测同样可以达到比较好的效果。激光相分率检测器的基本原理是产生激光束照射被测多相流体，由于微小颗粒对于激光具有散射作用，激光所穿过的路径上颗粒越多，则最终检测到的激光强度越小，该强度即反映了颗粒浓度亦即相分率的大小。

第三，喉部4的内表面附近还增设了一个X射线相分率检测器，包括X射线源27和X射线检测器28。X射线是指波长在30nm到0.01nm之间的电磁波。短波长和极强的穿透能力使得它被发现后立即获得了广泛的应用，成为医学诊断的有力工具。与伽玛射线相似，X射线穿过介质时其强度同样会减弱。通过对穿过多相流体的X射线的强度进行检测，就可以得到X射线路径上的平均密度信息，进而得出相分率信息。

图7中可见，在不会相互干扰以及空间位置允许的前提条件下，X射线相分率检测器与激光相分率检测器的有效检测区域是沿着流体的流动方向紧密相邻地并列布置在同一个轴向截面内的，并且两个相分率检测器的有效检测区域中心线之间的间距已被尽可能减小。这样的结构设计使得流动通道中的每一段流体在流经这一部位时，能在最短的时间内依次得到这两个相分率检测器的检测。

实施方式5的这种配置可以用于煤粉气体流、粮食气体流以及化工粉料气体流的检测。其检测过程与实施方式2相似。

需要指出的是，对于其它由密度或者颗粒度差别较大的成分所组成的多相流体，实施方式5的这种配置也可以检测。并且，在精度等性能要求不是很高，或者价格的承受能力有限的情况下，实施方式5还可以进一步简化，取消其技术方案中所采用的激光相分率检测器或者X射线相分率检测器，只保留两者之中的一个，同样可以实现上述多相流的流量检测。检测过程中的区别只在于，目标函数M中对应于被取消的相分率检测器的各项也被取消掉。

图8是本发明的实施方式6的结构示意图，图中可见，此实施方式与实施方式2的部分结构是完全相同的，这部分完全相同的结构在此不再重述，下面详细说明这两个实施方式的不同之处：

首先，喉部4的内表面附近原有的超声波相分率检测器被一个伽玛射线相分率检测器所取代。伽玛射线相分率检测器是利用物质的密度对于伽玛射线的影响进行检测的。伽玛射线作为一种从原子核内辐射出的电磁波，具有很强的穿透能力，易于实现非接触测量。伽玛射线穿过物质时，由于光电效应和散射效应而导致射线强度的减弱，其减弱程度和物质的密度之间遵循指数定律。伽玛射线密度计就是利用这一原理对各种工艺流程中的料流浓度进行测量的，它通常有以下几个单元组成：伽玛射线源、光电转换器、前置放大器、信号处理器等，当管道的口径一定时，料流浓度越大，伽玛射线最终的强度就越小。这种伽玛射线密度计早已在工业界大量应用，得到了很好的效果。在本实施方式中，伽玛射线源29所产生的伽玛射线穿过流体后，其强度将发生变化，此强度变化可以由伽马射线检测器30检测得到。该强度的大小直接反映多相流体的混合密度大小，而混合密度的大小与多相流体相分率的大小是直接相关的。

其次，取消了喉部4内表面附近原有的两个电容相分率检测器，而在前变速管段3的内表面附近增设了一个电阻抗相分率检测器。基于电阻抗的相分率检测器是利用物质的介电常数和电阻率差异来进行检测的。通过电极在多相流体的管道两侧导入30KHz至300MHz的高频激励电压，检测电极之间的电流即可得到介电常数和电阻率的变化情况，如果多相流体中各相的介电常数或者电阻率差别较大，那么据此即可得到相分率的有关信息。对基于电阻抗或者电容的相分率检测器，激励电压频率的选择范围通常为30KHz至300MHz。在本实施方式中，激励电压的频率选为30KHz。由电极23、24所构成的一对电极嵌入喉部4的内表面，两个电极对称布置在流体流动通道的轴心线两侧。

电极嵌入后，应尽量保证前变速管段3的内表面在嵌入两个电极后仍然保持先前的形状，而不会影响流体经过前变速管段3的流动。两个电极通过电缆连接至电子装置36，在该电子装置内部，这两个电极连接至一个ANALOG DEVICES公司的AD5933芯片，该芯片为专用的电阻抗-数字量转换芯片，只需为该芯片提供5V电源，即可将连接在其两个管脚的电极之间的电阻抗值直接转换为实部和虚部两个数字量，并将这两个数字量通过I2C接口提供给电子装置内部的数据处理电路，以便进行采集保存和计算处理。

图8中可见，在不会相互干扰以及空间位置允许的前提条件下，伽玛射线相分率检测器与电阻抗相分率检测器的有效检测区域是沿着流体的流动方向紧密相邻地并列布置在同一个轴向截面内的，并且两个相分率检测器的有效检测区域中心线之间的间距已被尽可能减小。这样的结构设计使得流动通道中的每一段流体在流经这一部位时，能在最短的时间内依次得到这两个相分率检测器的检测。

图9是本发明的实施方式6的一个横断面剖视图，该横断面是沿图8所示C-C剖线所取；图中可以清楚地看到电极对23、24的相对位置。

实施方式6的这种配置可以用于水煤浆以及纸浆的检测。其检测过程与实施方式2相似。

需要指出的是，对于其它由介电常数或者密度差别较大的成分所组成的多相流体，实施方式6的这种配置也可以实现各相流量的在线不分离检测。并且，在精度等性能要求不是很高，或者价格的承受能力有限的情况下，实施方式6还可以进一步简化，取消其技术方案中所采用的伽玛射线相分率检测器或者电阻抗相分率检测器，只保留两者之中的一个，同样可以实现上述多相流的流量检测。检测过程中的区别只在于，目标函数M中对应于被取消的相分率检测器的各项也被取消掉。

图10是本发明的实施方式7的结构示意图，图中可见，此实施方式与实施方式1的部分结构是完全相同的，这部分完全相同的结构在此不再重述，这两个实施方式的不同之处在于，在节流装置的管壁上，在动态压力传感器8、9各自所在的横截面内，分别开了一个引压孔，并且在这两个引压孔之间，通过引压管线32连接了一个差压传感器35，用于节流差压的检测。该差压传感器的输出信号经电缆连接到电子装置36。该电子装置可以象对动态压力传感器8、9的输出信号一样对差压传感器35的输出信号进行采集、存储和计算处理。

实施方式7的这种配置可以用于任何需要精确检测节流差压的全部信息的场合，这里所说的全部信息包括节流差压波动量值和节流差压均值量值。前面已经分析说明了传统的差压传感器虽然可以对节流差压均值量值进行十分有效的检测，但是由于频率响应的限制，通常无法对节流差压波动量值中频率超过5KHz的高频部分进行有效的检测。然而在本实施方式中由于有了动态压力传感器8、9，节流差压波动量值和节流差压均值量值可以同时得到有效检测。

假设差压传感器35选用能够有效检测频率在100Hz以下差压信号的差压传感器，对于常用的差压传感器来说，在低阻尼的工作状态下，绝大多数都能满足这一要求；动态压力传感器8、9选用能够有效检测频率在100Hz至50KHz动态压力信号的压电式动态压力传感器。在电子装置36中，用一个截止频率为100Hz的低通滤波器对差压传感器35的检测结果进行滤波，同时用一个截止频率为100Hz的高通滤波器对动态压力传感器8、9的检测结果之差进行滤波，然后将上述两个滤波结果相加，这样，就得到了一个带宽为0至50KHz的节流差压检测结果。该结果与单独使用差压传感器35的检测结果相比，其有效频带从0至100Hz扩展到了0至50KHz，这是目前其它检测手段所无法实现的。该结果所包含的节流差压波动信息显然更为丰富，并且可以分别根据节流差压均值量值和节流差压波动量值来进行流量计算，再将所得到的两个计算结果进行相互校核以便实现流量检测装置的故障自诊断功能。假如孔板发生堵塞，这时上述两个计算结果就会出现很大的差异。因此，当流量检测装置出现类似问题时就可以及时发现，最终的流量检测结果也就更加准确可靠。

实施方式7的这种配置可以用于带水水蒸汽、易液化气体流以及易汽化液体流的检测。其检测过程与实施方式2相似。

由于图3至图9所示的实施方式中都选用了相分率检测器，下面进一步介绍目前工业过程中常用的各种相分率检测器的适用范围。表1针对以下10种工业过程中常见的多相流体列出了前述8种相分率检测器的预期使用效果：带水蒸汽流、带水凝析气流、易于液化的气体流、易于汽化的液体流、油气水三相流、煤粉气体流、粮食气体流、化工粉料气体流、水煤浆、纸浆。表格中每一列代表一种多相流体，每一行代表一种相分率检测器，表格中的“+”表示完全适用，“○”表示部分适用，“-”表示难于适用。

由表1中可见，由于带水蒸汽流、带水凝析气流、易于液化的气体流、易于汽化的液体流和化工粉料气体流这5种多相流体通常包含同种物质的不同存在形态，而物质在不同存在形态下的介电常数以及电阻率往往差别较大，且流体比较纯净，脏污杂质含量小，因此8种相分率检测器基本上都可以适用，只是由于超声波换能器目前尚难以耐受200度以上的高温，导致超声波相分率检测器不能用于高温水蒸汽的检测。

表1.各种相分率检测器应用于不同多相流时的预期效果

	带水蒸气流	带水凝析气流	易液化气体流	易汽化液体流	油气水三相流	煤粉气体流	粮食气体流	化工粉料气体流	水煤浆	纸浆
											电容	+	+	+	+	○	○	○	+	-	-
电阻抗	-	-	-	○	○	-	-	-	○	○
											超声波	-	-	○	+	+	○	○	+	+	+
微波	+	+	○	○	+	○	○	+	-	-
											红外线	+	+	-	-	○	-	-	-	-	-
激光	+	○	+	-	-	+	○	+	-	-
											X射线	○	○	○	○	+	○	○	○	○	○
伽玛射线	○	○	○	○	+	○	○	○	○	○

对于油气水三相流体来说，情况略有不同的是由于流体中的脏污介质往往含量较大，导致红外线和激光相分率检测器难以适用，同时X射线和伽玛射线相分率检测器尤其适用；另外，由于水的矿化度有可能发生变化并且可能成为连续相，这又会给电阻抗和电容相分率检测器的使用带来困难。

煤粉气体流与粮食气体流中水分的变化不定大大限制了电阻抗、电容、微波和红外线相分率检测器的适用，而对于水煤浆和纸浆来说，大量液态水以及部分杂质的存在起到了相似的限制作用。

值得注意的是，从表1中看似乎X射线和伽玛射线相分率检测器是普遍适用的选择，但是在实际生产环境中，由于其较高的成本以及放射性、安全、能耗、环保等问题的存在，其应用的推广受到了很大的限制。相比之下，电容和超声波相分率检测器更值得用户考虑选用。

另外，在此必须指出的是，当检测精度要求很高或者被检测的流体中含有气体时，需要同时测量静压和温度，并计算做出相应的压力、温度修正，这样才能得到标准状态下的流量数值。这是流量检测领域内的技术人员所熟知的基本常识。具体到本发明所述的流量检测装置来说，如果整个管道系统的其它环节不能提供这种静压和温度信息，那么就需要在所述的流量检测装置上增设相应的静压传感器和温度传感器，对静压和温度进行检测并用于修正计算。由于这一特征属于流量检测领域内的技术人员所熟知的基本常识，因而本发明的技术方案以及权力要求书中均没有将这一特征算作所述流量检测装置的技术特征。

本发明不局限于上述几个实施方式。应当指出，本发明的基本原理是采用两个或者多个动态压力传感器对于节流差压波动量值进行检测，并以此作为主要依据实现流体流量的检测。对于本领域的普通技术人员米说，在不脱离上述基本原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，例如：节流装置除了实施方式中使用过的孔板和类似文丘里管的节流装置，也可以选择喷嘴、内锥形节流件以及其它非标准节流装置，只要达到改变流体流速的目的即可；由于各个实施方式最终都将流量检测问题转换为极值求解问题，因此在所述流量检测装置的上下游附近也可以再串联另一个附加的节流装置，将该附加的节流装置上所得到的各种附加检测结果引入所述流量检测装置的电子装置中，并且在目标函数中加入包含这些附加检测结果的相应项，以便提高所述流量检测装置的检测效果；动态压力传感器除了本实施方式中使用的压电式传感器，也可以选择其它基于声振动检测原理的传感器，例如内部为线圈加永久磁铁结构的声振动传感器以及光纤压力传感器等，只要达到精确检测高频压力波动量值的目的即可；相分率检测装置除了本实施方式中使用的各种相分率检测器，也可以选择其他形式的相分率检测器，只要传感器的输出信号随着多相流体中某一相浓度的变化而变化即可。由于上述这些变型和改进均建立在相同的基本原理之上，因此均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种流体的流量检测装置，该流量检测装置的检测通道是一段内部有流体流动的密闭通道，在该检测通道上布置1个传感器组合，该传感器组合至少由2个传感器组成，将该传感器组合中至少2个传感器的输出信号引入1个电子装置中，由该电子装置来实现流体流量的求取，所述流量检测装置的特征是：

1)所述传感器组合中至少包含2个动态压力传感器，这种动态压力传感器是为精确有效地检测压力的波动情况而设计的，因而难以准确有效地检测压力的稳态数值；

2)至少有2个动态压力传感器是沿着流体流动方向间隔一段距离而布置的；

3)在沿着流体流动方向间隔一段距离而布置的2个动态压力传感器之间，检测通道的横截面积存在变化，流体的流速也因此而发生了相应的改变。

2.如权利要求1所述的流量检测装置，其特征是：所述流量检测装置还包含1个差压传感器，并且在检测通道上，该差压传感器所连接的两个取压孔分别布置在安装有动态压力传感器的横截面内。

3.如权利要求1所述的流量检测装置，其特征是：在检测通道的横截面积最小的部位附近，还布置有1个相分率检测器，该相分率检测器通过施加激励电压或者激励电流的办法，对于布置在检测通道两侧的两个电极之间所存在的电容或者电阻抗进行检测，以达到检测相分率的目的，并且该检测所用激励电压或者激励电流的工作频率选在30KHz至300MHz之间。

4.如权利要求1所述的流量检测装置，其特征是：在检测通道的横截面积最小的部位附近，还布置有1个相分率检测器，该相分率检测器对超声波穿过流体时的强度变化或者飞行时间变化进行检测，以达到检测相分率的目的，并且当被检测的流体中包含气体时，超声波的工作频率选在0.5MHz至5MHz之间，当被检测的流体中不包含气体时，超声波的工作频率选在2.0MHz至20MHz之间。

5.如权利要求1所述的流量检测装置，其特征是：在检测通道的横截面积最小的部位附近，还布置有1个相分率检测器，该相分率检测器对电磁波穿过流体时的强度变化进行检测，以达到检测相分率的目的，所述电磁波为下述5种电磁波所组成的电磁波组之中的任意一种：微波、红外线、激光、X射线、伽玛射线。

6.如权利要求5所述的流量检测装置，其特征是：所述电磁波属于微波频段，其工作波长是由下述5个波长所组成的波长组之中的任意一个：33cm、16.7cm、15.8cm、12cm、3cm，并且所述相分率检测器还对所述电磁波穿过流体时的相位变化进行检测，以达到检测相分率的目的。

7.如权利要求5所述的流量检测装置，其特征是：所述电磁波属于红外线频段，并且其工作波长是由下述5个波长所组成的波长组之中的任意一个：1.2微米、1.45微米、1.94微米、2.6微米、6微米。

8.如权利要求1所述的流量检测装置，其特征是：至少包含2个相分率检测器，这些相分率检测器是从下述8种相分率检测器所组成的检测器组中任意选用的：超声波检测器、电容检测器、电阻抗检测器、微波检测器、红外检测器、激光检测器、X射线检测器、伽玛射线检测器；所选用的检测器具有相同的或者不同的工作原理，并且具有相同的或者不同的工作波长；所选用的相分率检测器集中布置在检测通道的横截面积最小的部位附近；同时，在所述相分率检测器不会相互干扰以及空间位置允许的前提条件下，尽可能使至少2个相分率检测器的有效检测区域的中心线在检测通道的中心相交于一点，并且尽量减小这两个中心线之间的夹角，这样，这些相分率检测器的有效检测区域相互重叠覆盖，使得检测通道中的每一段流体在流经该部位时，能在同一时刻得到这些相分率检测器的检测。

9.如权利要求1所述的流量检测装置，其特征是：至少包含2个相分率检测器，这些相分率检测器是从下述8种相分率检测器所组成的检测器组中任意选用的：超声波检测器、电容检测器、电阻抗检测器、微波检测器、红外检测器、激光检测器、X射线检测器、伽玛射线检测器；所选用的检测器具有相同的或者不同的工作原理，并且具有相同的或者不同的工作波长；所选用的相分率检测器集中布置在检测通道的横截面积最小的部位附近；同时，在所述相分率检测器不会相互干扰以及空间位置允许的前提条件下，尽可能将至少2个所选用相分率检测器的有效检测区域沿着流体的流动方向紧密相邻地并列平行布置在同一个轴向截面内，并且尽量减小这两个有效检测区域的中心线之间的间距，这样，检测通道中的每一段流体在流经该部位时，就能在最短的时间内依次得到这些相分率检测器的检测。

10.如权利要求1至9中任一项所述的流量检测装置，其特征是：所述检测通道包含至少1个变速管段和与其相邻的流动通道横截面积不变的喉部，在该变速管段上流动通道横截面积发生了改变并导致流体流速增大或者减小，并且该变速管段位于所述2个动态压力传感器的安装部位之间。

11.如权利要求1至9中任一项所述的流量检测装置，其特征是：所述动态压力传感器是基于晶体压电原理、陶瓷压电原理、线圈加永久磁铁原理或者光纤测量原理的动态压力传感器。

12.如权利要求10所述的流量检测装置，其特征是：所述动态压力传感器是基于晶体压电原理、陶瓷压电原理、线圈加永久磁铁原理或者光纤测量原理的动态压力传感器。