[发明专利]基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法

摘要

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法，所用测量装置包括电学传感器阵列、超声传感器阵列、电学信号发生与检测单元、超声信号发生与检测单元、流动参数计算单元；该测量方法包括以下步骤：采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号；根据电学传感器阵列测量数据和超声传感器阵列测量数据，结合特征提取与分类算法，实现多相流流型的识别；利用所述电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数据进行油气水多相流相分布重建；利用所获得的各种相分布图像，对上游测量截面、下游测量截面的每一对应像素间采用互相关测速方法获得该点的流速；计算多相流各分相参数。本发明不受多相流连续相是否导电的影响，具有测量精度高、无扰动、可获信息多等特点。

主权项

一种基于电学与超声敏感原理的多相流可视化测试方法，用于对流经被测管道的多相流体进行测量，所用测量装置包括电学传感器阵列、超声传感器阵列、电学信号发生与检测单元、超声信号发生与检测单元、电学测量数据相分布重建单元、超声测量数据相分布重建单元、流动参数计算与可视化单元；所述的电学传感器阵列包括两组及两组以上分布在被测管道不同截面位置的电极阵列，每组电极由多个分布在被测管道相同截面位置的电极构成；所述的超声传感器阵列包括两组及两组以上分布在被测管道不同截面位置的探头阵列，每组探头阵列由多个超声探头构成；所述的电学传感器阵列与超声探头在被测管道上同时安装，无安装顺序要求，可交叉位置安装，同时工作，组成一套双模态传感器阵列；电学信号发生与检测单元选通电学传感器阵列中的一对电极作为激励电极对，其中一个电极为激励电极，另一个电极为接地电极，在所述激励电极对之间建立电学敏感场，测量其余电极间电势差；超声信号发生与检测单元选通超声传感器阵列中的一个探头发出超声波，另一个或多个探头接收超声波，并将超声强度转换为电信号；电学信号发生与检测单元所获信号送入电学测量数据相分布重建单元，进行电学参数分布重建；超声信号发生与检测单元所获信号送入超声测量数据相分布重建单元，进行声阻抗参数分布重建；以上所重建后的各测量截面相分布信息一起送入流动参数计算与可视化单元实现相分布与流速分布的重建。该测量方法包括下列步骤：1).采集电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号；2).根据电学传感器阵列测量数据和超声传感器阵列测量数据，结合特征提取与分类算法，实现多相流流型的识别；3).利用所述电学传感器阵列与超声传感器阵列测量数据进行油气水多相流相分布重建，定义截面2a和2b为上游测量截面，简称截面a；定义截面2b和5b为下游测量截面，简称截面b：a.根据流型识别结果判断连续相是否导电，若连续相导电，将电学传感器阵列视为电导传感器阵列，设采用电导传感器测量数据结合图像重建算法分别实现两个电学传感器被测截面(2a，2b)内的电导率分布σ^a(x,y)与σ^b(x,y)，利用二值化方法获得截面a内水相分布和截面b内水相分布其中x与y为像素坐标，若像素(x,y)为水相，则其值为1，若像素(x,y)为气相或油相，则该值为0；b.若连续相为非导电相，将电学传感器阵列视为电容传感器阵列，采用电容传感器测量数据结合图像重建算法分别实现两个电学传感器被测截面(2a，2b)内的介电常数分布ε^a(x,y)与ε^b(x,y)，利用二值化方法获得截面a内水相分布和截面b内水相分布若像素(x,y)为水相，则其值为1，若像素(x,y)为气相或油相，则该值为0；c.利用超声传感器阵列测量数据结合图像重建算法分别实现两个超声传感器被测截面(5a，5b)内的声阻抗分布Z^a(x,y)与Z^b(x,y)，利用二值化方法获得截面a内气相分布和截面b内气相分布若像素(x,y)为气相，则其值为1，若像素(x,y)为水相或油相，则该值为0；d.设为截面a内的相分布，且各像素值均为1，由于油、气、水三相充满管道截面，因此可得油相分布$f_o^a(x,y)=f_A^a(x,y)-f_g^a(x,y)-f_w^a(x,y)$其中，若像素(x,y)为油相，则其值为1，若像素(x,y)为水相或气相，则该值为0；同理获得截面b内水相分布气相分布与油相分布4).利用所获得的各种相分布图像，对上游测量截面a、下游测量截面b的每一对应像素间采用互相关测速方法获得该点的流速u_icc：a.按照上游和下游划分两组电学传感器阵列和两组超声传感器阵列的测量数据，对于所获重建图像中的每一像素采用互相关算法进行计算，获得流体流经上游和下游的传感器阵列对应像素点的延迟时间τ_x,y，根据公式计算出各像素点处的相关速度u_x,y，进而获得速度分布u(x,y)，式中L为上游的电学传感器阵列的测量截面(2a)与上游的超声传感器阵列(5a)的轴向中心位置，与下游的电学传感器阵列的测量截面(2b)与下游的超声传感器阵列(5b)的轴向中心位置的间距。b.根据水相分布和气相分布和以及油相分布和结合速度分布u(x,y)，可分别获得水相速度分布u_w(x,y)，气相速度分布u_g(x,y)和油相速度分布u_o(x,y)；5).综合以上相分布与流速分布重建结果，计算多相流各分相参数：a.利用相分布图像重建结果，计算各分相含率：分别利用水相分布气相分布以及油相分布计算水相所占像素数气相所占像素数以及油相所占像素数因此可计算出截面a内水相含率气相含率${\mathrm{\α}}_g^a=\frac{N_g^a}{N_w^a+N_g^a+N_o^a}$与油相含率${\mathrm{\α}}_o^a=\frac{N_o^a}{N_w^a+N_g^a+N_o^a},$且油、气、水三相含率同理分别获得截面b内水相含率气相含率与油相含率对截面a与截面b所计算出的分相含率做平均，得到平均水相含率平均气相含率${\mathrm{\α}}_g=\frac{{\mathrm{\α}}_g^a+{\mathrm{\α}}_g^b}{2}$与平均油相含率${\mathrm{\α}}_o=\frac{{\mathrm{\α}}_o^a+{\mathrm{\α}}_o^b}{2};$b.对各分相流速分布取平均，可分别获得水相平均流速，气相平均流速和油相平均流速。