一種測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置及方法。該裝置包括近紅外發(fā)射裝置、近紅外接收裝置、數(shù)據(jù)采集單元和計算機。所述近紅外發(fā)射裝置所發(fā)射的近紅外光屬于不可見光，不可見光受外界環(huán)境影響小，單色性及穩(wěn)定性好，能遠距離精確跟蹤熱目標，探測能力強，作用距離遠，因此可在環(huán)境比較惡劣的情況下（如油井產(chǎn)出的黑色不透光的流體介質(zhì)中）測量氣液兩相流的截面相含率。所述近紅外發(fā)射裝置和近紅外接收裝置安裝在管道的外壁，對管道內(nèi)氣液兩相流的流動特性沒有影響，故可在不分離氣液兩相流的情況下實現(xiàn)實時、在線測量。本裝置響應時間短，可以進行高頻測量，可以準確地確定氣液兩相流的截面相含率；而且設(shè)備簡單，操作方便。
【專利說明】一種測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多相流相含率測量方法，具體地說是一種測量管道內(nèi)氣液兩相流 的截面相含率的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣液兩相流(S卩“氣液兩相流體”的簡稱)廣泛存在于石油、化工、能源、動力等眾多 工業(yè)過程中?！跋嗪省笔潜碚鳉庖簝上嗔魈卣鞯闹匾獏?shù)之一，它的在線測量對于兩相流 系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、實時控制、安全運行、節(jié)能增效等均有重要作用。
[0003]目前測量相含率的方法有:快速啟閉閥門法、射線吸收/散射法、基于可見光的光 學法、熱學法、電學法和微波法等。快速啟閉閥門法準確有效，主要用于測量裝置的標定和 在實驗室測量管道的平均截面含氣率；但是采用該方法測量時會切斷流體的正常流動，因 此不能在線、實時測量管道相含率。射線吸收法測量過程中存在與輻射操作有關(guān)的安全問 題，并且氣泡和孔隙率隨時間的脈動對測量結(jié)果有一定的影響；射線散射法測量則需要較 長時間的計數(shù)?；诳梢姽獾墓鈱W法對所測量的介質(zhì)有一定的限制，要求使用場合清潔度 高，被測介質(zhì)能透過可見光；光的發(fā)射和接收元件也容易受污染，致使其應用范圍受到限 制。熱學法受氣液介質(zhì)的比熱準確度的影響，致使測量結(jié)果不夠準確。電學法受介電常數(shù) 的影響，而介電常數(shù)受介質(zhì)的礦化度影響較大，影響測量準確度。微波法本質(zhì)上也屬于電學 法，與電學法具有相同的缺點。
[0004]除了上述幾種相含率的測量方法外，還有基于紅外技術(shù)的測量方法。例如:(1)紅 外水分測量裝置，用于測量粉粒狀固體中的含水量；(2)用于氣液兩相流分析的紅外線檢 測裝置，采用1.44iim?2.44 iim波長紅外光，屬于液態(tài)水濃度檢測領(lǐng)域，適用于對電解制 氧裝置水分分離后氧氣流中的液態(tài)水濃度的檢測；(3)氣體中油污含量的紅外三點檢測裝 置，是對氣體中油污含量檢測的光學檢測分析儀，在樣品池中完成；(4)用紅外線檢測氣液 兩相流流型的裝置，采用940nm紅外線波長，用于檢測流動在測試管內(nèi)氣液兩相流的流型。 以上幾種紅外裝置應用到多相流領(lǐng)域，主要是針對靜態(tài)的(在樣品池中進行測量)、穩(wěn)定的、 特定的低含水率流體進行氣液兩相流流型檢測，因此采用上述紅外裝置還不能實時、在線、 動態(tài)地對氣液兩相流的相含率進行測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一就是提供一種測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置，以 解決現(xiàn)有的裝置不能實時、在線、動態(tài)地對氣液兩相流的相含率進行測量的問題。
[0006]本發(fā)明的目的之二就是提供一種測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的方法，以 解決現(xiàn)有的測量方法不能對氣液兩相流的相含率進行在線測量以及應用范圍受限、測量結(jié) 果準確度低等的問題。
[0007]本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的:一種測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝 置，包括:[0008]近紅外發(fā)射裝置，安裝在管道外壁，用于發(fā)射近紅外光信號，所發(fā)射的近紅外光信 號穿過管道的管壁及管道內(nèi)的氣液兩相流；所發(fā)射的近紅外光的波長與管道內(nèi)氣液兩相流 中液相流體的近紅外吸收光譜中的次強峰所對應的波長相同；
[0009]近紅外接收裝置，安裝在與所述近紅外發(fā)射裝置處于同一橫截面的管道外壁上， 并與所述近紅外發(fā)射裝置以管道的截面圓心為對稱設(shè)置，用于接收由所述近紅外發(fā)射裝置 發(fā)射、并經(jīng)管道的管壁和管道內(nèi)的氣液兩相流透射過來的近紅外光信號，再從所接收到的 所述近紅外光信號中提取光強信號，最后轉(zhuǎn)換為感應電壓信號輸出；
[0010]數(shù)據(jù)采集單元，分別與所述近紅外接收裝置和計算機相接，用于采集由所述近紅 外接收裝置輸出的感應電壓信號，在將所接收的所述感應電壓信號進行放大、解調(diào)、濾波及 模數(shù)轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字電壓信號的形式發(fā)送給計算機；以及
[0011]計算機，包括數(shù)據(jù)處理單元、存儲單元和顯示單元，所述數(shù)據(jù)處理單元用于對所接 收到的所述數(shù)字電壓信號進行處理后得到特征值，根據(jù)所述特征值和管道內(nèi)氣液兩相流的 流向及歐氏距離公式來識別管道內(nèi)氣液兩相流的流型，再根據(jù)管道內(nèi)氣液兩相流的流向、 流型和對應的截面含液率的求解公式，分別計算出管道內(nèi)氣液兩相流的截面含液率和截面 含氣率。
[0012]所述近紅外發(fā)射裝置有至少兩個，所述近紅外接收裝置與所述近紅外發(fā)射裝置的 數(shù)量和位置一一對應；所述近紅外接收裝置與所述近紅外發(fā)射裝置在管道橫截面上以過管 道截面圓心的一條直線為對稱分布。
[0013]所述近紅外發(fā)射裝置為近紅外激光二極管發(fā)射探頭，所述近紅外接收裝置為近紅 外硅光電二極管接收探頭。
[0014]所述管道為有機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、頻率重心、斜度和峰值因子。
[0016]本發(fā)明中的近紅外發(fā)射裝置所發(fā)射的近紅外光屬于不可見光，不可見光受外界環(huán) 境影響小，單色性及穩(wěn)定性好，能遠距離精確跟蹤熱目標，探測能力強，作用距離遠，因此可 在環(huán)境比較惡劣的情況下(例如油井產(chǎn)出的黑色不透光的流體介質(zhì)中)測量氣液兩相流的 截面相含率。近紅外發(fā)射裝置和近紅外接收裝置安裝在管道的外壁，對管道內(nèi)氣液兩相流 的流動特性沒有影響，故可在不分離氣液兩相流的情況下實現(xiàn)實時、在線測量。本測量裝 置響應時間短，可以進行高頻測量，可以準確地確定氣液兩相流的截面相含率；而且設(shè)備簡 單，操作方便。
[0017]本發(fā)明的目的之二是這樣實現(xiàn)的:一種測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的方 法，包括如下步驟:
[0018]a、將近紅外發(fā)射裝置和近紅外接收裝置安裝在處于同一橫截面的管道外壁上，且 使所述近紅外發(fā)射裝置和所述近紅外接收裝置以管道的截面圓心成對稱分布；
[0019]b、將數(shù)據(jù)采集單元分別與所述近紅外接收裝置和計算機相連接，并使各工作部件 與電源相接；
[0020]C、控制所述近紅外發(fā)射裝置發(fā)射近紅外光信號，所發(fā)射的近紅外光的波長與管道 內(nèi)氣液兩相流中液相流體的近紅外吸收光譜中的次強峰所對應的波長相同；所發(fā)射的近紅 外光信號穿過管道的管壁及管道內(nèi)的氣液兩相流；
[0021]d、所述近紅外接收裝置接收由所述近紅外發(fā)射裝置所發(fā)射、并經(jīng)管道的管壁和管道內(nèi)的氣液兩相流透射過來的近紅外光信號，再從所接收到的所述近紅外光信號中提取光強信號，最后轉(zhuǎn)換為感應電壓信號輸出；
[0022]e、所述數(shù)據(jù)采集單元采集由所述近紅外接收裝置輸出的感應電壓信號，在將所接收的所述感應電壓信號進行放大、解調(diào)、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字電壓信號的形式發(fā)送給計算機；
[0023]f、所述計算機中的數(shù)據(jù)處理單元在對所接收到的數(shù)字電壓信號進行處理后得到特征值，之后根據(jù)所述特征值和管道內(nèi)氣液兩相流的流向及歐氏距離公式來識別管道內(nèi)氣液兩相流的流型，再根據(jù)管道內(nèi)氣液兩相流的流向、流型和對應的截面含液率的求解公式分別計算出管道內(nèi)氣液兩相流的截面含液率和截面含氣率。
[0024]步驟f中所述特征值包括均值、方差、峭度、頻率重心、斜度和峰值因子；所述氣液兩相流中的液相流體為水，所述氣液兩相流的不同流向及不同流型所對應的截面含液率的求解公式分別為:
[0025]I)、水平流向下泡狀流所對應的截面含液率的求解公式為:
[0026]fln = 0.0556x + 0.0829.V + 0.9348
[0027]式中J為均值，s為方差；
[0028]2)、豎直流向下泡狀流所對應的截面含液率的求解公式為:
[0029]凡=0,0025;-0.437 l.y+ 1.0239
[0030]式中:I為均值，s為方差；
[0031]3)、水平流向下環(huán)狀流所對應的截面含液率的求解公式為:
[0032]Pw = -0.6273x + 0.855Ix4 +18.2972^7； -54.5570?/?^ + 41.0346
[0033]式中:X為均值，F(xiàn)g為頻率重`心；
[0034]4)、豎直流向下環(huán)狀流所對應的截面含液率的求解公式為:
[0035]Pw = 0.7323.V -1.bills1 +1.2012^-10.6584^ + 23.6913
[0036]式中:s為方差，F(xiàn)g為頻率重心；
[0037]5)、水平流向下分層流所對應的截面含液率的求解公式為:
[0038]Bu =-1.5456^ + 0.3019^' + 0.5362.V + 0.2798C2 + 1.2340
/ W
[0039]式中:5為均值，s為方差，C為峰值因子；
[0040]6)、豎直流向下彈狀流所對應的截面含液率的求解公式為:
[0041]久=3 1.48761-82.4076^+ 54.0794
[0042]式中:I為均值；
[0043]7)、豎直流向下乳沫狀流所對應的截面含液率的求解公式為:
[0044]^ w=-33.0443C+16.0996C2_0.0166Fg+17.2983
[0045]式中:C為峰值因子，F(xiàn)g為頻率重心。
[0046]本發(fā)明通過在管道外壁安裝近紅外發(fā)射裝置和近紅外接收裝置，由近紅外發(fā)射裝置發(fā)射近紅外光信號，所發(fā)射的近紅外光的波長與管道內(nèi)氣液兩相流中液相流體的近紅外 吸收光譜中次強峰所對應的波長相同，因此當所發(fā)射的近紅外光穿過管道內(nèi)的氣液兩相流 時，氣液兩相流中的液相流體將會吸收部分近紅外光的能量，氣液兩相流中的截面含液率 越高，被吸收的近紅外光的能量越多，透射過去的近紅外光的能量越少。本發(fā)明通過測量透 射過去的近紅外光的能量，由近紅外接收裝置將透射光強信號轉(zhuǎn)換為感應電壓信號，之后 由計算機中的數(shù)據(jù)處理單元對實測感應電壓信號進行處理以得到特征值，再根據(jù)管道內(nèi)氣 液兩相流的流向及歐氏距離公式識別管道內(nèi)氣液兩相流的流型，最后根據(jù)管道內(nèi)氣液兩相 流的流向、流型及對應的截面含液率的求解公式，分別計算出管道內(nèi)氣液兩相流的截面含 液率和截面含氣率。采用本測量方法不用對氣液兩相流進行分離，可實現(xiàn)實時、在線、快速、 準確測量的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]圖1是本發(fā)明測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0048]實施例1:測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置。
[0049]如圖1所示，本發(fā)明測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置包括近紅外發(fā)射 裝置1、近紅外接收裝置2、數(shù)據(jù)采集單元3和計算機4。
[0050]近紅外發(fā)射裝置I用于發(fā)射近紅外光(波長為780nm?2500nm)信號，近紅外接收 裝置2用于接收由近紅外發(fā)射裝置I所發(fā)射、并經(jīng)管道5的管壁及管道5內(nèi)的氣液兩相流 透射出來的近紅外光信號，并將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集單元3從近紅外 接收裝置2處采集電信號并發(fā)送給計算機4，計算機4中的數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)據(jù)采集單元3 所采集的電信號進行處理，通過特征提取、流型識別，最終計算出氣液兩相流中的截面相含 率。
[0051]近紅外發(fā)射裝置I可以為近紅外激光二極管發(fā)射探頭，近紅外接收裝置2可以為 近紅外硅光電二極管接收探頭。近紅外發(fā)射裝置I和近紅外接收裝置2還可以均采用光纖 探頭來實現(xiàn)近紅外光的發(fā)射和接收。近紅外發(fā)射裝置I和近紅外接收裝置2成對設(shè)置，兩 者安裝在處于同一橫截面的管道5外壁上，且兩者以管道5的截面圓心0為對稱設(shè)置，以保 證由近紅外發(fā)射裝置I發(fā)射、并經(jīng)管道5的管壁及管道5內(nèi)的氣液兩相流透射出來的近紅 外光信號可被近紅外接收裝置2所接收。管道5可以為水平管道，也可以為豎直管道。管 道5的材質(zhì)應該是能夠被近紅外光透射(或穿透)過去的材料，即近紅外窗口材料，例如有機 玻璃、石英玻璃等。圖中示出了四對近紅外發(fā)射裝置I和近紅外接收裝置2，這四對近紅外 發(fā)射裝置I和近紅外接收裝置2均勻分布在同一橫截面的管道5外壁上，相鄰近紅外發(fā)射 裝置I或近紅外接收裝置2之間的夾角為45°。當然，不均勻分布也可以實施。設(shè)置多對 近紅外發(fā)射裝置I和近紅外接收裝置2的目的是為了使近紅外光從多角度、多方位穿過管 道5內(nèi)的氣液兩相流，以保證所測數(shù)據(jù)能夠真實、準確地反映管道5內(nèi)的氣液兩相流，減少 測量誤差。
[0052]當光通過有吸光性質(zhì)的某一均勻介質(zhì)時，其光強就會減弱，而被吸收的值取決于 光程中所存在的分子數(shù)，與入射光的強度無關(guān)，其定量分析基于Lambere-Beer定律。若平行單色入射光強度為1，通過一薄層dL,能量減少了 _dl,則Lambere-Beer定律可表示為:
[0053]-dI=k10dL
[0054]式中:k為比例常數(shù)，該比例常數(shù)與入射光波長和分子吸收性質(zhì)有關(guān)，對上式從0 到L積分可得:
[0055]
【權(quán)利要求】
1.一種測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置，其特征是，包括:近紅外發(fā)射裝置，安裝在管道外壁，用于發(fā)射近紅外光信號，所發(fā)射的近紅外光信號穿過管道的管壁及管道內(nèi)的氣液兩相流；所發(fā)射的近紅外光的波長與管道內(nèi)氣液兩相流中液相流體的近紅外吸收光譜中的次強峰所對應的波長相同；近紅外接收裝置，安裝在與所述近紅外發(fā)射裝置處于同一橫截面的管道外壁上，并與所述近紅外發(fā)射裝置以管道的截面圓心為對稱設(shè)置，用于接收由所述近紅外發(fā)射裝置發(fā)射、并經(jīng)管道的管壁和管道內(nèi)的氣液兩相流透射過來的近紅外光信號，再從所接收到的所述近紅外光信號中提取光強信號，最后轉(zhuǎn)換為感應電壓信號輸出；數(shù)據(jù)采集單元，分別與所述近紅外接收裝置和計算機相接，用于采集由所述近紅外接收裝置輸出的感應電壓信號，在將所接收的所述感應電壓信號進行放大、解調(diào)、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字電壓信號的形式發(fā)送給計算機；以及計算機，包括數(shù)據(jù)處理單元、存儲單元和顯示單元，所述數(shù)據(jù)處理單元用于對所接收到的所述數(shù)字電壓信號進行處理后得到特征值，根據(jù)所述特征值和管道內(nèi)氣液兩相流的流向及歐氏距離公式來識別管道內(nèi)氣液兩相流的流型，再根據(jù)管道內(nèi)氣液兩相流的流向、流型和對應的截面含液率的求解公式，分別計算出管道內(nèi)氣液兩相流的截面含液率和截面含氣率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置，其特征是，所述近紅外發(fā)射裝置有至少兩個，所述近紅外接收裝置與所述近紅外發(fā)射裝置的數(shù)量和位置一一對應；所述近紅外接收裝置與所述近紅外發(fā)射裝置在管道橫截面上以過管道截面圓心的一條直線為對稱分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置，其特征是，所述近紅外發(fā)射裝置為近紅外激光二極管發(fā)射探頭，所述近紅外接收裝置為近紅外硅光電二極管接收探頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置，其特征是，所述管道為有機玻璃管道或石英玻璃管道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4任一項所述的測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的裝置，其特征是，所述特征值包括均值、方差、峭度、頻率重心、斜度和峰值因子。
6.一種測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的方法，其特征是，包括如下步驟:a、將近紅外發(fā)射裝置和近`紅外接收裝置安裝在處于同一橫截面的管道外壁上，且使所述近紅外發(fā)射裝置和所述近紅外接收裝置以管道的截面圓心成對稱分布；b、將數(shù)據(jù)采集單元分別與所述近紅外接收裝置和計算機相連接，并使各工作部件與電源相接；C、控制所述近紅外發(fā)射裝置發(fā)射近紅外光信號，所發(fā)射的近紅外光的波長與管道內(nèi)氣液兩相流中液相流體的近紅外吸收光譜中的次強峰所對應的波長相同；所發(fā)射的近紅外光信號穿過管道的管壁及管道內(nèi)的氣液兩相流；d、所述近紅外接收裝置接收由所述近紅外發(fā)射裝置所發(fā)射、并經(jīng)管道的管壁和管道內(nèi)的氣液兩相流透射過來的近紅外光信號，再從所接收到的所述近紅外光信號中提取光強信號，最后轉(zhuǎn)換為感應電壓信號輸出；e、所述數(shù)據(jù)采集單元采集由所述近紅外接收裝置輸出的感應電壓信號，在將所接收的所述感應電壓信號進行放大、解調(diào)、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字電壓信號的形式發(fā)送給計算機；f、所述計算機中的數(shù)據(jù)處理單元在對所接收到的數(shù)字電壓信號進行處理后得到特征值，之后根據(jù)所述特征值和管道內(nèi)氣液兩相流的流向及歐氏距離公式來識別管道內(nèi)氣液兩相流的流型，再根據(jù)管道內(nèi)氣液兩相流的流向、流型和對應的截面含液率的求解公式分別計算出管道內(nèi)氣液兩相流的截面含液率和截面含氣率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量管道內(nèi)氣液兩相流的截面相含率的方法，其特征是，步驟f中所述特征值包括均值、方差、峭度、頻率重心、斜度和峰值因子；所述氣液兩相流中的液相流體為水，所述氣液兩相流的不同流向及不同流型所對應的截面含液率的求解公式分別為:1)、水平流向下泡狀流所對應的截面含液率的求解公式為:
【文檔編號】G01N21/359GK103558179SQ201310468132
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】方立德, 趙寧, 孔祥杰, 李小亭, 董芳 申請人:河北大學