基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置

IPC分类号 : G01N22/00

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CN201921977173.3

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专利摘要

本实用新型提供了一种基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置。所述检测装置包括信号源、功分器、同轴线传感器机构、鉴相器和数字多用表。本实用新型根据同轴电缆的结构设计出同轴线传感器机构，内外电极同轴心，内外电极与中间流体形成电场，流体从一侧流入，另一侧流出，流体的状态变化会导致介电常数发生变化，导致流入端与流出端发生相位变化。气相与液相的介电常数不同，在相含率不同的情况下所得的相位差输出信号也不同，因此可以通过相位差输出信号得到相应气液两相流的相含率。本实用新型利用电磁波通过不同传输介质传播特性不同相关原理，实现了对两相流本身进行测量，并且能够实现在线监测。

权利要求

1.一种基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置，其特征是，包括信号源、功分器、同轴线传感器机构、鉴相器和数字多用表；

所述同轴线传感器机构包括左右两侧透明管段以及中间的同轴线传感器测量管段；左侧透明管段包括透明亚克力管以及设置在所述透明亚克力管两端用于固定所述透明亚克力管的第一法兰，透明亚克力管两端的两个第一法兰之间通过法兰固定杆固定连接；右侧透明管段的结构与左侧透明管段的结构相同；

所述同轴线传感器测量管段包括金属圆管以及设置在所述金属圆管两端用于固定所述金属圆管的第二法兰，第二法兰与和其相邻的第一法兰之间通过螺栓螺母固定连接；在所述金属圆管的轴心线上设置有实心的金属杆，所述金属杆的两端通过同轴支架固定在所述第二法兰的中心；在所述金属杆的外部套设有绝缘层；所述金属杆以及所述金属圆管分别作为内电极和外电极与外部电源相接；

所述信号源用于产生特定频率的电磁波信号；所述信号源所产生的电磁波信号经所述功分器后形成两路频率、相位均对应相同的电磁波信号，两路电磁波信号分别传输至所述同轴线传感器机构和所述鉴相器，电磁波信号在所述同轴线传感器机构内经气液两相流后相位会发生偏移；所述鉴相器接收由同轴线传感器机构和功分器输出的信号并进行比较、处理，并将相位信号转换为电压信号，再将转换后的电压信号发送至所述数字多用表；所述数字多用表对接收到的电压信号进行处理、显示，从而可获得气液两相流的各相相含率。

2.根据权利要求1所述的基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置，其特征是，所述信号源采用AD9959 DDS信号发生器。

3.根据权利要求1所述的基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置，其特征是，所述鉴相器包括AD8302芯片。

4.根据权利要求1所述的基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置，其特征是，在相邻的第一法兰和第二法兰之间设置有橡胶垫，在所述橡胶垫上开有导线孔，所述金属杆通过穿接在导线孔内的导线与外部电源相接。

5.根据权利要求1所述的基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置，其特征是，所述金属圆管的两端与所述第二法兰之间通过焊接方式固定在一起。

说明书

技术领域

本实用新型涉及多相流检测技术领域，具体地说是一种基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置。

背景技术

气液两相流相含率检测方法有快关阀法、电容法、电导法、微波法、PIV(PARTICLEIMAGEVELOCIMETER，粒子图像测速技术)法等。

快关阀法是一种常用的含气率标定手段。在测试管段两侧分别安装一个快关阀，当气液两相流体流过时，便快速截取，待二者分离后可得到液相体积，从而得到含气率。但是，切断流体系统会干扰管道内流动的流体，不利于高流速、高压力下的气液两相流含气率测量。同时，选择的气液两相流流动结构和快关阀门间距对测量精度影响较大。

电容法利用管道内流体介质的介电常数变化可实现原油含水率的测量。油水介电常数相差很大，当油水含量发生变化时，会导致电容也发生变化。电容法具有结构简单，安装方便，成本低的优点。但是，电容传感器的电容量较小，使得测量范围受到限制，且容易受到寄生电容的影响。

电导率法是根据测量电极之间的电压与传感器测量区间内的各相导电率不同的关系来得到油气水混合液的含水率等有效参数。电导法结构相对简单，响应速度快，在高含水率测量方面具有很好的优势。但是，传感器灵敏度容易受到电极间不均匀电场的影响，并且油田所含矿物质复杂，不利于现场应用。

微波法属于非接触式的原油含水率测量方法，微波信号经过不同流体时，鉴于不同混合相的介电常数不同，便引起微波信号振幅、相位和传播速度的变化。通过微波测量传感器检测出各种非电量的变化，就可以实现原油含水率的检测。微波法测量范围较大，能很好地解决原油流型变化的问题，相对于对人体伤害很大的射线法，微波法对人体无不良辐射。但是，流体流动系统是非常复杂的，微波和油、气、水介质的具体关系还有待深入研究。同时，传感器发射和接收系统容易受到外界环境的干扰，油田现场电磁干扰较大会降低仪器的测量精度。

PIV法是一种新的流动测量技术，通过多次曝光的方法，获得流场中粒子在给定的不同时刻像的位置，从而测出各粒子相应时刻在流场中相应位置处的位移，进而得到其相邻曝光间隔的平均速度。可以实现整个流场的快速测量，受干扰小，但是需要在透明管道下进行，成本高，难于在现场应用。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置，为气液两相流相含率的测量提供了一种新装置。

本实用新型是这样实现的：一种基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置，包括信号源、功分器、同轴线传感器机构、鉴相器和数字多用表；

所述信号源采用AD9959 DDS信号发生器。

所述鉴相器包括AD8302芯片。

在相邻的第一法兰和第二法兰之间设置有橡胶垫，在所述橡胶垫上开有导线孔，所述金属杆通过穿接在导线孔内的导线与外部电源相接。

所述金属圆管的两端与所述第二法兰之间通过焊接方式固定在一起。

本实用新型根据同轴电缆的结构设计出同轴线传感器机构，内外电极同轴心，内外电极与中间流体形成电场，流体从一侧流入，另一侧流出，流体的状态变化会导致介电常数发生变化，导致流入端与流出端发生相位变化。气相与液相的介电常数不同，在相含率不同的情况下所得的相位差输出信号也不同，因此可以通过相位差输出信号得到相应气液两相流的相含率。

本实用新型利用电磁波通过不同传输介质传播特性不同相关原理，实现了对两相流本身进行测量，并且能够实现在线监测。运用中间流体经过内外电极可以改变电磁波传输特性，另外气、液两相介电常数存在差异，利用介电常数的差异获得不同的相位差输出信号，利用相关运算可以得到两相流的相含率，为气液两相流相含率的测量提供了一种新的思路。

附图说明

图1是本实用新型中装置的结构框图。

图2是本实用新型中同轴线传感器机构的结构示意图。

图3是本实用新型中同轴线传感器机构的轴向剖面图。

图4是本实用新型中在橡胶垫上开缺口处的局部示意图。

图5是本实用新型中AD9959 DDS信号发生器的原理图。

图6是本实用新型中AD8302芯片及其外围电路图。

图中：1、第一法兰；2、第二法兰；3、橡胶垫；4、透明亚克力管；5、金属圆管；6、法兰固定杆；7、螺丝孔；8、缺口；9、压线孔；10、导线孔；11、导线槽；12、同轴支架；13、外侧卡接沿；14、内侧卡接沿；15、径向支撑板；16、金属杆。

具体实施方式

实施例1，一种基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置。

如图1所示，本实用新型所提供的基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置包括信号源、功分器、同轴线传感器机构、鉴相器和数字多用表。

如图2和图3所示，同轴线传感器机构包括左右两侧透明管段以及中间的同轴线传感器测量管段。左右两侧透明管段的结构相同。以左侧透明管段结构为例进行介绍：左侧透明管段包括透明亚克力管4以及设置在透明亚克力管4两端用于固定透明亚克力管4的第一法兰1，透明亚克力管4两端的两个第一法兰1之间通过法兰固定杆6固定连接。透明亚克力管4的两端嵌接在两个第一法兰1的中心孔(为圆形通孔)内，具体是：可以在两个第一法兰1相对的中心孔内设置卡接沿，使透明亚克力管4的两端卡接在第一法兰1中心孔的卡接沿上，然后再采用法兰固定杆6将两个第一法兰1的相对位置进行固定，进而可实现对透明亚克力管4的固定。法兰固定杆6与第一法兰1之间可以由销钉进行固定连接。本实施例中两个第一法兰1之间由均匀分布的四根法兰固定杆6进行固定。第一法兰1和法兰固定杆6均由金属材料制成。

同轴线传感器测量管段包括金属圆管5以及设置在金属圆管5两端用于固定金属圆管5的第二法兰2。同轴线传感器测量管段在与左右两侧透明管段连接时，是通过第二法兰2与和其相邻的第一法兰1连接在一起的。在第一法兰1上距离其中心处均匀分布有四个螺丝孔7，在第二法兰2上开设有与第一法兰1上的螺丝孔7一一对应的螺丝孔，通过穿接过第一法兰1和第二法兰2上的螺丝孔的螺栓，并在螺栓的外露端部旋接螺母即可实现对第一法兰1和第二法兰2的固定。

本实用新型中在相连接的第一法兰1和第二法兰2之间还设置有用于防水的橡胶垫3，为了使橡胶垫3与第一法兰1和第二法兰2紧密固定连接，在橡胶垫3上同样开设有与第一法兰1上的螺丝孔7一一对应的螺丝孔。第一法兰1的中心孔、第二法兰2的中心孔以及橡胶垫3的中心孔均相互对应，且大小相同。

在两个相对的第二法兰2的中心孔内设置有相对的内侧卡接沿14，金属圆管5的两端分别卡接在两个第二法兰2的内侧卡接沿14上。第二法兰2与金属圆管5均由金属材料制成，且两者通过焊接方式固定在一起。

在金属圆管5的轴心线上设有实心的金属杆16，金属杆16的两端通过同轴支架12固定在第二法兰2的中心孔内。同轴支架12由外侧的圆筒以及圆筒内的径向支撑板15构成。同轴支架12由尼龙材料制成。在第二法兰2中心孔内的内侧卡接沿14的背面设有外侧卡接沿13，同轴支架12通过其外侧的圆筒卡接在第二法兰2中心孔的外侧卡接沿13上。在同轴支架12的径向支撑板15中心开有通孔，金属杆16的两端穿接在径向支撑板15的中心通孔内。在金属杆16的外侧设置有绝缘层，以避免其与外部金属圆管5之间导通，同时避免其受到管道内流体等的干扰。

金属圆管5和金属杆16分别构成了外电极和内电极，两者同轴心，内电极长度略大于外电极长度，有时可粗略认为两者等长。内外电极与中间流体形成电场，流体从一侧流入，另一侧流出，流体的状态变化会导致介电常数发生变化，导致流入端与流出端发生相位变化。

金属圆管5和金属杆16均与外部电源相接。由于金属圆管5与第二法兰2固定焊接在一起，且两者均为金属，因此对于金属圆管5与外部电源的连接比较简单。对于金属杆16来说，则需要设置穿过同轴支架12以及橡胶垫3的导线，进而通过导线实现金属杆16与外部电源相接。本实用新型中金属杆16的两端与同轴支架12的端部齐平，在径向支撑板15上开与板面平行的导线槽11，同时在橡胶垫3上沿径向开导线孔10，结合图4，导线槽11与导线孔10处于同一直线上。在橡胶垫3的边缘开一缺口8，与金属杆16相连接的导线可通过导线槽11、导线孔10以及缺口8伸出来。在第二法兰2上与橡胶垫3上缺口8对应的位置处开压线孔9，压线孔9与第二法兰2上的螺丝孔处于同一圆弧上，且压线孔9到相邻螺丝孔之间的距离相等，压线孔9用于固定引线同时与外电极起连接作用，具体是：通过在压线孔9内设置导线，并使该导线通过缺口8伸出来，可实现第二法兰2(金属圆管5)与外部电源的连接。

右侧透明管段与左侧透明管段大小、形状相同且互为对称结构。同轴线传感器机构作为三体结构，整体为一中心对称结构。除透明亚克力管4、橡胶垫3以及由尼龙材料制备的同轴支架12外，同轴线传感器机构中的其它部件均由金属材料制成。

结合图1，信号源用于产生一定频率的电磁波信号，电磁波信号经DDS通道传输至功分器，由功分器产生两路频率、相位等传输参数均对应一致的电磁波信号，这两路电磁波信号同时传输至同轴线传感器机构和鉴相器。当测量气液两相流相含率时，流体从左侧透明管段经中间同轴线传感器测量管段进入到右侧透明管段，当两相流体通过内外电极间形成的检测电场时，相含量发生变化导致两相流体等效介电常数也随之改变，从而直接影响测量值。电磁波信号在同轴线传感器机构内经气液两相流混合介质后相位会发生偏移；鉴相器接收由同轴线传感器机构和功分器输出的信号并进行比较、处理，并将相位信号转换为电压信号，再将转换后的电压信号发送至所述数字多用表；数字多用表对接收到的电压信号进行处理、显示，从而可获得气液两相流的各相相含率。

本实用新型中的信号源采用AD9959 DDS信号发生器。如图5所示，AD9959使用了高级别直接数字频率合成器DDS技术，由四个DDS内核构成，形成四个通道(500MSPS)，每个通道均采用高位数比例乘法器，集成了高速10bit DAC。串行I/O的四种可编程模式可通过四个数据引脚(SDIO_0/SDIO_1/SDIO_2/SDIO_3)控制，灵活性强。而且每个通道都具有调节频率、相位的功能，具有14位相位偏移分辨率；而且还有功耗低、灵活的优点。在制板方面，采用56引脚LFCSP封装，极大节省了空间。对于温度干扰方面，在-40℃～+85℃工业温度下也可正常工作，耐温性强。供电电压为5V，模块带宽200MHz，输出波形为标准正弦波，模块最大输出幅值为500mVPP左右，并且可以根据实际需要改变频率大小，最大输出电压随着频率增大而减小。

本实用新型中的鉴相器由AD8302芯片作为主要检测模块，AD8302芯片能够测量从低频到2.7GHz频率范围内两输入信号之间的相位差。如图6所示，AD8302芯片及其外围电路中，相位差与输出电压成线性关系，电路相位测量范围为0至180°，输出电压范围为30mV～1.8V。输入端浮空时，输出0.9V，可作为判断电路是否运行正常的参数。AD8302芯片及外围电路外部接线端包括两个信号输入端、电源接口、相位差输出部分。供电电源选择5V，信号输入端用于接入两路由DDS通道传输的电磁波信号，其中一路由同轴电缆传输，另一路经过同轴线传感器机构传输。接入后通过芯片内部对数放大器和对数检波器来实现两个参数的测量。

实施例2，一种基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测方法。

本实施例以气水两相流为例介绍基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测方法，具体步骤如下：

a、搭设如实施例1所述的气液两相流相含率检测装置。

b、向同轴线传感器机构内通入待测气水两相流。通过左右两侧透明管段可观察流体的流动状态。

c、信号源产生特定频率的电磁波信号传输至功分器，由功分器输出两路频率、相位均对应相同的电磁波信号。

d、功分器输出的两路电磁波信号分别传输至同轴线传感器机构和鉴相器，电磁波信号在同轴线传感器机构内经气水两相流后相位会发生偏移，经同轴线传感器机构后的电磁波信号同样发送至鉴相器。

在待测的气水混合介质通入之前，打开测量电路进行测量，即在无流体介质的管道内测试，观察上位机变化，进行校准。之后打开气阀门，气体以一定流速流经同轴线传感器机构，待稳定后，记录相位差输出值为1.033V。管道中通入气体时的相位差输出值，作为含气率为100％时的基准。

由于介电常数和电导率变化会改变电磁波传输特性，因此经过同轴线传感器机构的电磁波信号在气水混合介质中传输会产生相位差变化，故可以根据检测出的电磁波传输特性结果来判断气水两相各自含量。

依据麦克斯韦方程，同轴线传感器测量管段内的电磁波以TEM波传输时，相位常数β可表示为：

式(1)中：

σ-同轴线传感器测量管段内介质等效电导率(S·m-1)；

ω-信号角频率(rad·s-1)；

ε0-真空绝对介电常数，ε0＝8.85×10-12F/m；

μ0-真空磁导率，μ0＝4π×10-7H/m；

εgw-同轴线传感器测量管段内气水混合介质相对介电常数。

当σ/(ωε0εgw)＜＜1时，推导得：

因此，当频率一定时，TEM波经过长L的同轴线传感器测量管段产生的相位移为

式(3)中，L指同轴线传感器测量管段长度，这里具体指金属圆管长度。

e、鉴相器接收由同轴线传感器机构和功分器输出的信号并进行比较、处理，并将相位信号转换为电压信号，再将转换后的电压信号发送至数字多用表。

本实用新型中鉴相器包括AD8302芯片。AD8302利用对数放大器的对数压缩原理，并通过精密匹配的两个宽带对数检波器来实现对两输入通道信号相位的测量，其相位差测量方程式如下：

VPHS＝VΦ[Φ(VINA)-Φ(VINB)](4)

式(4)中：

VΦ-增益斜坡电压/-10mV/(°)

Φ(VINA)-接收到的同轴线传感器机构输出信号的相位/(°)

Φ(VINB)-接收到的功分器输出信号的相位/(°)

VPHS-相位差转换为电压后的输出值/(V)

设功分器输出信号传输至同轴线传感器测量管段前信号的相位变化量为ΔΦINA0，信号经同轴线传感器测量管段后的相位变化量为ΔΦINA，功分器输出信号传输至鉴相器前信号的相位变化量为ΔΦINB，结合公式(1)-(4)可得到相位差响应值随介质混合介电常数变化规律：

式(5)中，k0、k1均为常量。

k0与激励源频率f、增益斜坡电压VΦ和测量端长度L有关，可根据所选择频率确定该系数值。当测量段中为纯空气介质时，相对介电常数值为1，此时，可根据确定的k0值和基准值求得k1。由此，当f＝35MHz，L＝0.25m时，得到相位差输出测量模型：

f、数字多用表对接收到的电压信号进行处理、显示，从而可获得气液两相流的各相相含率。

数字多用表接收鉴相器输出的电压信号，并根据公式(6)计算气水的混合介电常数εgw，之后根据气水的混合介电常数εgw，并结合下面公式计算空气和水的各相含率：

εgw＝mεwβw+nεgβg(7)

βw+βg＝1(8)

式(7)和式(8)中，βw为水相相含率，βg为气相相含率，εw为纯水时流体的介电常数，εg为纯空气时流体的介电常数，m和n为系数；m和n可通过实验拟合得到，具体拟合过程为：使已知相含率的气水两相流流入本实用新型的检测装置中，由鉴相器测量两路信号的相位差，数字多用表根据公式(6)求出流体的复合介电常数εgw，纯水时流体的介电常数εw已知(根据纯水实验测得)，纯空气时流体的介电常数εg也已知(根据纯气实验测得)，同时已知气相、水相的相含率(即βg和βw均已知)，通过流体的复合介电常数εgw、纯水时流体的介电常数εw、纯气体时流体的介电常数εg、水相相含率βw和气相相含率βg五个量，可拟合出相应的计算公式，得到m和n的具体值。

基于同轴线相位法的气液两相流相含率检测装置专利购买费用说明