[發(fā)明專利]基于電學(xué)與超聲敏感原理的多相流可視化測試方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410328237.2
• 申請日: 2014-07-10
• 公開（公告）號: CN104089985A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董峰;董虓霄;譚超
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04;G01N27/22;G01N29/032
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 程毓英

1.一種基于電學(xué)與超聲敏感原理的多相流可視化測試方法，用于對流經(jīng)被測管道的多相流體進行測量，所用測量裝置包括電學(xué)傳感器陣列、超聲傳感器陣列、電學(xué)信號發(fā)生與檢測單元、超聲信號發(fā)生與檢測單元、電學(xué)測量數(shù)據(jù)相分布重建單元、超聲測量數(shù)據(jù)相分布重建單元、流動參數(shù)計算與可視化單元；所述的電學(xué)傳感器陣列包括兩組及兩組以上分布在被測管道不同截面位置的電極陣列，每組電極由多個分布在被測管道相同截面位置的電極構(gòu)成；所述的超聲傳感器陣列包括兩組及兩組以上分布在被測管道不同截面位置的探頭陣列，每組探頭陣列由多個超聲探頭構(gòu)成；所述的電學(xué)傳感器陣列與超聲探頭在被測管道上同時安裝，無安裝順序要求，可交叉位置安裝，同時工作，組成一套雙模態(tài)傳感器陣列；電學(xué)信號發(fā)生與檢測單元選通電學(xué)傳感器陣列中的一對電極作為激勵電極對，其中一個電極為激勵電極，另一個電極為接地電極，在所述激勵電極對之間建立電學(xué)敏感場，測量其余電極間電勢差；超聲信號發(fā)生與檢測單元選通超聲傳感器陣列中的一個探頭發(fā)出超聲波，另一個或多個探頭接收超聲波，并將超聲強度轉(zhuǎn)換為電信號；電學(xué)信號發(fā)生與檢測單元所獲信號送入電學(xué)測量數(shù)據(jù)相分布重建單元，進行電學(xué)參數(shù)分布重建；超聲信號發(fā)生與檢測單元所獲信號送入超聲測量數(shù)據(jù)相分布重建單元，進行聲阻抗參數(shù)分布重建；以上所重建后的各測量截面相分布信息一起送入流動參數(shù)計算與可視化單元實現(xiàn)相分布與流速分布的重建。

該測量方法包括下列步驟：

1).采集電學(xué)傳感器陣列信號與超聲傳感器陣列信號；

2).根據(jù)電學(xué)傳感器陣列測量數(shù)據(jù)和超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)，結(jié)合特征提取與分類算法，實現(xiàn)多相流流型的識別；

3).利用所述電學(xué)傳感器陣列與超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)進行油氣水多相流相分布重建，定義截面2a和2b為上游測量截面，簡稱截面a；定義截面2b和5b為下游測量截面，簡稱截面b：

a.根據(jù)流型識別結(jié)果判斷連續(xù)相是否導(dǎo)電，若連續(xù)相導(dǎo)電，將電學(xué)傳感器陣列視為電導(dǎo)傳感器陣列，設(shè)采用電導(dǎo)傳感器測量數(shù)據(jù)結(jié)合圖像重建算法分別實現(xiàn)兩個電學(xué)傳感器被測截面(2a，2b)內(nèi)的電導(dǎo)率分布σ^a(x,y)與σ^b(x,y)，利用二值化方法獲得截面a內(nèi)水相分布和截面b內(nèi)水相分布其中x與y為像素坐標，若像素(x,y)為水相，則其值為1，若像素(x,y)為氣相或油相，則該值為0；

b.若連續(xù)相為非導(dǎo)電相，將電學(xué)傳感器陣列視為電容傳感器陣列，采用電容傳感器測量數(shù)據(jù)結(jié)合圖像重建算法分別實現(xiàn)兩個電學(xué)傳感器被測截面(2a，2b)內(nèi)的介電常數(shù)分布ε^a(x,y)與ε^b(x,y)，利用二值化方法獲得截面a內(nèi)水相分布和截面b內(nèi)水相分布若像素(x,y)為水相，則其值為1，若像素(x,y)為氣相或油相，則該值為0；

c.利用超聲傳感器陣列測量數(shù)據(jù)結(jié)合圖像重建算法分別實現(xiàn)兩個超聲傳感器被測截面(5a，5b)內(nèi)的聲阻抗分布Z^a(x,y)與Z^b(x,y)，利用二值化方法獲得截面a內(nèi)氣相分布和截面b內(nèi)氣相分布若像素(x,y)為氣相，則其值為1，若像素(x,y)為水相或油相，則該值為0；

d.設(shè)為截面a內(nèi)的相分布，且各像素值均為1，由于油、氣、水三相充滿管道截面，因此可得油相分布foa(x,y)=fAa(x,y)-fga(x,y)-fwa(x,y)]]>其中，若像素(x,y)為油相，則其值為1，若像素(x,y)為水相或氣相，則該值為0；同理獲得截面b內(nèi)水相分布氣相分布與油相分布

4).利用所獲得的各種相分布圖像，對上游測量截面a、下游測量截面b的每一對應(yīng)像素間采用互相關(guān)測速方法獲得該點的流速u_icc：

a.按照上游和下游劃分兩組電學(xué)傳感器陣列和兩組超聲傳感器陣列的測量數(shù)據(jù)，對于所獲重建圖像中的每一像素采用互相關(guān)算法進行計算，獲得流體流經(jīng)上游和下游的傳感器陣列對應(yīng)像素點的延遲時間τ_x,y，根據(jù)公式計算出各像素點處的相關(guān)速度u_x,y，進而獲得速度分布u(x,y)，式中L為上游的電學(xué)傳感器陣列的測量截面(2a)與上游的超聲傳感器陣列(5a)的軸向中心位置，與下游的電學(xué)傳感器陣列的測量截面(2b)與下游的超聲傳感器陣列(5b)的軸向中心位置的間距。

b.根據(jù)水相分布和氣相分布和以及油相分布和結(jié)合速度分布u(x,y)，可分別獲得水相速度分布u_w(x,y)，氣相速度分布u_g(x,y)和油相速度分布u_o(x,y)；

5).綜合以上相分布與流速分布重建結(jié)果，計算多相流各分相參數(shù)：

a.利用相分布圖像重建結(jié)果，計算各分相含率：分別利用水相分布氣相分布以及油相分布計算水相所占像素數(shù)氣相所占像素數(shù)以及油相所占像素數(shù)因此可計算出截面a內(nèi)水相含率氣相含率αga=NgaNwa+Nga+Noa]]>與油相含率αoa=NoaNwa+Nga+Noa,]]>且油、氣、水三相含率同理分別獲得截面b內(nèi)水相含率氣相含率與油相含率對截面a與截面b所計算出的分相含率做平均，得到平均水相含率平均氣相含率αg=αga+αgb2]]>與平均油相含率αo=αoa+αob2;]]>

b.對各分相流速分布取平均，可分別獲得水相平均流速，氣相平均流速和油相平均流速。