专利汇可以提供油气水多相流流量测量装置专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种油气 水 多相流 流量测量装置。它包括油气水多相流流量测量管段和测量 电路 两部,测量电路的连接关系为:主 控制器 分别与 温度 -压 力 测量电路、 超 声波 测量电路、复阻抗测量电路、电磁测量电路相连接。本发明采用简化后的测量模型,通过测量 流体 平均流速和分相含率,计算得到分相体积流量。本发明主要针对高含水率的油气水多相流,本发明设计的测量装置体积小、成本低、结构紧凑、无可动部件、无 放射性 ,受流型影响较小,可以进行油气水多相流在线检测。,下面是油气水多相流流量测量装置专利的具体信息内容。
1.一种油气水多相流流量测量装置,其特征在于包括油气水多相流流量测量管段和测量电路两部,测量电路的连接关系为:主控制器分别与温度-压力测量电路、超声波测量电路、复阻抗测量电路、电磁测量电路相连接,油气水多相流流量测量管段包括相连接的第二集流器(15)、电磁测量管段(16)、超声波测量管段(17)、复阻抗测量管段(18)、混相器(13)、第一集流器(14),电磁测量管段(16)上设有温度传感器(1)、压力传感器(2)、第一励磁线圈(19)、第二励磁线圈(20)、第一电磁电极(21)、第二电磁电极(22),超声波测量管段(17)上设有第一超声波探头(3)、第二超声波探头(4)、第三超声波探头(5)、第四超声波探头(6)、第五超声波探头(7)、第六超声波探头(8),复阻抗测量管段(18)上设有第一电导电极(9)、第二电导电极(10)、第三电导电极(11)、第四电导电极(12)。
2. 根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置,其特征在于所述 的超声波测量电路包括超声波发射电路和超声波接受电路,超声波发射电路连 接关系为:PWM发生器连接非门(DR1)的输入端,非门(DR1)的输出端连 接第一电阻(RO的一端、第二二极管(D2)的负端、P型场效应管(QP1) 的栅极、第二N型场效应管(QN2)的栅极,P型场效应管(QP1)的源极连接 第一N型场效应管(QN1)的栅极、第二N场型效应管(QN2)的漏极,P型 场效应管(NP1)的漏极连接第一电阻(Rl)的另一端,并与电源相连,第一N 型场效应管(QN1)的漏极连接第二电阻(R2)的一端、第一二极管(Dl)的 负端,并与超声波发射器(3)的连接,第一二极管(Dl)的正端、第二二极管(D2)的正端、第一N型场效应管(QN1)的源极、第二N型场效应管(QN2) 的源极接地;超声波接受电路连接关系为:第四超声波探头(6)接收到的超声 波信号接到第二放大器(A2)正端,第二放大器(A2)的负端连接第二放大器(A2)输出端及第一电容(Cl)的一端,第一电容(Cl)的另一端连接第三电 阻(R3)的一端,第三电阻(R3)的另一端连接第二电容(C2)的一端、第四 电阻(R4)的一端及第三放大器(A3)的正端,第二电容(C2)的另一端接地, 第四电阻(R4)的另一端连接第三电容(C3)的一端及第七放大器(A7)的输 出端,第三电容(C3)的另一端连接第三放大器(A3)的负端、第五电阻(R5) 的一端及第七放大器(A7)的负端,第七放大器(A7)的正端连接第十三电阻(R13)的一端和第十二电阻(R12)的一端,第十二电阻(R12)的另一端连接第五电阻(R5)的另一端及第三放大器(A3)的输出端,第十三电阻(R13) 的另一端接地,第三放大器(A3)的输出端连接第四放大器(A4)的正端,第 四放大器(A4)的负端连接第十电阻(R10)的一端、第七电阻(R7)的一端, 第十电阻(R10)的另一端接地,第四放大器(A4)的输出端连接第七电阻(R7) 的另一端及第五放大器(A5)的正端,第五放大器(A5)的负端连接第十一电 阻(R11)的一端及第八电阻(R8)的一端,第十一电阻(R11)的另一端接地, 第八电阻(R8)的另一端连接第一可调电阻(RA1)的一固定端,第一可调电 阻(RA1)的可调端与第一可调电阻(RA1)的另一固定端、第五放大器(A5) 的输出端、第一放大器(Al)的正端、第六放大器(A6)的正端,第一放大器 (Al)的负端连接第一放大器(Al)的输出端及A/D转换器,第六放大器(A6) 的负端连接第六放大器(A6)的输出端及第九电阻(R9)的一端,第九电阻(R9) 的另一端连接第一比较器(AC1)的正端,第六电阻(R6)的一端连接第十四 电阻(R14)的一端及第七放大器(A7)的负端,第十四电阻(R14)的另一端 接地,第六电阻(R6)的另一端接电源,第一比较器(AC1)的输出端连接计 数器。
3.根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置,其特征在于所 述的复阻抗测量电路连接关系为:第十二放大器(A12)的正端连接第三二极管(D3)的正端、第六二极管(D6)的负端、第二十一电阻(R21)的一端、第 二十三电阻(R23)的一端,第三二极管(D3)的负端连接第四二极管(D4) 的负端、第五二极管(D5)的正端、第五二极管(D5)的负端连接第一稳压管(DW1)的负端,第一稳压管(DW1)的正端连接第六二极管(D6)的正端、 第七二极管(D7)的负端,第七二极管(D7)的正端连接第四二极管(D4)的 正端、第二十一电阻(R21)的另一端、第十二放大器(A12)的输出端、第二 十五电阻(R25)的一端,第二十三电阻(R23)的另一端连接第三可调电阻(RA3) 的一固定端,第十二放大器(A12)的负端连接第十一电容(C11)的一端、第 二十七电阻(R27)的一端、第八电容(C8)的一端,第八电容(C8)的另一 端连接第二十五电阻(D25)的另一端,第三可调电阻(RA3)的另一固定端、 第三可调电阻(RA3)的可调端、第十一电容(C11)的另一端、第十七电阻(C17) 的另一端接地,第二十放大器(A20)的正端连接第八二极管(D8)的正端、 第十一二极管(D11)的负端、第三十五电阻(R35)的一端、第三十九电阻(R39) 的一端,第八二极管(D8)的负端连接第十一极管(D11)的负端、第十二极管(D10)的正端、第十二极管(D10)的负端连接第二稳压管(DW2)的负端,第二稳压管(DW2)的正端连接第十一二极管(D11)的正端、第十二二极管 (D12)的负端,第十二二极管(D12)的正端连接第九二极管(D9)的正端、 第三十五电阻(R35)的另一端、第二十放大器(A20)的输出端、第四十三电 阻(R43)的一端,第三十九电阻(R39)的另一端连接第七可调电阻(RA7) 的一固定端,第二十放大器(A20)的负端连接第十三电容(C13)的一端、第 四十五电阻(R45)的一端、第十二电容(C12)的一端,第十二电容(C12) 的另一端连接第四十三电阻(R43)的另一端,第七可调电阻(RA7)的另一固 定端、第七可调电阻(RA7)的可调端、第十三电容(C13)的另一端、第四十 五电阻(R45)的另一端接地,第十二放大器(A12)的输出端连接第三十四电 阻(R34)的一端,第二十放大器(A20)的输出端接第三十六电阻(R36)的 一端,第十八放大器(A18)的正端接第三十四电阻(R34)的另一端、第三十 六电阻(R36)的另一端,第十八放大器(A18)的负端接第四十四电阻(R44) 的一端、第四十电阻(R40)的一端,第四十四电阻(R44)的另一端接地,第 十八放大器(A18)的输出端接第四十电阻(R40)的另一端、第三十七电阻(R37) 的一端、A/D转换器,第十九放大器(A19)的正端接第三十七电阻(R17)的 另一端、第三十三电阻(R33)的一端,第十九放大器(A19)的负端接第四十 一电阻(R41)的一端、第四十二电阻(R42)的一端,第四十一电阻(R41) 的另一端接地,第十九放大器(A19)的输出端接第四十二电阻(R42)的一端、 第三十八电阻(R38)的一端,第十七电阻(R17)的输出端接第三十三电阻(R33) 的另一端、第十七放大器(A17)的负端,第十七放大器(A17)的正端接第三 十八电阻(R38)的另一端、第十三二极管(D13)的负端、第一可调电容(CA1) 的一端、第六可调电阻(RA6)的一固定端,第十三二极管(D13)的正端接地, 第一可调电容(CA1)的另一端接第五可调电阻(RA5)的一固定端,第五可调 电阻(RA5)的另一固定端接第五可调电阻(RA5)的可调端、第一可调电感(LA1) 的可调端、第一电导电极(9),第六可调电阻(RA6)的另一固定端接第六可调 电阻(RA6)的可调端、第一可调电感(LA1)的可调端,第三电导电极(11) 接地,第一电导电极(9)接第八放大器(A8)的正端、第十三放大器(A13) 的正端,第八放大器(A8)的负端接第八放大器(A8)的输出端、第四电容(C4) 的一端,第四电容(C4)的另一端接第十五电阻(R15)的一端,第十五电阻(R15) 的另一端接第五电容(C5)的一端、第十六电阻(R16)的一端、第九放大器(A9) 的正端,第五电容(C5)的另一端接地,第九放大器(A9)的负端接第六电容 (C6)的一端、第十七电阻(R17)的一端、第十一放大器(All)的负端,第十一放大器(All)的输出端接第六电容(C6)的另一端、第十六电阻(R16) 的另一端,第十一放大器(All)的正端接第二十电阻(R20)的一端、第二十 二号电阻(R22)的一端,第二十二号电阻(R22)的另一端接地,第九放大器 (A9)的输出端接第十七电阻(R17)的另一端、第二十电阻(R20)的另一端、 第十放大器(A10)的正端,第十放大器(A10)的负端接第十八电阻(R10) 的一端、第十九电阻(R19)的一端,第十九电阻(R19)的另一端接地,第十 八电阻(R18)的另一端接第二可调电阻(RA2)的一固定端,第十放大器(A10) 的输出端接第二可调电阻(RA2)的另一固定端、第二可调电阻(RA2)的可调 端、A/D转换器,第十三放大器(A13)的负端接第十三放大器(A13)的输出 端、第七电容的(C7) —端,第七电容(C7)的另一端接第二十四电阻(R24) 的一端、第二十四电阻(R24)的另一端接第九电容(C9)的一端、第二十六电 阻(R26)的一端、第十四放大器(A14)的正端,第九电容(C9)的另一端接 地,第十四放大器(A14)的负端接第十电容(C10)的一端、第二十八电阻(R28) 的一端、第十六放大器(A16)的负端,第十六放大器(A16)的输出端接第十 电容(C10)的另一端、第二十六电阻(R26)的另一端,第十六放大器(A16) 的正端接第三十一电阻(R31)的一端、第三十二号电阻(R32)的一端,第三 十二号电阻(R32)的另一端接地,第十四放大器(A14)的输出端接第二十八 电阻(R28)的另一端、第三十一电阻(R31)的另一端、第十五放大器(A15) 的正端,第十五放大器(A15)的负端接第二十九电阻(R29)的一端、第三十 电阻(R30)的一端,第三十电阻(R30)的另一端接地,第二十九电阻(R29) 的另一端接第四可调电阻(RA4)的一固定端,第十五放大器(A15)的输出端 接第四可调电阻(RA4)的另一固定端、第四可调电阻(RA4)的可调端、A/D 转换器。
4.根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置,其特征在于所 述的超声波测量管段(17)上设有6个超声波探头:第一超声波探头(3)、第 二超声波探头(4)、第三超声波探头(5)、第四超声波探头(6)、第五超声波 探头(7)、第六超声波探头(8),均匀安装在超声波测量管段(17)同一截面 上,其中第一超声波探头(3)、第二超声波探头(4)、第三超声波探头(5)为 超声波发射探头,第四超声波探头(6)、第五超声波探头(7)、第六超声波探 头(8)为超声波接收探头;第一超声波探头(3)、第四超声波探头(6)的中 心频率为1〜2MHZ,第二超声波探头(4)、第五超声波探头(7)的中心频率 为4〜6MHZ,第三超声波探头(5)、第六超声波探头(8)的中心频率为7〜IOMHZ。
5.根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置,其特征在于所述 的复阻抗测量管段(18)上设有4个电导电极:第一电导电极(9)、第二电导 电极(10)、第三电导电极(11)、第四电导电极(12),第一电导电极(9)、第 三电导电极(11)为第一组电导电极,水平对称安装在复阻抗测量管段(18) 的同一横截面上,第二电导电极(10)、第四电导电极(12)为第二组电导电极, 水平对称安装在复阻抗测量管段(18)的同一横截面上,第一组电导电极与第 二组电导电极的距离为100〜200mm。
6.根据权利要求1所述的一种油气水多相流流量测量装置,其特征在于所 述的电极形状为:两等腰梯形的上底相重合的多边形,等腰梯形的上底长25mm、 等腰梯形的下底长42mm、等腰梯形的高26.28 mm。
各相的体积流量和质量流量可以通过上述参数计算得到,然后通过温度、 压力进行修正,得到最终的流量信息。
已知管道截面积S (附2),则在流体环境下,油气水三相体积流量分别为:
其中,P/、 On、 a分别为混合流体的密度、质量流量、体积流量。油、气、 水三相密度及相关物质参数可以在静态条件下测得,故可认为已知。
通过采用节流装置和在测量管段前安装混相器的方法,使得各相流体混合
均匀,同时提高流速,减小各相之间的速度滑差。此时:可以认为三相流速相
等,等同于整体流速,即有V。aVg-、aV。
由公式可知"。、〜、〜自由度为2 ,只要检测其中两个相含率即可。在同
一测量管段中,由于没有阻力部件,可以认为管道中温度、压力各处相同。综
上,只需测量流体总流速v,气相含率A、油相含率"。,即可得到各相流量。 超声波测量原理:
当超声波垂直入射到声特性阻抗不同的两介质界面上,则入射波能量(声 强为/。)的一部分进入截至II是为透射波(声强为/,),另一部分能量被界面反 射回来,为反射波(声强为/O。根据能量守恒定率有:
/o = /(+ //•
声压的反射系数* = ^ =
/o
/ 、2
声压透射系数7^=4 =
(Z2 + Zl)2
、Z2 + Zl乂 _/ 其中。、Z2分别为介质I、 II的声阻抗。
从水入射到空气中的反射率约为100%,可以认为超声波无法穿透气泡。在高含水率的油气水三相中,由于各组分声阻抗各不相同,超声波通过流体后其 强度与各相组分含率及分布有关。
单一一对超声波发射器和接受器只能检测一条弦线上的平均空隙率,在流 型发生改变时可能会产生较大的误差。本发明采用多组超声波换能器测量管道 截面上:平均含气率。
根据Maxwell电阻率近似理论,油、水混合介质的等效电导率为
其中,々为多相流中连续导电相的体积分数,在油气水多相流中为持水率。 由电学原理可知,测量电极间的电压幅值于传感器内部流体电导率成反比。设 测量电极间的电导在混合物时为&,全水时为&,混合相的电导率为^,水的 电导率为〜,混合时传感器输出频率为(混相值)&,全水时为&,贝IJ
在油气水多相流中,各组分介电常数和电导率之间也存在差异。组分水的 电导率较高,而组分油和气都不导电,导电率相近。流体的导纳与各组分含率 和分布情况有关。 一般情况下,浸没在混合物中两电极的的总导纳为
其中,^C是混合物的容纳,它正比于混合物的介电常数;1//?为混合物的电导, 它正比于混合物的电导率;wC,为极化容纳,它的影响可以通过提高电源频率或
在电极上镀铂来消除,所以对于空隙率的测量主要关心的是混合物的容纳和电
导。利用RLC检测技术测量总导纳Y,再计算持水率。
当油泡或气泡从两个电极间经过时,两个电极间流体电导纳就会发生变化。 通过测量电极间导纳的变化就可以得到多相流体导电组分在所占流体中的含 率。在油气水多相流测量系统中,由于水为主要导电物质,而气与油为非导电 物质,在高含水率和均勻混合的条件下,可以通过测量混合流体的导纳计算得 到流体持水率,即组分水的含率。 电磁测量原理:
根据法拉第电磁感应定律,闭合回路中由于磁通量变化而产生感应电动势。 电磁感应产生的电动势,它同导线的性质无关,而仅取决于导线对磁力线的切割。导电液体在磁场内流动也将产生感应电动势。导电流体流过传感器工作磁 场时,在电极上将会产生与体积流量成比例的电动势。电动势的大小为: £ = MDv,其中E为感应电动势;k为常数;B为磁感应强度;D为测量管内径; V为测量管内电极断面轴线方向平均流速。
实际中,由于电磁感应、静电感应以及电化学电势等因素影响,电极上所 得到的电压不仅仅是与流速成比例的电动势,也包含各种各样干扰成分在内:
其中:^Z)v与流速成正比,为流速信号,是携带真实流量信息; ^为微分干扰,^为同相干扰,e为其他干扰(包括共模干扰、串模干扰和
直流极化电压等)。
微分干扰和同相干扰是电磁流量计测量的主要干扰。其他干扰,可以通过 静电屏蔽和良好的接地加以抑止,提高励磁频率或改进励磁方式等方法加以有 效减小他们对流量测量的影响。故可简化为
有上式可以看出,电极电压E与励磁电流各参量有关,只要为导电流体, 电磁流量计均能适用,并且测量不受流体特性影响。另外:流速信号5Z)v的频率 与励磁频率相同;流量信号与励磁电流的相位和波形一致。
在高含水率的油、气、水三相流系统中,管道轴向上和管道横截面上,具 有导电能力的水相一般可认为是连续的,故可以使用电磁法来进行流速测量。
传统的电极大多采用针型电极,这种电极的优点是测量截面弦线上的电压, 加工简单,成本低廉。已有的研究结果表明传统的电磁流量计在测量油水两相 流时:在组分水的含率较高的情况下,测量精度较高;在含水率较低情况下, 测量结果波动较大。原因主要是在含水率较低时,油泡较多,油泡会黏着在探 针表面,导致测量值不准确。本发明采用大面积式电极。
电磁测量管段的管道直径50mm,采用非导磁、高电阻率、低导热率的工程 塑料PVC。如图8 (a)所示管道电极大小为20x26.18mm,紧贴在管道内壁, 如能嵌入到管道内壁尤佳。
如图9所示,处理器通过D/A转换产生低频三值矩形波,信号经过功率放 大后,经励磁线圈得到励磁信号,产生感应磁场。磁场切割流体产生感应电势, 信号经放大、滤波等处理后,处理器通过A/D转换采集信号,并通过计算、修正得到流体流速信号。
如图IO所示是本发明的程序流程图。主控制器采集各个测量电路得到的流 量、浓度、温度、压力等信息后,在通过公式计算、补偿修正等数据处理后, 计算得到实际多相流总体积流量和各组分瞬时体积流量值,并将其显示在液晶 屏上或通过通讯端口传给上位机。
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