基于超声衰减机理模型的油水两相流相含率测量方法

摘要

本发明涉及一种基于超声衰减机理模型的油水两相流相含率测量方法，采用一个主接收传感器以及6个辅助超声接收传感器；步骤如下：设主接收传感器的检测信号V2，6个辅助超声接收传感器辅助接收传感器的检测信号分别为V3……V8，计算检测信号V2，V3……V8与激励信号V1的超声强度衰减；计算管道内油水两相流流体的总超声衰减系数和各个辅助超声接收传感器的超声扩散衰减量之和；检测主接收传感器接收到信号和信号发射传感器发出激励信号的渡越时间；计算油水两相散射参数；计算出油水两相流的各相含率。本发明能够提升分含水率的估计精度。

说明书

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种基于超声声强衰减机理的测量方法，用于油水两相流相含率的非接触式测量。

技术背景

在自然界以及动力、石油、化工、冶金以及航空航天等工业生产过程中多相流动现象广泛存在。例如在石油工业中，油井内的流体常为油、气、水三种流体同时存在于；在电厂发电过程中，作为燃料的煤粉在输送过程中为气、固相同时存在。石油开采中最常见的多相流现象就是油水两相流。随着现代工业生产的高速发展，生产工艺的规模的扩大和工艺的复杂，对多相流中各流动参数测量精度的要求也越来越高，准确地测量多相流流动参数对生产过程以及工艺管理的优化有着十分重要的意义。单相流体的动力学特性相对简单，多相流体不同于单相流体，两相流或三相流流动特性十分复杂，它具有非线性、相间滑脱等流动特征，其参数测量问题仍然是一个较为困难的课题。

相含率的检测是多相流测试技术研究中的一项重要参数指标。根据其测量原理可以分为：电学测量法、射线法、快关阀直接测量、声学法测量、光学法测量、核磁共振法以及微波法等。基于超声波技术的测量方法是一种非接触式的检测手段，通过分析超声波透射衰减或者反射的超声波信号，可获得被测流体的浓度和速度等参数。但是，采用超声波技术实现多相流相含率测试时，存在响应非线性等问题

基于超声波衰减原理的相含率检测方法具有结构简单、成本低等优点。超声仪表具有非侵入特性且能实现“即夹即用”的功能。应用超声波技术实现多相流参数的检测，具有不受被测介质矿化度影响、不干扰流场、不存在流体腐蚀、磨损，适用于非透光性、非导电性介质等优点，特别是超声波对油水相界面具有较灵敏的感应能力。因此，针对油水两相流过程参数的超声波技术的基本测试机理，采用有限元分析法，通过建立油水两相流的相介质分布模型。对不同的流动结构下在进行声场仿真，获得超声压的分布信号进行分析，实现油水两相流相含率的表征。本发明提出一种基于超声波衰减机理的两相流含率测试装置，利用超声传感器接收端接收信号与发射信号之间的声强差计算相含率，计算速度快，响应线性化。

CN2005101237388公布了一种超声波水流量测量系统，是通过传动系统带动超声波测厚仪，测量出不规则截面的水域上的若干采样点的水深值，并通过水流计测出水流速度，然后通过控制系统计算出该水域的截面面积后，再得到水流量。这种系统通过了中间参数水流速度信息间接转换，存在信息互换之间的不稳定性以及测量范围的局限性。

CN2014103282688中超声传感器阵列包括两组超声探头阵列，每组探头阵列由多个分布在被测管道相同截面位置的探头构成。但是在离散相含率很低时，超声传感器相应存在非线性的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种重复性好，灵敏度较高的两相流相含率非接触式测量方法。本发明的技术方案如下：

一种基于超声衰减机理模型的油水两相流相含率测量方法，所采用的装置包含超声换能器、信号发生单元、激励电路单元、激励与接收探头通道选择单元、检测电路单元和流动参数计算单元。所述的超声换能器包含信号发射传感器和接收传感器，接收传感器又分为主接收传感器和辅助接收传感器，所述的信号发射传感器和主接收传感器分别直线正对安装在管道的底部和顶部；六个辅助接收传感器均匀分布在信号发射传感器和主接收传感器的两侧；所述的信号发生单元与激励电路单元以及声压检测器相连，信号发生单元产生脉冲电压信号，通过激励电路单元对信号发射传感器进行激励，激励与接收探头通道选择单元和接收传感器相连接，实现各个接收传感器分别接收信号。步骤如下：

步骤1：当管道内通过被测流体时，信号发生单元产生脉冲信号，通过激励电路单元向信号发射传感器施加激励信号，带有一定幅值和频率的超声波通过被测区域，到达主接收传感器以及6个辅助超声接收传感器，各辅助接收传感器的检测信号通过激励与接收探头通道选择单元选通接收传感器，与检测电路单元相连，接收电路单元得到接收传感器的电压信号，然后送入信号解调模块，通过对信号进行解调处理。

步骤2：设主接收传感器的检测信号V₂，6个辅助超声接收传感器辅助接收传感器的检测信号分别为V₃……V₈，计算检测信号V₂，V₃……V₈与激励信号V₁的超声强度衰减其中，l为信号发射传感器和主接收传感器的距离，n为2,3……8；

步骤3：计算管道内油水两相流流体的总超声衰减系数和各个辅助超声接收传感器的超声扩散衰减量之和

步骤4：检测主接收传感器接收到信号和信号发射传感器发出激励信号的渡越时间t，计算吸收衰减量 其中，f为声波频率；η为连续相粘度；ρ为连续相密度，c为两相流体声速，t为检测主接收传感器接收到信号和超声发射端发出激励信号的渡越时间；n和m分别表示f和c的指数，受温度T的影响，n取值为2，m取值为3。

步骤5：计算油水两相散射参数其中，k为连续相中超声波的波数，即其中， c₀为连续相中声速；R为离散相液滴半径；Re[A₀]代表取A₀实部，参数A₀为离散相分波波幅；

步骤6：利用多物理场仿真实验计算a边界修正系数，由边界积分与边界的主接收传感器和6个辅助 超声接收传感器之和的比值得1.2225，实际试验矫正b测量模型误差参数，b为带入基于超声衰减机理模型公式计算出油水两相流的各相含率。

本发明的有益效果及优点如下：

1、通过一发多收式的传感器排列方式获得不同方位的声压信息得到液-液分布的油相含率。八个超声换能器均匀分布在管道同一截面，通过一发多收式的传感器排列方式，获取各个传感器的声压信息来计算各个方位的超声衰减量，以此为基本测量值做基于超声衰减机理的数学模型计算来测量液-液分布的各相含率。以非侵入方式获取两相流相含率，避免了超声检测的非线性响应，且无需对测量流体进行预分离或混合。

2、该方法为不受被测介质矿化度影响、不干扰流场、不存在流体腐蚀、磨损，适用于非透光性、非导电性介质等；

3、测量方便，速度快，成本低，能够准确地测量管道内油水两相流的相含率，降低非线性度。

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本发明的测量方法采用的基于超声衰减机理模型的油水两相流相含率测量方法一发多收式多传感器安装方式结构示意图；

图2本发明的测量方法采用的基于超声衰减机理模型的油水两相流相含率测量方法实验系统示意图；

图3本发明的工作方式下相含率的仿真实验曲线结果。

具体实施方式

以下详细描述制造和操作本发明的步骤，旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。

下面结合说明书附图详细说明本发明的优选实施例。

如图1所示，超声波发射端发出一定频率和强度的超声波，经过油水两相的吸收等衰减机制后，到达超声波信号接收端。由于不同大小的油泡分布对超声波的吸收程度不同，在接收端上得到的超声波衰减程度也就不同。根据油泡大小与超声波强度衰减之间的关系，可测得油相含率。在油水两相流中，超声衰减系数α为：

$\alpha =-\frac{ln(V_2/V_1)}{l}$

式中，V₁和V₂分别表示超声波发射端和接收端的声波强度(声压)，l为发射端与接收端的距离。

本发明的测量方法采用的基于超声衰减机理模型的油水两相流相含率测量方法传感器安装方式结构示意图。图1中八个超声换能器均匀分布在管道同一截面的排列方式，即探头由八个分布在被测管道相同截面位置的探头构成。管道顶端和底部为超声换能器的超声波发射端和超声波主接收端，两者垂直对应。辅助超声换能器3、4、5和超声换能器6、7、8平均分布在管道两侧，超声波发射端和超声波主接收端两侧。

图2描述了超声信号发生与检测单元结构。基于超声衰减机理模型的油水两相流相含率测量装置包含信号发生单元、激励电路单元、激励与接收探头通道选择单元、发射端超声探头、接收端超声探头、检测电路单元、信号解调模块和流动参数计算单元。信号发生单元通过激励电路单元和激励与接收探头通道选择单元相连，信号发生单元产生脉冲的电压信号。根据系统设定要求在激励信号发生模块中实现激励信号的产生，通过激励与接收探头通道选择单元按要求选通超声传感器的对应探头。激励电路单元对超声发射端1进行激励，超声传感器1产生超声信号，使激励信号通过电声转换功能产生超声波。当多相流体流过，超声波在通过传播路径时，经过油水两相的吸收等衰减机制后，到达管道底部的主超声波信号接收端，并有一部分超声波被侧壁的辅助超声接收探头接收。超声幅值的衰减幅度与超声传播路径中的离散相相含率有直接关系。各传感器的接收信号通过激励与接收探头通道选择单元选通接收传感器，与检测电路单元相连。该检测电路对各个接收探头的电压信号进行检测，送入信号解调模块，通过对信号进行解调处理。最后将检测结果送入流动参数计算单元，实现两相流相含率的计算。

图3本发明多传感器结构方式下相含率的模型计算实验曲线结果，以水包油两相流为例。设边界修正系数a为1.2225。测量模型误差参数b为提取水包油流型中不同含油率时，各个接收端超声波衰减系数仿真数据，并且以实际收发端获得的超声衰减值为依据，得到利用衰减机理模型的含油率计算值。曲线表明，表明含油率整体在斜率为1的直线上散点分布。在实际含油率大于37.87％计算值出现负数，算法失效。由此证明，基于超声衰减机理模型的油水两相流相含率测量方法在离散相含率低于35％左右时现实可行。下面以油包水两相流为例，对本发明的两相流相含率测量方法进行说明，该方法也可用于如水包油两相流等其他两相流含率测量中。

利用上述测量装置的测量方法步骤如下：

步骤1：八个传感器环绕圆形管道平均排列方式下，当管道内通过油水两相流时，信号发生单元产生的脉冲信号，通过激励电路单元向超声波发射端1施加激励信号，带有一定幅值和频率的超声波通过被测区域，最后到达接收主超声传感器接收端2以及辅助超声接收端3、4……8。各传感器的接收信号通过激励与接收探头通道选择单元选通接收传感器，与检测电路单元相连。超声波接收电路得到的各个接收传感器的电压信号，然后送入信号解调模块，通过对信号进行解调处理。其中V₁是超声发射传感器1在油水两相介质中产生的发射电压，V₂，V₃……V₈为超声接收端得到的接收电压。

步骤2：将步骤1中所得到的超声接收端得到的接收电压V₂和超声发射信号V₁一起分别送入信号检测器，得到检测信号与激励信号的比值，再将结果送入流动参数计算单元，得到超声油水两相流的总衰减量，衰减系数α定义为：

$\alpha =-\frac{ln(V_2/V_1)}{l}---\left(1\right)$

式中，V₁和V₂分别表示超声波发射端和接收端的声波强度(声压)，l为发射端与接收端的距离。

V₃……V₈和超声发射信号信号V₁一起送入信号检测器，得到检测信号V₃……V₈分别与激励信号V₁的比值，进而计算超声油水两相流的边界扩散衰减量α_D：

${\alpha }_D=-\underset{n=3}{\overset{8}{\Sigma }}\frac{ln(V_n/V_1)}{l}---\left(2\right)$

步骤3：检测主接收传感器接收到信号和超声发射端发出激励信号的渡越时间t，利用吸收公式^[1～3]计算超声发射端发出的超声波在检测区域产生的吸收衰减α_T

${\alpha }_T=\frac{K\left(T\right)f^{n\left(T\right)}\eta \left(T\right)}{{\mathrm{\rho c}}^{m\left(T\right)}\left(T\right)}---\left(3\right)$

其中，在经典公式中，系数ω＝2πf声波圆频率，f为声波频率；η为连续相粘度；ρ连续相密度；c两相流体声速，由声程与传播时间(超声波发射端发出声波与收到回波的时间差t)的比值计算，即n和m分别表示f和c的指数，受温度T的影响。n在经典公式中取值为2，m在经典公式中取值为3。检测主接收传感器接收到信号和超声发射端发出激励信号的渡越时间t，分别取样测定和温度有关的各项参数，计算吸收衰减系数。在水包油流型中，两相性质如表1所示。当f取1MHz，T为25摄氏度时；η为0.01(Pa·s)；为998(kg·m^-3)，这时

表1 两相参数

步骤4：计算和油水两相散射参数

$G=\frac{2k^2{R}^3}{3\mathrm{Re}\left[A_0\right]}---\left(4\right)$

其中，k为连续相中超声波的波数，即其中，c₀为连续相中声速；R为离散相液滴半径，在本发明中取值为试验离散相平均半径1mm。Re[A₀]代表取A₀实部，参数A₀为离散相分波波幅，由改进的ECAH模型^[4]求解，即由方程式

$\left(\begin{array}{c}{A}_0\\ {A_0}^{\prime }\\ B_0\\ {B_0}^{\prime }\end{array}\right)=-{{\left[M\right]}_{AH}}^{-1}\times \left(\begin{array}{c}{a}_c{j_n}^{\prime }\left(a_c\right)\\ \eta \left[\right({a_s}^2-2{a_c}^2\left)j_n\right(a_c)-2{a_c}^2{j_n}^{\prime \prime }(a_c\left)\right]\\ b_c{j}_n\left(a_c\right)\\ \kappa a_c{b}_c{j_n}^{\prime }\left(a_c\right)\end{array}\right)---\left(5\right)$

求得。其中，

$\begin{array}{c}{\left[M\right]}_{AH}\\ =\left(\begin{array}{cccc}{a}_c{h_n}^{\prime }\left(a_c\right)& {a_c}^{\prime }{j_n}^{\prime }\left(a_c\right)& a_T{h_n}^{\prime }\left(a_T\right)& {a_T}^{\prime }{j_n}^{\prime }\left({a_T}^{\prime }\right)\\ \eta \left(\begin{array}{c}({a_s}^2-2{a_c}^2)h_n\left(a_c\right)\\ -2{a_c}^2{h_n}^{\prime \prime }\left(a_c\right)\end{array}\right)& \eta \left(\begin{array}{c}({a_s}^2-2{a_c}^{\prime 2})j_n\left({a_c}^{\prime }\right)\\ -2{a_c}^{\prime 2}{j_n}^{\prime \prime }\left({a_c}^{\prime }\right)\end{array}\right)& \eta \left(\begin{array}{c}({a_s}^2-2{a_T}^2)h_n\left(a_T\right)\\ -2{a_T}^2{h_n}^{\prime \prime }\left(a_T\right)\end{array}\right)& \eta \left(\begin{array}{c}({a_s}^2-2{a_T}^{\prime 2})j_n\left({a_T}^{\prime }\right)\\ -2{a_T}^{\prime 2}{j_n}^{\prime \prime }\left({a_T}^{\prime }\right)\end{array}\right)\\ b_c{h}_n\left(a_c\right)& {b_c}^{\prime }{j}_n\left({a_c}^{\prime }\right)& b_T{h}_n\left(a_T\right)& {b_T}^{\prime }{j}_n\left({a_T}^{\prime }\right)\\ {\mathrm{\kappa a}}_c{b}_c{h_n}^{\prime }\left(a_c\right)& {\kappa }^{\prime }{a_c}^{\prime }{b_c}^{\prime }{j_n}^{\prime }\left({a_c}^{\prime }\right)& {\mathrm{\kappa a}}_T{b}_T{h_n}^{\prime }\left(a_T\right)& {\kappa }^{\prime }{a_T}^{\prime }{b_T}^{\prime }{j_n}^{\prime }\left({a_T}^{\prime }\right)\end{array}\right)\end{array}---\left(6\right)$

其中，a_c，a_s，a_T分别为离散相半径和压缩波波数，剪切波波数以及热波波数的乘积，η为连续相粘度，κ为连续相热导率，j_n为Spherical>n为SphericalHankel函数，即>p为连续相质量定压比热容，T₀为温度，取25摄氏度，β为两相流中超声波数公式中用上撇号“’”的参数表示在计算此项时，取离散相物质的相关物理系数。Re[A₀]只与两相性质和超声波发射端发出声波到接收到声波信号的时间差t有关。在水包油流型中，c₀为水中声速1497(m·s^-1)；R为油滴半径取平均值1mm，则>

步骤5：在水包油或者油包水油水两相模型下，超声波经过两相流流体作用后的总衰减可表示为：

α＝α_R+α_T+α_D>

式中：α_R为超声散射衰减，α_T为超声吸收衰减，α_D为超声扩散衰减。

将公式(1)，(2)，(3)带入公式(7)可得

$\alpha =\frac{3{\phi }_V}{2k^2{R}^3}\mathrm{Re}\left[A_0\right]+\frac{K\left(T\right)f^{n\left(T\right)}\eta \left(T\right)}{{\mathrm{\rho c}}^{m\left(T\right)}}+-\underset{n=3}{\overset{8}{\Sigma }}\frac{ln(V_n/V_1)}{l}---\left(8\right)$

整理可得两相流离散相含率φ_V计算关系式为

${\phi }_V=G·[-\frac{ln(V_2/V_1)}{l}-\frac{K\left(T\right)f^{n\left(T\right)}\eta \left(T\right)}{{\mathrm{\rho c}}^{m\left(T\right)}}-a·(-\underset{n=3}{\overset{8}{\Sigma }}\frac{ln(V_n/V_1)}{l})]+b$

即

其中，a为边界修正系数，b为测量模型误差参数。

多物理场仿真实验计算a边界修正系数，在水包油流型中，由边界积分与边界7个接收传感器之和的比值得1.2225。实际试验矫正b测量模型误差参数，实际水包油动态试验得到其取值为 由上面各步骤所得结果，带入基于超声衰减机理模型公式(9)得到，在水包油流型中，当f取1MHz，T为25摄氏度时； ${\phi }_V=\frac{2\times {10}^3}{3\mathrm{Re}\left[A_0\right]\times {1467}^2}\left[-\frac{\ln \left(V_2/V_1\right)}{l}-\frac{4\times {10}^{-10}{\pi }^2{t}^3}{1497l^3}-1.2225\times \left(-\underset{n=3}{\overset{8}{\Sigma }}\frac{\ln \left(V_n/V_1\right)}{l}\right)\right]+\frac{1}{8}\left(-\frac{\ln \left(V_2/V_1\right)}{l}-3\right).$

本发明只需检测超声发射端激励信号V₁和各个超声接收端的声压信号值V₂，V₃……V₈，超声波发射端发出声波与收到回波的时间差t和距离l来求解相含率。

本发明以均匀混合条件下的介质为例求解相含率，当流体结构为层流时，也可使用该方法进行计算。

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