[發明專利]基于電容檢測裝置的油氣兩相流液塞運動速度和長度測量方法

有效

• 申請號: 201410366839.7
• 申請日: 2014-07-29
• 公開（公告）號: CN104101730A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發明（設計）人: 王鑫;祁雷;何利民;張曉凌;呂宇玲;羅小明
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01P5/18
• 分類號: G01P5/18;G01B7/02
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司 37201
• 代理人: 張中南;邱岳

1.基于電容檢測裝置的油氣兩相流液塞運動速度和長度測量方法，其特征在于所述的電容檢測裝置包括：

兩組雙凹面電容電極裝置(1、2)，通過同軸電纜與所述雙凹面電容電極裝置(1、2)連接的信號源與電容電壓轉換集成電路(4)，與信號源與電容電壓轉換集成電路(4)相連的采集板卡(5)和計算機(6)；

所述信號源和電容電壓轉換集成電路(4)根據計算機(6)的控制程序輸出激發交流電，并向采集板卡(5)輸出測量電壓，計算機(6)通過數據處理軟件對采集板卡(5)采集到的測量電壓進行處理，并計算出測量電壓對應的體積相含率、進行數據存儲并在顯示器上實時顯示；

所述的雙凹面電容電極裝置(1、2)包括用于安裝在絕緣管道(3)外壁上的雙凹面電容電極組(7)、用于將雙凹面電容電極組(7)緊固在絕緣管道(3)外壁上的絕緣填充材料(8)，以及緊固在絕緣填充材料(8)外側的銅保護外殼(9)；上述雙凹面電容電極組(7)包括兩片形狀完全相同的弧形銅片，且緊貼在絕緣管道(3)兩側并對稱放置；

所述的測量方法包括以下步驟：

1)將與信號源和電容電壓轉換電路(4)相連接的兩組雙凹面電容電極裝置(1、2)安裝在待測量的絕緣管道(3)上；兩組雙凹面電容電極裝置(1、2)的兩端間距設置為不小于管徑的10倍；

2)通過對MS3110芯片(10)的CS2IN，CS1IN，CSCOM進行參數設置的方式，使測量得到的管內滿油最高電壓和管內滿氣最低電壓值的差值處于2V～4V之間；由于與該芯片配合使用的采集板卡5的采壓范圍為+5V～-5V，控制差值位于2V～4V之間可使采集的曲線便于波形分析辨識；

3)設置參數完畢后，通過電容電壓轉換電路(4)對絕緣管道(3)內的油氣兩相流的流動過程中產生的電容信號轉換成電壓信號，然后以采集板卡(5)對該電壓信號進行采集，并將采集到的電壓信號進行采集存儲；

4)然后讀取采集電壓，根據差值法電壓信號處理方法，計算出每個液塞上的電壓特征點；具體是：利用公式

V＝V_ref*1.14*GAINSEL*(CS2IN-CS1IN)/CSCOM+V_ref

其中，V_ref＝2.25V，為MS3110芯片(10)設置調整電壓，為固定值；1.14為該公式的常數；GAINSEL為放大倍數，單位V/V，由芯片自身決定；CSCOM為MS3110芯片(10)的內置積分電容，單位pF；以上參數均為預制參數；CS2IN為靠近出口端位置的雙凹面電容電極裝置(2)測量到的電容、CS1IN靠近入口端位置的雙凹面電容電極裝置(1)測量到的電容，單位pF；

然后根據公式得到兩組雙凹面電容電極裝置(1、2)在各自位置測量的電容值所對應的輸出電壓信號分別是V₁和V₂；

該電壓信號V是隨時間的變化曲線：V₁＝f₁(t)，V₂＝f₂(t)；

將兩條曲線電壓值做差V₂-V₁＝f₂(t)-f₁(t)＝f₃(t)，得到差值曲線V₃＝f₃(t)；

然后分析差值曲線V₃＝f₃(t)，單個液塞對應的曲線具有先有波谷后有波峰的類余弦曲線特征，設曲線上任意一點的斜率為dV₃/dT＝k，時間為T，絕緣管道(3)內液塞區以外為液膜區，而液膜區的電壓是穩定的，通過液膜區電壓值V_const，計算得到三個拐點(特征點)：

當T≥0.03S后，(由于當V₃≈V_const，即V₃在V_const±0.1V范圍內時為過渡狀態，該狀態時無拐點，而該狀態持續時間至少為0.03S)，若存在第一個k<0，定義此拐點為A點，即液塞頭部經過第一組雙凹面電容測量裝置(1)時對應點；

在A點之后，對于k>0時的各段曲線，若一段曲線內各點的斜率所對應的傾角之差在2度之內，則定義該段曲線為具有相同斜率的曲線段，然后比較各個曲線段的斜率的大小，定義k值最大的曲線段的起始點為B點，即液塞頭部經過第二組電容測量裝置(2)時對應點；

在B點之后，存在斜率由k<0變為k＝0的過程，若V₃在V_const±0.1V范圍內穩定持續0.03S，可認為該曲線段的斜率k＝0，將該曲線段的第一點定義為C點，即液塞尾部經過第二組電容測量裝置(2)時對應點。

5)通過以下液塞速度和長度計算公式計算每個液塞的速度和長度；具體如下：

讀取三個拐點分別對應的時間，得到T₁，T₂，T₃；

然后利用公式V_S＝L/(T_B-T_A)計算液塞速度，其中Vs為單個液塞速度，L為兩組雙凹面電容電極裝置中心間距，T_B為特征點B對應時間，T_A為特征點A對應時間：

得到該液塞的速度Vs＝L/(T₂-T₁)；

再利用公式L_S＝V_S×(T_C-T_A)-L計算液塞長度，其中Ls為單個液塞長度，Tc為特征點C對應時間：

得到液塞長度Ls＝Vs×(T₃-T₁)-L

6)對于每一個液塞重復上述計算，從而得到各個液塞的速度和長度。