连续波超声多普勒谱修正的两相流流速测量方法与流程

本发明属于流体测量技术领域，设计一种超声传感器与电学传感器相结合的测量方法，用于两相流流速的非扰动式测量。

技术背景

两相流广泛存在于日常生活与各种工业的实际生产过程中，如在生物工程，化工产业，冶金工业，石油产业等行业中普遍涉及到两相流问题。相比于单相流而言，由于两相流的相间存在着复杂的界面效应与相对速度，且流型复杂多变，因此其过程参数的在线准确检测十分困难，一直是工程技术和科学研究领域急需解决而迄今尚未很好解决的研究课题。对于石油产业而言，油水两相流广泛存在于石油的开采、运输及存储过程中，其流速(流量)和含水率的准确测量对于产量的估计和生产安全的保证具有重要的意义。

目前，对于两相流流速(流量)测量的研究已有很多，包括利用传统的单相流量计，如孔板、文丘里、差压式流量计等，还包括一些新兴的基于多相流特性的测量方法，如电学法、超声法，射线法，微波法等。超声法和电学法作为一种非侵入的测量方法，具有传感器结构简单、原理明确、成本低廉、对流体无扰动等优点，在多相流过程参数测量中的应用越来越广泛。基于连续波的超声多普勒流速测量方法是依据多普勒效应的基本原理，由发射声波与接收到声波的频率差获得反射体的运动速度，其物理意义明确。对于水平管油水两相流，由于油和水在密度和动态粘度上存在差异，导致在不同分相含率时，出现某一相为离散相，而另一相为连续相的情况。而离散相通常以分散的小液滴的形式随连续相一起流动。由于在测量空间内部存在多液滴或液滴团，最终的多普勒频移体现是液滴多重反射与流速的综合结果，传统的方法是利用平均多普勒频移计算流体的流速，得到的是测量空间内离散相的平均流速。但是，对于连续波的超声多普勒方法其测量空间并非整个测量管道，而是集中于管道中心的一个测量区域，由于流速剖面的存在，离散相的平均流速并非为两相流总平均流速。并且，由于油水两相密度和动态粘度的差异性，其含率分布复杂多变，含率分布的变化会影响测量区域内离散相的数量、位置及流速，进而会影响多普勒能量谱和离散相平均流速的获取。因此含率对于离散相的平均流速与两相流总平均流速之间的关系具有十分重要的影响。同时，分相含率会对流体中超声的传播速度造成影响，所以将超声多普勒传感器与电学传感器组合使用，在获得两相流分相含率的基础上，全面建立基于含率影响的两相流流速的计算模型。

专利CN 104155358A提出一种基于超声/电学多传感器的多相流可视化测试装置，利用超声探头与电导/电容传感器模式组合，同时获取被测多相流体的流速、含率等可视化信息。本发明专利是在该专利测试装置基础上，利用该装置获取的超声多普勒信息以及电导/电容传感器模式获取的分相含率信息，共同实现两相流平均流速与分相流速的计算。

专利CN 104101687 B在专利CN 104155358A提出的测试装置基础上实现了一种基于超声多普勒与电学多传感器的多相流可视化测试方法。

专利CN 104965104 A和专利CN 105181996 A分别在专利CN 104155358A提出的测试装置基础上实现了一种基于超声多普勒与电学多传感器的两相流流速声电双模态测量方法。本发明专利与该专利同样用于两相流平均流速与分相流速测量，但基于不同理论基础建立测量模型，计算方法和步骤也完全不同。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种利用声电双模态测量方法，通过获取被测两相流的超声多普勒流速与分相含率，计算两相流总流速与分相流速。本发明的技术方案如下：

一种两相流总流速与分相流速的声电双模态测量方法，所采用的传感器由一对超声多普勒探头和一套电学传感器构成，电学传感器具有两种工作模式，一种模式为电导传感器模式，一种模式为电容传感器模式，所述超声多普勒探头包括一个超声发射探头和一个超声接收探头，用于发射和接收超声波，所述超声发射探头与超声接收探头与水平方向以夹角β安装，超声发射探头安装于水平管道顶端，超声接收探头安装于水平管道底端，保证所述超声探头对与管道中心处于同一纵向截面内，该双模态测量方法包含如下步骤：

(1)获取两相流分相含率：当两相流的连续相为导电相时，采用电导传感器模式的测量数据获取含水率α_w与含油率α_o；当连续相为非导电相时，采用电容传感器模式的测量数据获取水相含率α_w与油相含率α_o，其中α_w+α_o＝1；

(2)计算两相流中的混合声速：利用水相含率α_w与油相含率α_o计算两相流的混合声速c_m＝c_wα_w+c_oα_o，其中c_w与c_o分别代表水中声速与油中声速；

(3)获取测量空间内离散相的平均流速：通过对超声接收探头所获取的接收信号进行傅里叶变换可得到其频率f，将其与超声发射探头的激励频率f₀相减，即可得到由测量空间内流体运动所引起的频移f_d，测量空间内离散相的平均流速其中，为由测量空间内多液滴引起的多普勒平均频移，S_d(f_d)为多普勒频移f_d的功率谱；获得测量空间内两相流平均流速

(4)计算相含率加权多普勒流速系数K：K为整个管道内流体的平均流速J与测量区域内流体的平均流速u_s之间的比值，K≈aα²+bα+c，其中α为离散相的含率，a,b,c为待定参数，根据不同实验条件标定；

(5)计算管道内两相流总平均流速J：在连续相不同的情况下，通过(3)中超声多普勒测量结果和(4)中相含率加权多普勒流速系数K获取管道内流体的总平均流速J＝K·u_s；

(6)获取分相流速：计算得到水相流速：J_w＝J·α_w和油相流速：J_o＝J·α_o。

本发明的实质性特点是：利用超声多普勒测量信息与相含率估计信息获取两相流在超声测量空间内的离散相的平均流速，利用电学传感器判断连续相并获取两相流的分相含率，进而获得两相流中的混合声速。通过基于含率加权的多普勒能量模型确定含率分布对两相流总平均流速与测量空间内两相流平均流速的比例系数，建立两相流平均流速的计算模型。最终通过多普勒测速和分相含率实现不同流态下两相流总流速和分相流速的准确获取。本发明的有益效果及优点如下：

1、该方法为非扰动式、非侵入式测量，不会对流体产生任何的干扰；

2、测量方便简单，速度快，成本低，能够准确地测量管道内两相流的平均流速与分相含率。

附图说明

以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：

图1本发明的测量方法中连续波超声多普勒传感器结构示意图

图2本发明的测量方法中半径为R的圆形管道在y-z截面的速度环及含率的高斯分布示意图。

图3本发明的测量方法流速计算步骤。

具体实施方式

下面结合说明书附图详细说明本发明的计算方法。

图1为本发明的测量方法中连续波超声多普勒传感器结构示意图。本发明专利所用超声探头包括一个超声发射探头4a和一个超声接收探头4b，并与管道1以夹角β安装。所述超声探头4a安装于管道顶部，超声探头4b安装于管道底部，并保证探头4a、4b与管道中心处于同一纵向截面内。发射探头4a发射连续正弦波，声波在流体2中传播，受到轴向长度为A，高度为H(具体计算方法参考CN 105181996A)的测量空间3内离散相的液滴的散射后由超声接收探头4b接收。可由多普勒效应，通过计算接收声波与发射声波之间的频率差，计算出测量空间3中的离散相平均速度。

图2为本发明的测量方法中半径为R的圆形管道在y-z截面的速度环及含率的高斯分布示意图。连续的流速分布被离散成M个同心的流速环，不同速度环内流体的流速为不同的定值且越靠近管道中心流速越大。多普勒能量谱为在测量空间内每个速度环产生的能量谱的总和。由于含率分布的非均匀性会对离散相的位置、速度、数量信息造成影响，进而会对多普勒能量谱产生影响，故引入含率加权因子。假设含率在x，y方向上均匀分布，在z方向满足均值为μ方差为σ的高斯分布。μ为离散相液滴集中分布的位置，由于油水两相的密度差异，在流型不同时，μ的位置不同。定义为分布均匀尺度，表征离散相分布的均匀程度，W为高斯分布最大幅值中点处所对应的带宽，有

图3为本发明的超声与电学传感器测速方法计算流程图。下面以油水两相流为例，对本发明的两相流相含率测量方法进行说明，本方法也可用于如气液等其他两相流测量中。两相流流速测量方法计算步骤如下：

步骤1：利用电学传感器的组合测试方式计算两相流的相含率，混合声速并判断连续相。

(1)获取两相流分相含率。当两相流的连续相为导电相时，采用电导传感器模式的测量数据获取含水率α_w与含油率α_o；当连续相为非导电相时，采用电容传感器模式的测量数据获取含油率α_o与含水率α_w，其中α_w+α_o＝1。具体实现方法参见专利CN 104155358A。

(2)利用水相含率α_w与油相含率α_o计算两相流的混合声速：

c_m＝c_wα_w+c_oα_o (1)

其中，c_w与c_o分别代表水中声速与油中声速。

连续相的判断通过电学传感器实现，水连续时，电导传感器模式数据有效；油连续时，电容传感器模式数据有效。

步骤2：通过测量方法中超声探头的发射和接收数据进行处理获取测量空间内离散相的平均流速。

由于油和水在密度和动态粘度上存在差异，导致在不同分相含率时，出现某一相为连续相，而另一相为离散相并通常以分散的液滴的形式随连续相一起流动。通过对超声接收探头4b所获取的接收信号进行傅里叶变换可得到其频率f，将其与超声发射探头4a的激励频率f₀相减，即可得到由测量空间3内流体运动所引起的频移f_d＝f-f₀。由于在测量空间内部存在多液滴或液滴团，从而导致声波经过多重反射，造成其频谱具有多峰的性质，因此计算其平均频移：

其中，S_d(f_d)为频移f_d的功率谱。因此，测量空间内离散相的平均流速为：

其中，c_m＝c_wα_w+c_oα_o是两相流的混合声速，c_w与c_o分别代表水中声速与油中声速。并且认为为测量区域内平均流速u_s的测量值，

步骤3：建立含率加权的多普勒能量谱模型，并计算含率加权因子α_m。

(1)将测量截面内流体的流速分布离散成M个同心的速度环，M的取值受流速分辨率影响，通常式中表示向上取整函数，u_max为管道中心处最大流速，vs为流速分辨率。在满足流速分辨率要求的基础上按照流速剖面对每个环内的流速赋常数值u_m＝(m+0.5)vs，其中，m表示环的编号，在0-M-1之间取值，(m+0.5)表示对每个环的中心线赋值代表该环内的流体速度。每个环内的能量谱为式中，N为傅里叶点数，ω_m为采样点数，f_m为流速为u_m时对应的多普勒频移，由多普勒效应可知第m个速度环内的频移为λ为超声波波长。

(2)由于流体在不同环内的流速不同，且在观测开始时离散相液滴的位置随机，造成在观测时间内采样点数的差别。将速度大于A/T₀的速度环称为快环，否则称为慢环，式中A为测量区域的轴向长度，T₀为观测时间。此外由于含率及其分布不仅会影响超声在介质中的声速，并且会影响测量区域内泡的数量、位置、流速，最终对多普勒功率谱造成影响。因此最终能量谱的计算要在考虑含率含率分布的影响作用的前提下，分快环和慢环将测量区域内所有环产生的能量谱进行加和得到最终的多普勒能量谱。

则快环产生的能量谱为：

慢环产生的能量谱为：

总的能量谱为：

式中，Na为测量区域内最外层的环，tt_m＝A/v_m为快环内液滴穿过测量区域的渡越时间，m_t为低速环和高速环之间的过渡环，ρ_m为第m个环内的离散相的密度，α_m为含率分布的影响因子。

(3)确定含率分布影响因子α_m的表达形式。在半径为R的圆形管道内建立三维笛卡尔坐标系，假设离散相含率分布在x，y方向上是均匀分布，在z方向上满足高斯分布的形式式中，μ和σ分别为高斯分布的均值和方差，分别与离散相分布的集中位置和均匀程度有关。定义为分布均匀尺度，表征离散相分布的均匀程度，W为高斯分布中幅值中点所对应的带宽，有为方便计算进行变量替代z＝r_m cosθ，式中θ为第m个流速环上极小的切片与z轴的夹角，r_m为第m个流速环距离管道轴线的距离，它与速度分布规律有关，在水连续时满足式中n为流速分布系数，水连续情况下一般取值6-7；在油连续时满足则由第m个流速环产生的能量谱应该由以下因子进行加权修正：将σ²用W_f替代并将r_m的表达式代入，可得第m个环上的能量谱的含率加权因子：

水连续时：

油连续时：

步骤4：利用含率加权的多普勒能量谱模型计算相含率加权多普勒流速系数K，确定两相流平均流速的计算模型。

(1)测量空间内离散相的平均流速与整个管道内两相流总平均流速存在一定的比例关系，该比例关系受流速分布受流速分布和含率分布的影响。利用步骤3中介绍的含率加权的多普勒能量谱模型计算测量区域和整个管道内的能量谱ST_s、ST_J，并计算整个管道的多普勒平均频移和测量区域内的多普勒平均频移

(2)相含率加权多普勒流速系数K为整个管道内流体平均流速J与测量区域内流体平均流速u_s之间的比值，受含率分布影响，利用(1)中参数计算因此比值K的计算包含了含率分布对多普勒能量谱的修正关系。K可以展开成离散相含率α的表达式，K≈aα²+bα+c，其中a,b,c为待定参数，根据不同实验条件标定。

(3)最终得到两相流总平均流速的计算模型为：

J＝K·u_s＝(aα²+bα+c)·u_s (9)

其中，待定参数在水连续时的典型取值为：a＝-0.70,b＝0.39,c＝0.71，在油连续时的典型取值为：a＝0.10,b＝0.58,c＝0.53。

步骤5：计算两相流总平均流速J和分相流速。

(1)在连续相不同的情况下，通过步骤1中相含率的测量结果、步骤2中超声多普勒测量结果和步骤4中相含率加权多普勒流速系数K获取两相流平均流速：

J＝K·u_s≈(aα²+bα+c)·u_s (10)

(2)获取分相流速。利用电学传感器所得到的分相含率进一步计算得到水相流速：

J_w＝J·α_w (11)

油相流速：

J_o＝J·α_o (12) 。