一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置及方法。该装置包括近红外发射装置、近红外接收装置、数据采集单元和计算机。所述近红外发射装置所发射的近红外光属于不可见光，不可见光受外界环境影响小，单色性及稳定性好，能远距离精确跟踪热目标，探测能力强，作用距离远，因此可在环境比较恶劣的情况下（如油井产出的黑色不透光的流体介质中）测量气液两相流的截面相含率。所述近红外发射装置和近红外接收装置安装在管道的外壁，对管道内气液两相流的流动特性没有影响，故可在不分离气液两相流的情况下实现实时、在线测量。本装置响应时间短，可以进行高频测量，可以准确地确定气液两相流的截面相含率；而且设备简单，操作方便。
【专利说明】一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多相流相含率测量方法，具体地说是一种测量管道内气液两相流 的截面相含率的装置及方法。
【背景技术】
[0002]气液两相流(S卩“气液两相流体”的简称)广泛存在于石油、化工、能源、动力等众多 工业过程中。“相含率”是表征气液两相流特征的重要参数之一，它的在线测量对于两相流 系统的状态监控、实时控制、安全运行、节能增效等均有重要作用。
[0003]目前测量相含率的方法有:快速启闭阀门法、射线吸收/散射法、基于可见光的光 学法、热学法、电学法和微波法等。快速启闭阀门法准确有效，主要用于测量装置的标定和 在实验室测量管道的平均截面含气率；但是采用该方法测量时会切断流体的正常流动，因 此不能在线、实时测量管道相含率。射线吸收法测量过程中存在与辐射操作有关的安全问 题，并且气泡和孔隙率随时间的脉动对测量结果有一定的影响；射线散射法测量则需要较 长时间的计数。基于可见光的光学法对所测量的介质有一定的限制，要求使用场合清洁度 高，被测介质能透过可见光；光的发射和接收元件也容易受污染，致使其应用范围受到限 制。热学法受气液介质的比热准确度的影响，致使测量结果不够准确。电学法受介电常数 的影响，而介电常数受介质的矿化度影响较大，影响测量准确度。微波法本质上也属于电学 法，与电学法具有相同的缺点。
[0004]除了上述几种相含率的测量方法外，还有基于红外技术的测量方法。例如:(1)红 外水分测量装置，用于测量粉粒状固体中的含水量；(2)用于气液两相流分析的红外线检 测装置，采用1.44iim?2.44 iim波长红外光，属于液态水浓度检测领域，适用于对电解制 氧装置水分分离后氧气流中的液态水浓度的检测；(3)气体中油污含量的红外三点检测装 置，是对气体中油污含量检测的光学检测分析仪，在样品池中完成；(4)用红外线检测气液 两相流流型的装置，采用940nm红外线波长，用于检测流动在测试管内气液两相流的流型。 以上几种红外装置应用到多相流领域，主要是针对静态的(在样品池中进行测量)、稳定的、 特定的低含水率流体进行气液两相流流型检测，因此采用上述红外装置还不能实时、在线、 动态地对气液两相流的相含率进行测量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一就是提供一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，以 解决现有的装置不能实时、在线、动态地对气液两相流的相含率进行测量的问题。
[0006]本发明的目的之二就是提供一种测量管道内气液两相流的截面相含率的方法，以 解决现有的测量方法不能对气液两相流的相含率进行在线测量以及应用范围受限、测量结 果准确度低等的问题。
[0007]本发明的目的之一是这样实现的:一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装 置，包括:[0008]近红外发射装置，安装在管道外壁，用于发射近红外光信号，所发射的近红外光信 号穿过管道的管壁及管道内的气液两相流；所发射的近红外光的波长与管道内气液两相流 中液相流体的近红外吸收光谱中的次强峰所对应的波长相同；
[0009]近红外接收装置，安装在与所述近红外发射装置处于同一横截面的管道外壁上， 并与所述近红外发射装置以管道的截面圆心为对称设置，用于接收由所述近红外发射装置 发射、并经管道的管壁和管道内的气液两相流透射过来的近红外光信号，再从所接收到的 所述近红外光信号中提取光强信号，最后转换为感应电压信号输出；
[0010]数据采集单元，分别与所述近红外接收装置和计算机相接，用于采集由所述近红 外接收装置输出的感应电压信号，在将所接收的所述感应电压信号进行放大、解调、滤波及 模数转换后，以数字电压信号的形式发送给计算机；以及
[0011]计算机，包括数据处理单元、存储单元和显示单元，所述数据处理单元用于对所接 收到的所述数字电压信号进行处理后得到特征值，根据所述特征值和管道内气液两相流的 流向及欧氏距离公式来识别管道内气液两相流的流型，再根据管道内气液两相流的流向、 流型和对应的截面含液率的求解公式，分别计算出管道内气液两相流的截面含液率和截面 含气率。
[0012]所述近红外发射装置有至少两个，所述近红外接收装置与所述近红外发射装置的 数量和位置一一对应；所述近红外接收装置与所述近红外发射装置在管道横截面上以过管 道截面圆心的一条直线为对称分布。
[0013]所述近红外发射装置为近红外激光二极管发射探头，所述近红外接收装置为近红 外硅光电二极管接收探头。
[0014]所述管道为有机玻璃管道或石英玻璃管道。
[0015]所述特征值包括均值、方差、峭度、频率重心、斜度和峰值因子。
[0016]本发明中的近红外发射装置所发射的近红外光属于不可见光，不可见光受外界环 境影响小，单色性及稳定性好，能远距离精确跟踪热目标，探测能力强，作用距离远，因此可 在环境比较恶劣的情况下(例如油井产出的黑色不透光的流体介质中)测量气液两相流的 截面相含率。近红外发射装置和近红外接收装置安装在管道的外壁，对管道内气液两相流 的流动特性没有影响，故可在不分离气液两相流的情况下实现实时、在线测量。本测量装 置响应时间短，可以进行高频测量，可以准确地确定气液两相流的截面相含率；而且设备简 单，操作方便。
[0017]本发明的目的之二是这样实现的:一种测量管道内气液两相流的截面相含率的方 法，包括如下步骤:
[0018]a、将近红外发射装置和近红外接收装置安装在处于同一横截面的管道外壁上，且 使所述近红外发射装置和所述近红外接收装置以管道的截面圆心成对称分布；
[0019]b、将数据采集单元分别与所述近红外接收装置和计算机相连接，并使各工作部件 与电源相接；
[0020]C、控制所述近红外发射装置发射近红外光信号，所发射的近红外光的波长与管道 内气液两相流中液相流体的近红外吸收光谱中的次强峰所对应的波长相同；所发射的近红 外光信号穿过管道的管壁及管道内的气液两相流；
[0021]d、所述近红外接收装置接收由所述近红外发射装置所发射、并经管道的管壁和管道内的气液两相流透射过来的近红外光信号，再从所接收到的所述近红外光信号中提取光强信号，最后转换为感应电压信号输出；
[0022]e、所述数据采集单元采集由所述近红外接收装置输出的感应电压信号，在将所接收的所述感应电压信号进行放大、解调、滤波及模数转换后，以数字电压信号的形式发送给计算机；
[0023]f、所述计算机中的数据处理单元在对所接收到的数字电压信号进行处理后得到特征值，之后根据所述特征值和管道内气液两相流的流向及欧氏距离公式来识别管道内气液两相流的流型，再根据管道内气液两相流的流向、流型和对应的截面含液率的求解公式分别计算出管道内气液两相流的截面含液率和截面含气率。
[0024]步骤f中所述特征值包括均值、方差、峭度、频率重心、斜度和峰值因子；所述气液两相流中的液相流体为水，所述气液两相流的不同流向及不同流型所对应的截面含液率的求解公式分别为:
[0025]I)、水平流向下泡状流所对应的截面含液率的求解公式为:
[0026]fln = 0.0556x + 0.0829.V + 0.9348
[0027]式中J为均值，s为方差；
[0028]2)、竖直流向下泡状流所对应的截面含液率的求解公式为:
[0029]凡=0,0025;-0.437 l.y+ 1.0239
[0030]式中:I为均值，s为方差；
[0031]3)、水平流向下环状流所对应的截面含液率的求解公式为:
[0032]Pw = -0.6273x + 0.855Ix4 +18.2972^7； -54.5570?/?^ + 41.0346
[0033]式中:X为均值，Fg为频率重`心；
[0034]4)、竖直流向下环状流所对应的截面含液率的求解公式为:
[0035]Pw = 0.7323.V -1.bills1 +1.2012^-10.6584^ + 23.6913
[0036]式中:s为方差，Fg为频率重心；
[0037]5)、水平流向下分层流所对应的截面含液率的求解公式为:
[0038]Bu =-1.5456^ + 0.3019^' + 0.5362.V + 0.2798C2 + 1.2340
/ W
[0039]式中:5为均值，s为方差，C为峰值因子；
[0040]6)、竖直流向下弹状流所对应的截面含液率的求解公式为:
[0041]久=3 1.48761-82.4076^+ 54.0794
[0042]式中:I为均值；
[0043]7)、竖直流向下乳沫状流所对应的截面含液率的求解公式为:
[0044]^ w=-33.0443C+16.0996C2_0.0166Fg+17.2983
[0045]式中:C为峰值因子，Fg为频率重心。
[0046]本发明通过在管道外壁安装近红外发射装置和近红外接收装置，由近红外发射装置发射近红外光信号，所发射的近红外光的波长与管道内气液两相流中液相流体的近红外 吸收光谱中次强峰所对应的波长相同，因此当所发射的近红外光穿过管道内的气液两相流 时，气液两相流中的液相流体将会吸收部分近红外光的能量，气液两相流中的截面含液率 越高，被吸收的近红外光的能量越多，透射过去的近红外光的能量越少。本发明通过测量透 射过去的近红外光的能量，由近红外接收装置将透射光强信号转换为感应电压信号，之后 由计算机中的数据处理单元对实测感应电压信号进行处理以得到特征值，再根据管道内气 液两相流的流向及欧氏距离公式识别管道内气液两相流的流型，最后根据管道内气液两相 流的流向、流型及对应的截面含液率的求解公式，分别计算出管道内气液两相流的截面含 液率和截面含气率。采用本测量方法不用对气液两相流进行分离，可实现实时、在线、快速、 准确测量的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]图1是本发明测量管道内气液两相流的截面相含率的装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0048]实施例1:测量管道内气液两相流的截面相含率的装置。
[0049]如图1所示，本发明测量管道内气液两相流的截面相含率的装置包括近红外发射 装置1、近红外接收装置2、数据采集单元3和计算机4。
[0050]近红外发射装置I用于发射近红外光(波长为780nm?2500nm)信号，近红外接收 装置2用于接收由近红外发射装置I所发射、并经管道5的管壁及管道5内的气液两相流 透射出来的近红外光信号，并将接收到的光信号转换为电信号，数据采集单元3从近红外 接收装置2处采集电信号并发送给计算机4，计算机4中的数据处理单元对数据采集单元3 所采集的电信号进行处理，通过特征提取、流型识别，最终计算出气液两相流中的截面相含 率。
[0051]近红外发射装置I可以为近红外激光二极管发射探头，近红外接收装置2可以为 近红外硅光电二极管接收探头。近红外发射装置I和近红外接收装置2还可以均采用光纤 探头来实现近红外光的发射和接收。近红外发射装置I和近红外接收装置2成对设置，两 者安装在处于同一横截面的管道5外壁上，且两者以管道5的截面圆心0为对称设置，以保 证由近红外发射装置I发射、并经管道5的管壁及管道5内的气液两相流透射出来的近红 外光信号可被近红外接收装置2所接收。管道5可以为水平管道，也可以为竖直管道。管 道5的材质应该是能够被近红外光透射(或穿透)过去的材料，即近红外窗口材料，例如有机 玻璃、石英玻璃等。图中示出了四对近红外发射装置I和近红外接收装置2，这四对近红外 发射装置I和近红外接收装置2均匀分布在同一横截面的管道5外壁上，相邻近红外发射 装置I或近红外接收装置2之间的夹角为45°。当然，不均匀分布也可以实施。设置多对 近红外发射装置I和近红外接收装置2的目的是为了使近红外光从多角度、多方位穿过管 道5内的气液两相流，以保证所测数据能够真实、准确地反映管道5内的气液两相流，减少 测量误差。
[0052]当光通过有吸光性质的某一均匀介质时，其光强就会减弱，而被吸收的值取决于 光程中所存在的分子数，与入射光的强度无关，其定量分析基于Lambere-Beer定律。若平行单色入射光强度为1，通过一薄层dL,能量减少了 _dl,则Lambere-Beer定律可表示为:
[0053]-dI=k10dL
[0054]式中:k为比例常数，该比例常数与入射光波长和分子吸收性质有关，对上式从0 到L积分可得:
[0055]
【权利要求】
1.一种测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，其特征是，包括:近红外发射装置，安装在管道外壁，用于发射近红外光信号，所发射的近红外光信号穿过管道的管壁及管道内的气液两相流；所发射的近红外光的波长与管道内气液两相流中液相流体的近红外吸收光谱中的次强峰所对应的波长相同；近红外接收装置，安装在与所述近红外发射装置处于同一横截面的管道外壁上，并与所述近红外发射装置以管道的截面圆心为对称设置，用于接收由所述近红外发射装置发射、并经管道的管壁和管道内的气液两相流透射过来的近红外光信号，再从所接收到的所述近红外光信号中提取光强信号，最后转换为感应电压信号输出；数据采集单元，分别与所述近红外接收装置和计算机相接，用于采集由所述近红外接收装置输出的感应电压信号，在将所接收的所述感应电压信号进行放大、解调、滤波及模数转换后，以数字电压信号的形式发送给计算机；以及计算机，包括数据处理单元、存储单元和显示单元，所述数据处理单元用于对所接收到的所述数字电压信号进行处理后得到特征值，根据所述特征值和管道内气液两相流的流向及欧氏距离公式来识别管道内气液两相流的流型，再根据管道内气液两相流的流向、流型和对应的截面含液率的求解公式，分别计算出管道内气液两相流的截面含液率和截面含气率。
2.根据权利要求1所述的测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，其特征是，所述近红外发射装置有至少两个，所述近红外接收装置与所述近红外发射装置的数量和位置一一对应；所述近红外接收装置与所述近红外发射装置在管道横截面上以过管道截面圆心的一条直线为对称分布。
3.根据权利要求1所述的测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，其特征是，所述近红外发射装置为近红外激光二极管发射探头，所述近红外接收装置为近红外硅光电二极管接收探头。
4.根据权利要求1所述的测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，其特征是，所述管道为有机玻璃管道或石英玻璃管道。
5.根据权利要求1~4任一项所述的测量管道内气液两相流的截面相含率的装置，其特征是，所述特征值包括均值、方差、峭度、频率重心、斜度和峰值因子。
6.一种测量管道内气液两相流的截面相含率的方法，其特征是，包括如下步骤:a、将近红外发射装置和近`红外接收装置安装在处于同一横截面的管道外壁上，且使所述近红外发射装置和所述近红外接收装置以管道的截面圆心成对称分布；b、将数据采集单元分别与所述近红外接收装置和计算机相连接，并使各工作部件与电源相接；C、控制所述近红外发射装置发射近红外光信号，所发射的近红外光的波长与管道内气液两相流中液相流体的近红外吸收光谱中的次强峰所对应的波长相同；所发射的近红外光信号穿过管道的管壁及管道内的气液两相流；d、所述近红外接收装置接收由所述近红外发射装置所发射、并经管道的管壁和管道内的气液两相流透射过来的近红外光信号，再从所接收到的所述近红外光信号中提取光强信号，最后转换为感应电压信号输出；e、所述数据采集单元采集由所述近红外接收装置输出的感应电压信号，在将所接收的所述感应电压信号进行放大、解调、滤波及模数转换后，以数字电压信号的形式发送给计算机；f、所述计算机中的数据处理单元在对所接收到的数字电压信号进行处理后得到特征值，之后根据所述特征值和管道内气液两相流的流向及欧氏距离公式来识别管道内气液两相流的流型，再根据管道内气液两相流的流向、流型和对应的截面含液率的求解公式分别计算出管道内气液两相流的截面含液率和截面含气率。
7.根据权利要求6所述的测量管道内气液两相流的截面相含率的方法，其特征是，步骤f中所述特征值包括均值、方差、峭度、频率重心、斜度和峰值因子；所述气液两相流中的液相流体为水，所述气液两相流的不同流向及不同流型所对应的截面含液率的求解公式分别为:1)、水平流向下泡状流所对应的截面含液率的求解公式为:
【文档编号】G01N21/359GK103558179SQ201310468132
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】方立德, 赵宁, 孔祥杰, 李小亭, 董芳 申请人:河北大学