CN1912612A - 一种多相流物质的检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相流物质的检测方法及检测装置。该方法利用超声波反射法和超声波衰减法来检测多相流物质的相参数，先将超声波传感器贴敷安装在有多相流物质的管道外壁上；用传感器采集超声波信号；计算和分析这些超声波信号，进而计算出多相流物质的相参数。该检测装置适用于本发明多相流物质的检测方法，包括超声波传感器和数据采集处理系统，后者包括依次线路连接的超声波发射接收仪、信号接受器和计算机及相应软件；超声波发射接收仪通过信号传输线路与所述超声波传感器相连接，超声波传感器检测时可贴敷安装在有多相流物质的管道的外壁上。

Description

一种多相流物质的检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及一种流体物理特性的检测技术，具体为利用超声波技术检测多相流物质静止或流动状态中的含量、浓度、分布、密度、粘度、硬度(或称为相含率)以及流量等参数的检测方法及检测装置，并且可以表征高分子聚合物共混物的相容性、高分子加工性能、界面性质和松弛行为，微米/纳米物质或材料的颗粒分布、大小及含量的检测，以及水质的在线检测，国际专利主分类号拟为Int.Cl.G01D 1/00(2006.01)。

背景技术

普通意义上的分类，自然界物质可以有三种相：气相、液相和固相。多相流中相的概念是指某一系统中相同成分及相同化学性质的均匀物质部分，各相之间有明显可分的界面。多相流通常是指同时存在两种或两种以上的物质流动，包括气液两相、气固两相流、液固两相流、液液两相流以及气液液和气液固多相流。如原油是典型的多相流，包含油、气、水三相物质。油相是指油井产出液中的液烃相，气相是指天然气、轻烃、非轻烃气体，水相则是指矿化水，同时还有少量的固相(砂、蜡、水合物)。由于多相流动中各相存在界面效应和相对速度，相界面在时间上和空间上都是随机可变的，致使其流动特性远比单相流系统复杂得多、其特征参数也比单相流系统多得多。多相流物质的检测，是指对静态或动态多相流中各相含量、浓度、分布、密度、粘度、相流速、硬度(或称为相含率)以及流量等参数的测量。其检测参数在能源、石油化工、宇航、医疗、制药、制冷、环境保护和食品等工业的生产和管理中至关重要。

石油开采过程的油水、油气两相流，气力输送过程中的气固两相流、化学工业中的流态化反应器以及传热、传质设备中大量存在的分离和反应过程等等，都可归结为多相流动现象。由于多相流物质体系是一个复杂的非线性系统，存在着相与相之间的相互作用，存在着一个形状和分布在时间和空间里均随机可变的相界面，而相间实际上又存在一个不可忽略的相对速度，致使流经管道的分相流量比和分相所占的管截面比并不相等。在被测参数中，分相含率和流量是极其重要和最基本参数之一。如果能对分相含率的数据和分布进行统计测量，可为判别多相流型提供定量的数据，为测量流体体积和质量流量提供前提条件。这些参数的获取对于广泛采取的多组分流体输送和应用等技术的工业领域是极其重要的。在实际应用方面，分相含率和流量的在线检测也是工业现场最为迫切的技术要求之一。

目前分相含率和流量的检测方法主要为：1.人工取样化验，其缺点是多相流物质在实际运动中有一定波动性，取样方法误差太大，不能用于实际生产；2.射线方法(放射性方法)，其缺点是射线对人体有一定危害，因此对使用环境和使用条件要求严格，使用不便；3.相分离检测方法，其缺点是占地和投资太大；4.电容法，其缺点是测量范围有限并且受到多相流物质分布(流型流态)影响，检测难以精确。以上这些多相流物质中分相含率及流量的测量技术和方法大都存在着这样或那样的缺陷，并且基本都是接触式测量检测，不能在工业现场应用，因而都没有得到大面积推广。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是设计一种多相流物质的检测方法及检测装置。该检测方法具有无损、高分辨率、高精度、高效率、简单易行、操作安全等特点，特别是能在不影响生产运行的情况下在线实时、非接触式地直接进行检测；该检测装置结构简单，检测效率高，准确性好，成本低廉，操作安全，可在生产运行条件下的在线实时、非接触式地对多相流物质的实施检测。

本发明解决所述多相流物质的检测方法技术问题的技术方案是：设计一种多相流物质的检测方法，该方法利用超声波反射法、超声波穿透法和超声波衰减法来检测多相流物质，具体检测方法为：

1.将与超声波发射接收仪连接的超声波传感器贴敷安装在被检测装有多相流物质的容器或管道的外壁上；

2.用超声波发射接收仪通过超声波传感器发射和接收超声波的时域信息；

3.把所接收的超声波时域信息输入与超声波发射接收仪连接的数据信息采集处理系统中，采用超声时域法、频率域法以及振幅域法、傅立叶变换、差动信号法或/和小波分析等方法对所输入的超声波数据信息进行分析处理，计算或连续计算出多相流物质的声学速度。

本发明解决所述多相流物质的检测装置技术问题的技术方案是：设计一种多相流物质的检测装置，该检测装置适用于本发明所述的多相流物质的检测方法，包括超声波传感器和数据采集处理系统，数据采集处理系统包括依次线路连接的超声波发射接收仪、信号接受器和计算机及相应软件；所述的超声波发射接收仪通过信号传输线路与所述的超声波传感器相连接，所述的超声波传感器检测时可贴敷安装在被检测装有多相流物质的容器或管道的外壁上。

与现有技术相比，本发明多相流物质的检测方法具有检测精度高，分辨率高、效率高、操作简便，使用安全等特点，特别是能在不影响生产运行的情况下在线实时、非接触式地直接进行无损检测；本发明多相流物质的检测装置依据本发明所述的多相流物质的检测方法设计，具有结构简单，检测效率高，准确性好，成本低廉，操作安全，可在生产运行条件下在线实时、非接触式地对多相流物质实施检测，具有良好的工业实际应用价值。

附图说明

图1是本发明所述检测方法及检测装置一种实施例的结构和工艺原理示意图；它也表示了油、气、水多相流动态检测实验的工艺流程；

图2是本发明所述检测方法一种实施例的主视原理示意图；

图中符号：S为装多相流物质容器或管路的内径(m)；T₁为超声波到达所述容器或管路内壁A的时间(s)；T₂为超声波到达所述容器或管路与内壁A相对的内壁B的时间(s)；D为所述容器或管路的外壁；

图3是本发明所述检测方法一种实施例的俯视原理示意图；

图4是本发明所述检测方法及其检测装置静态实验时容器内外壁超声反射采集数据处理数据波谱图；

图5是本发明检测方法及其检测装置检测不同方法混合后的油、水两相介质超声声速与含水之间的关系图；从图5可以看出，随着含水的升高油水两相介质声速逐渐增大，油水两相介质声速和含水率明显成线性关系，而且混合越均匀线性关系越明显；

图6是本发明检测方法及其检测装置检测纯水和纯油时介质声学速度与流量的关系图。从图6可以看出，随着介质流量从5m³/d增加50m³/d，纯水的声速基本不变，而纯油的声速有逐渐增大的趋势；

图7是本发明检测方法及其检测装置检测纯水和纯油时介质超声波振幅与流量的关系图。从图7可以看出，随着介质流量从5m³/d增加50m³/d，纯水和纯油的超声波振幅皆有逐渐下降的趋势，并基本成线性关系；

图8是本发明所述检测方法及其检测装置检测油、水两相流流量为10m³/d(立方米/每天)时介质声学速度和振幅与含水的关系图；从图8可以看出，随着含水从10％增加到90％，声学速度从1453.80m/s增大到1466.60m/s；振幅从0.0401V(伏特)升到0.4625V，呈递增关系；

图9是本发明检测方法及其检测装置检测油水两相流流量和超声信号振幅与含水之间的关系图。从图9可以看出，振幅随着含水的增大而增大，且表现出一定的函数关系；

图10是本发明检测方法及其检测装置检测油、水两相流量为50m³/d时气量与介质超声声速之间的关系图。从图10可以看出，在油水两相流量50m³/d条件下，随着气体流量的增加(从0m³/d逐渐增加至35m³/d)，不同含水下的声速随气体流量增加而逐渐下降，趋势明显，总体呈一定的递减函数关系，并且试验发现，在同样气量下，含水越高，所述的声速越大。

图11是本发明检测方法及其检测装置检测油、水两相流量为50m³/d时含水和介质超声信号振幅与气量之间的关系图。从图11可以看出，随着气体流量从0m³/d逐渐增加至35m³/d，不同含水下的介质超声信号振幅随气量增加也逐渐下降，趋势明显，总体呈一定的递减函数关系，并且发现，同样气量下，含水越高，所述的振幅越大。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，但本发明技术的应用远不止实施例的示例说明：

本发明设计一种多相流物质的检测方法(以下简称检测方法，参见图1、2、3)，该方法利用超声波反射法、超声波穿透法和超声波衰减法来检测多相流物质，具体检测方法为：

1.将与超声波发射接收仪6连接的超声波传感器5贴敷安装在被检测装有多相流物质的容器或管道2的外壁D上；

2.用超声波发射接收仪6通过超声波传感器5发射和接收超声波80的数据信息；

3.把所接收的超声波80数据信息通过信号传输线路71输入与超声波发射接收仪6连接的数据信息采集处理系统70中进行数据信息处理；

4.采用超声时域法、频率域法以及振幅域法、傅立叶变换、差动信号法或/和小波分析方法对所输入的超声波数据信息进行分析处理；例如，先计算穿透被测物质时的超声波传播时间T和反射波的振幅；再计算出被测物质的声学速度等；

5.根据超声波数据信息分析处理结果计算或连续计算出多相流物质的相参数。例如，可根据声学速度和反射波的振幅计算出多相流物质的相参数。

根据本发明所述检测方法的需要，本发明同时设计了多相流物质的检测装置(以下简称检测装置，参见图1、2、3)。该检测装置该装置适用于本发明所述的多相流物质的检测方法，包括超声波传感器5和数据采集处理系统70。数据采集处理系统70包括依次线路连接的超声波发射接收仪(或超声仪)6、信号接受器(或示波器、数字显示器)7和计算机(或电脑)8及相应软件；所述的超声仪6通过信号传输线路71与超声波传感器5相连接。所述的超声仪6连接的超声波传感器5可贴敷安装在被检测装有多相流物质(图2和图3中的3代表连续的单相物质(如水)，4代表非连续的某种或多种单相物质(如油滴、气泡或/和固体颗粒等；多相流物质即所述3和4的非均匀混合物)的容器或管道2的外壁D上。

本发明的检测装置所述的超声波传感器5、超声波发射接收仪6、信号接受器7和计算机(或电脑)8及相应信号采集软件本身均为现有技术，市场可购。

为满足了工程材料及流体原位实时在线检测仪的技术要求，本发明的检测装置可采用现有技术可将超声波信号发射接受仪6、信号接受器7、主电脑数据采集及处理器8等集成为一个模块，制成一个便携式的工程材料检测装置(仪)或是分体式检测装置，或者是针对生产线的固定式检测装置，以方便本发明检测方法及其检测装置在工业现场实施在线检测。

图1是本发明检测方法及检测装置一种实施例的结构和工艺原理示意图，也表示了油、气、水多相流物质动态实验的工艺流程。如图1所示，气罐10依次经管路连接的气泵11、第一气阀12、气质量流量计13、第二气阀14和第三气阀15，接入混合器40；同样，油罐20依次经管路连接的油泵21、第一油阀22、油质量流量计23、第二油阀24和第三油阀25，接入混合器40；也同样，水罐30依次经管路连接的水泵31、第一水阀32、水质量流量计33、第二水阀34和第三水阀35，接入混合器40；混合器40中的多相流物质依次经管路连接的第二调节阀42和第二多相流物质输送管路的进口49接入第二多相流物质输送管路(模拟油井的井桶；当静态实验时该管路即为多相流物质容器)2；所述的输送管路2经并接的上调节阀46和下调节阀45与第一多相流物质输送管路(模拟油井的井桶；当静态实验时该管路即为多相流物质容器)1连通；所述的上调节阀46的前后管路上分别接有前排气阀47和后排气阀47’；所述的第一多相流物质输送管路1的出口48依次经管路连接的第三调节阀43、调节阀90，接入油水分离器9。油水分离器9经管路分别接入油罐20和水罐30，也即油水分离器9分离出的油和水经管路分别送入所述的油罐20和水罐30，再进行循环操作。所述的气泵11、第一气阀12、气质量流量计13、第二气阀14和第三气阀15经过控制线路与控制系统50相连；同样，所述的油泵21、第一油阀22、油质量流量计23、第二油阀24和第三油阀25以及所述的水泵31、第一水阀32、水质量流量计33、第二水阀34和第三水阀35分别经过控制线路也与所述的控制系统50连接。控制系统50通过计算机指令很容易对所述的阀门和仪表进行调节控制。

为了扩大检测范围和检测方便，本发明检测装置在所述的混合器40与第三调节阀43之间串接有与所述第二调节阀4并联的第一调节阀41；在所述的调节阀90与第三调节阀43之间串接有与所述第三调节阀43并联的第四调节阀44。这种设计可以使所述的第一多相流物质输送管路1的出口48成为多相流物质的进口；也可以使所述的第二多相流物质输送管路的进口49成为多相流物质的出口；或者使两者的下管口同时成为多相流物质的进口或出口。工艺操作可由所述的第一调节阀41-第四调节阀44所构成的桥式管路阀门来实现。

本发明检测装置所说述的各个阀门可以是手动阀门，也可以是自动阀门。前者由人工调节操作，后者可由所述的计算机及相应软件调控。这种工艺软件设计对业内技术人员而言，十分简单。

本发明检测装置检测时，首先将超声波传感器5(即超声波探头5或简称探头5)贴敷安装在所述的第一多相流物质输送管路1或/和第二多相流物质输送管路2的外壁D上，然后与超声波传感器5连接的数据采集处理系统70即可以在本发明检测方法的指令下开始工作。所述的探头5可以是一个，也可以根据实际检测需要采用两个或两个以上的多个，实施例设计为2-10个。当采用两个或两个以上的探头5时，其中的一个探头5向被检测的多向流物质内发射超声波80(如从管路内壁A处)，而由另一个/多个探头5接收透过该多向流物质的超声波信号(如在与管路内壁A对应的另一侧管路内壁B处/及其附近)。

本发明检测方法及检测装置利用超声波反射法、超声波穿透法和超声波衰减法来检测多相流物质，是基于以下原理：

多元混合流体的平均声速是流体各组分浓度及温度的函数。因此，可以利用超声来进行混合液体组分的浓度测定。

媒质密度变化，自然引起该媒质的声阻抗率的变化。如果同时测量声阻抗率和声速就可以测量媒质的密度。

材质不同的试样，表面上大小及深度不同的硬度压痕，对超声振子产生不同的机械阻抗，使超声振子的谐频率发生改变。

这样，通过测量超声振子谐频率变化，就可以测量材料的硬度。当超声波在不同的介质中传播时，在界面处会出现反射和透射等现象，它们与入射角和介质的性质有关，通过检测超声波的信号(主要是指速度、衰减系数和振幅)可以得到介质的物理化学性质。基于此原理，检测超声可用于表征聚合物共混物的相容性、高分子加工性能、界面性质和松弛行为，对于某些化学反应，检测超声可在线跟踪其化学变化过程。检测超声不改变介质的性能，实现无损检测。当超声波在共混物液体中传播时，超声速度会随着组分含量的变化而变化。如果速度和含量的关系为线性，则说明共混物是相容的；在不相容的共混物溶液中，两者的关系呈S形；而速度与含量的关系处于线性和S形之间时，表明共混物是半相容体系。当组分含量变化时，若超声衰减系数只出现一个最大值和一个最小值，说明体系是相容的，反之则不相容。

如何控制颗粒大小、获得较窄且均匀的颗粒粒度分布以及如何保证粉末的化学纯度是纳米材料制备的关键。目前，国内对材料颗粒的检测大都采用光学方法，显微镜法的测量下限取决于它的分辨距离。当两个颗粒相距很近，其边沿之间的距离小于分辨率时，由于光的衍射效应，两个颗粒的图像会衔在一起，似乎是一个颗粒而不能分辨它们；若一个颗粒的粒径小于分辨极限，则该颗粒图像的边缘会变得模糊不清。虽然一些特殊的显微镜如电子显微镜，使用波长很短的电子束可以使测量下限扩展到纳米级，但由于光学方法对测样有光透性的要求，所以像汽车润滑剂这样的高浓度测样必须先稀释，因而无法满足先进生产工艺在线检测的要求。

同样，在生物活性炭、微滤、膜生物反应器等水处理过程中，如何实时在线监测出水水质是提高水处理的运行效率和保障水质卫生安全的关键。目前，国内外对颗粒物(包括微生物)的检测大都采用浊度法和颗粒物计数法(2004年中国给水排水第4期第71-73页)。但是，浊度法对水中粒径＞1μm颗粒的检测精度和敏感度显著下降，测定值往往偏低。由于水中致病原生动物个体的尺寸＞1μm，例如贾第虫、隐孢子虫的大小在2-10μm之间，因此仅以浊度作为上述出水水质的监控参数，难以有效地保证出水的致病原生动物的卫生安全；而颗粒物计数法一般只适宜于粒径＞2μm的颗粒物的检测，因而也无法满足先进生产工艺在线检测的要求。

而超声检测方法则无这一限制。当超声在材料试样中传播时，由于其中的微米/纳米颗粒对超声有散射和吸收作用，导致超声声速及声能的衰减，超声测粒技术就是通过测量试样中超声声速和衰减系数来得到纳米颗粒的粒径大小和尺寸这种方法比很多现有的颗粒粒径测量方法更具优势，因为它良好的穿透力无需浸入测样并保证测样的无损；具有快速测量的能力；还可用于那些高浓度和不透明的被测体系，这一优点对于测量像润滑剂和汽油这种高浓度、不透光的试样很有意义。

检测采用超声波乳化和加入乳化剂等不同方法混合后油水两相介质声速与含水的关系。按照一定的体积比例配制油水两相介质经超声波乳化30分钟，分别加入乳化剂S80、T80，使其进一步混合均匀，并测定油水两相实验介质的声速。不同方法混合后油水两相介质声速与含水的关系如图7所示。可以看出随着含水的升高油水两相介质声速逐渐增大，油水两相介质声速和含水率明显成线性关系，而且混合越均匀线性关系越明显。

多相流静态实验研究表明：油水两相实验介质声学速度和振幅与相含率有着一定的函数关系，并且介质的混合均匀程度对声学速度有一定的影响(参见图5)：

(1)含水对声速的影响：油水两相实验介质声学速度随着含水的升高逐渐增大呈现一种函数递增关系，且检测含水分辨率可以达到5％。

(2)含水对振幅的影响：油水两相实验介质振幅随着含水升高逐渐增大。

(3)混合效果的影响：介质的混合均匀效果对声学速度有一定的影响，混合越均匀，乳化效果越好，声学速度越大，而且在低含水时效果明显。这主要是低含水时油相含量高，混合效果对声学速度的影响比高含水时要大。

此外，还发现介质温度对声速和振幅也有影响：油水两相实验介质声学速度随着温度升高而逐渐增大，振幅随着温度的升高而逐渐下降。

多相流动态实验研究表明：油、水两相或油、气、水多相实验介质声学速度、振幅与相含率(含水率、含气率-气量)有着一定的函数关系，并且管路角度、流型流态对声学速度和振幅有一定的影响(参见图6～11)：

(1)纯水、纯油动态声速和振幅差距：在动态实验下两者的声学速度差距和振幅差距都很大，声学速度差最大达59.6512m/s，振幅差最大达0.5115V，从而为利用UTDR和超声波衰减法检测动态含水提供了理论基础和技术依据(参见图6～7)。

(2)含水对声速的影响：无论在油水两相流的垂直、倾斜、水平管状态还是油气水三相流垂直管状态，多相流声速都随着含水的升高逐渐增大，且分辨率检测含水可以达到2％。

(3)含水对振幅的影响：在油水两相流的垂直、倾斜和油气水三相流垂直管状态多相流振幅随着含水升高逐渐增大，水平管状态关系不明显。

(4)流量对声速的影响：在垂直管状态油水两相流和油气水三相流同样含水率下总流量越大多相流声速越小成一种函数递减关系，但水平管状态关系时成函数递增关系，倾斜管实验数据还不足说明。

(5)流量对振幅的影响：在垂直管状态油水两相流和油气水三相流同样含水率下总流量越大多相流介质超声信号振幅越小，呈现一种函数递减关系，水平管状态关系不明显，倾斜管实验数据还不足说明。

(6)在油水两相流的垂直、倾斜和油气水三相流垂直管状态多相流声速和振幅随着含水变化其变化具有一定的一致趋势性，水平管状态关系不明显。

(7)气量对声速和振幅的影响：油气水三相流垂直管路状态相同含水率下气量越大多相流声速和振幅越小，都呈现一种函数递减关系。

(8)声速和振幅变化一致性关系：在垂直管路油水各单相流情况下随流量的增大，声速升高、振幅下降两者成反比关系；在油水两相流的垂直和倾斜管路下随着含水增大声速和振幅也都逐渐增大，变化趋势一致；在油水两相流的垂直和水平管路下随着流量增大声速和振幅也都逐渐增大，变化趋势一致；油气水三相流垂直管路状态声速和振幅随着含水、油水流量、气量变化两者变化趋势一致。

(9)垂直管路下小流量5m³/d高含水情况下分辨率能达到2％。

本发明检测方法及检测装置数据处理及软件编程是基于以下研究成果：

设：多相流物质的声学速度为C；

超声波传播时间为ΔT，ΔT＝T₂-T₁，

T₁-超声波到达实验容器内壁A的时间s；

T₂-超声波到达实验容器内壁B的时间s；

ΔT-被测多相流物质的超声波传播时间s。

多相流物质的相含率为X；多相流物质的流量为F；多相流物质的温度为T；检测超声波的振幅为V；

研究表明，多相流物质的声学速度C、超声波振幅V与相含率X、多相流物质流量为F或多相流物质温度T之间存在一定的函数关系，可分别表达为：

多相流物质相含率X与声学速度C之间存在函数关系f(X)＝C。f(X)＝C与装有多相流物质容器或管道的状态无关。无论装有多相流物质容器或管道是在垂直、倾斜或水平状态，声学速度C与多相流物质的相含率X都存在函数关系f(X)＝C。多相流物质各相的混合均匀程度对声学速度C有一定的影响，混合越均匀声学速度C越大。

多相流物质相含率X与多相流超声波振幅V之间存在函数关系f(X)＝V。

多相流物质流量F与声学速度C之间存在函数关系f(F)＝C。f(F)＝C与装有多相流物质容器或管道的状态有关。装有多相流物质容器或管道在垂直状态下，多相流物质流量F越大，多相流声学速度C就越小，两者成一种递减函数关系；而多相流物质容器或管道在水平状态下时，f(F)＝C函数关系为递增函数关系。

多相流物质流量F与超声波振幅V之间存在函数关系f(F)＝V。多相流物流量F越大，多相流物质超声信号振幅V就越小，也呈现一种递减函数关系。

本发明多相流物质的检测方法是将超声波传感器贴敷安装在被检测装有多相流物质的容器或管道外壁上，利用传感器发出超声波在穿透被测多相流物质，遇到多相流物质的相界面时，具有不同的超声波传播时间和振幅现象来区别多相流物质不同的相。根据声波(机械波)传播原理，由于不同的物质具有不同的声阻抗，从不同的声阻抗的表面反射时，其反射波的振幅是不同的，也即不同的物质具有不同的声阻抗，超声波从不同声阻抗的表面反射回来的反射波的超声波传播时间和振幅的信号不同。当用超声波对多相流物质进行穿透时，多相流物质的相含率、流动速度(流量)、流动型式或状态(流型流态)等相参数对超声波的传播时间和振幅都会造成一定的影响，使传播时间和振幅发生变化。这些变化可以通过超声波传感器和数据采集系统等现有的测试设备，或者设计专门的检测设备把它转换为电信号来测量。对所得测量参数进行一系列科学计算后，从而可检测出被检测多相流物质的不同相参数。

采集到的超声波反射波信号进入数据处理系统进行处理。数据处理系统可由示波器、电路、单片机、嵌入式计算机、计算机、虚拟仪器系统等组成。

本发明所述的检测方法实施的测试系统组成可采用以下几种方式：

1.超声波传感器(超声波探头、超声波探头及信号预处理一体化传感器)示波器、超声波发射接受仪器和计算机系统组成。

2.超声波传感器(超声波探头、超声波探头及信号预处理一体化传感器)、数据采集线路和嵌入式计算机系统及显示器组成。

3.超声波传感器(超声波探头、超声波探头及信号预处理一体化传感器)、信号采集处理电路及单片机、液晶显示器组成。

4.超声波传感器(超声波探头、超声波探头及信号预处理一体化传感器)、信号采集处理电路及虚拟仪器系统组成。

5.可采集到超声波传感器信号，并进行数据处理的其它方式，如超声波传感器(超声波探头)和对超声波信号进行采集和放大、滤波等处理电路及对经电路处理过的信号进行运算显示的电子仪器等组成。

本发明所述的实验检测系统组成的仪器设备本身都是现有技术。本发明实施例所用的装有多相流物质的容器或管道虽然为工业常用的圆柱体或圆形横截面，但本发明检测方法所述装有多相流物质的容器或管道的截面形状没有限制，可以是工业使用的任何横截面形状的容器或管道。

本发明所述检测方法的数据处理计算和软件编程所依据的公式如下：

1.超声波检测声速公式：

S＝[(T₂-T₁)×C]/2                    (1)

其中，S-装多相流物质实验容器的内径m；

C-声学速度m/s；

T₁-超声波到达实验容器内壁A的时间s；

T₂-超声波到达实验容器内壁B的时间s；

ΔT-被测多相流物质的超声波传播时间s。

2.超声波检测振幅公式

当声波垂直入射时，其声压反射系数可表示为

$R=\frac{p_r}{p_i}=\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}---\left(2\right)$

Z＝ρC

式中，p_i-入射波声压振幅；

      p_r-反射波声压振幅；

      Z-为介质的声阻，kg/m²s；

      1，2-界面两边的介质；

      ρ-介质密度，kg/m³；

      C-介质中的声速，m/s。

3.声压衰减公式：

P_x＝P₀e^-αx                             (3)

式中，P_x-离声源距离为x处的声压；

      P₀-声源发出的声压；

      x-声波传播的距离；

      α-衰减系数；

      e-自然对数的底。

4.声压衰减规律公式：

$P_x=2P_{0}f\left(x\right)e^{-\mathrm{\αx}}=2P_0\sin [\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{D_S^2}{4}}+x^2-x]e^{-\mathrm{\αx}}---\left(4\right)$

式中，f(x)声压随声程变化的函数表达式，包括了扩散衰减在内的声压随声程增大而按正弦规律递减的衰减规律，其衰减系数α为散射衰减系数α_s和吸收衰减系数α_a之和，即：α＝α_s+α_a

散射衰减系数α_s和吸收衰减系数α_a

α_s＝C₂Fd³f⁴            (d≤λ)

α_s＝C₃Fdf²              (d≈λ)

α_s＝C₄F/d                (d≥λ)

吸收衰减系数α_α＝C₁f

D_s-晶片直径；

f-频率；

C₁-材料的系数；

C₂、C₃、C₄-材料的散射系数；

F-材料的各向异性因子；

d-晶粒直径。

上述各公式中的参数都可以通过该本发明涉及的超声波传感器\数据采集\处理系统等获得。

本发明检测方法涉及的计算公式、数据采集和处理量虽然很大，但利用计算机和采用现代数据处理技术完成这些分析计算并不困难。所述的软件编程对业内人士也不需要创造性劳动。

本发明未述及的适用于现有技术。

本发明不仅可以用于多相流物质如工业中的原油，汽油、柴油等成品油的密度、各相含量以及流量的测量；江河流域水流中泥沙含量的测量；水工业中水质变化、水中颗粒/微生物含量的测量；化工中多相物质密度等的测量；食品行业中的牛奶、饮料等的静态或动态(流动状态)下的含量、密度、浓度、分布或称为相含率和流量(流速)的测量以及多相流物质流动状态下流型流态等相参数的检测和/或监测，而且还可以进行多相流物质内部相界面的识别划分，多相流理论和应用的深入研究等。很显然，本发明检测方法和检测装置还适用于单相流物质的上述检测内容的实时在线检测。

Claims (4)

1.一种多相流物质的检测方法，该方法利用超声波反射法、超声波穿透法和超声波衰减法来检测多相流物质，具体检测方法为：

(1).将与超声波发射接收仪连接的超声波传感器贴敷安装在被检测装有多相流物质的容器或管道的外壁上；

(2).用超声波发射接收仪通过超声波传感器发射和接收超声波时域信息；

(3).把所接收的超声波时域信息输入与超声波发射接收仪连接的数据信息采集处理系统中，采用超声时域法、频率域法以及振幅域法、傅立叶变换、差动信号法或/和小波分析等方法对所输入的超声波数据信息进行分析处理，计算或连续计算出多相流物质的声学速度。

2.根据权利要求1所述的多相流物质的检测方法，其特征在于所述的超声波传感器为两个或两个以上时，其中的一个超声波传感器向被检测的多向流物质内发射超声波，而由另一个或一个以上的超声波传感器接收透过该多向流物质的超声波信号。

3.一种多相流物质的检测装置，该装置适用于权利要求1或2所述的多相流物质的检测方法，包括超声波传感器和数据采集处理系统，数据采集处理系统包括依次线路连接的超声波发射接收仪、信号接受器和计算机及相应软件；所述的超声波发射接收仪通过信号传输线路与所述的超声波传感器相连接，所述的超声波传感器检测时可贴敷安装在被检测装有多相流物质的容器或管道的外壁上。

4.根据权利要求3所述的多相流物质的检测装置，其特征在于所述的超声波传感器为2-10个。

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