透射式油水兩相流超聲檢測系統(tǒng)設計與測試

張濰，譚超

?

透射式油水兩相流超聲檢測系統(tǒng)設計與測試

張濰，譚超

(天津大學電氣與自動化工程學院，天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津，300072)

為實現(xiàn)油水兩相流過程信息的提取和參數(shù)的檢測，設計一種基于超聲透射模式的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)超聲信號發(fā)生、發(fā)射、多通道測試數(shù)據采集、測試數(shù)據處理、存儲及流動信息實時顯示等功能。對不同含油率的油水兩相進行流測試。研究結果表明，該系統(tǒng)能夠有效獲取油水兩相流相含率的變化信號。超聲透射測試信號衰減率與相含率、混相速度相關：在不同水流量條件下，超聲透射信號隨含油率增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；在水包油和油包水過渡流型中，超聲透射測試信號衰減率與混相速度成線性關系。

油水兩相流；超聲檢測；透射式；系統(tǒng)設計；相含率；混相速度

多相流過程廣泛存在于能源、動力、石油、化工、冶金、醫(yī)藥等工業(yè)過程中。多相流問題的研究對促進相關工業(yè)過程工藝、設備的發(fā)展和創(chuàng)新有重要作用[1]。多相流現(xiàn)象經常出現(xiàn)在管道輸送、流化床、電廠以及反應堆等生產過程中，并與安全問題、經濟問題息息相關。對多相流參數(shù)的精確測量可以更好地指導實際工業(yè)過程操作，但多相流參數(shù)測量的難度給工業(yè)界和科學研究提出挑戰(zhàn)[2]。油水兩相流為多相流的一種，是石油工業(yè)中的主要流態(tài)，其流動狀態(tài)受油水兩相含率與流速影響呈現(xiàn)多種復雜的流動結構。準確測量和估計油水兩相流的流型、相含率、流量等參數(shù)對于相關生產工藝設計、流動狀態(tài)預測、生產設備維護等有非常重要的價值。與氣水兩相流相比，油水兩相介質的密度相對接近，流動的波動程度相對較小，因而參數(shù)波動范圍較小且容易出現(xiàn)連續(xù)相轉換現(xiàn)象，對檢測系統(tǒng)與方法設計提出了更高要求。常用的兩相流參數(shù)檢測的方法有：介入式檢測方法，如文丘里、孔板等差壓式測量方法[3]；非介入方式的檢測方法，如微波、射線、超聲等[4]。其中，超聲波在不同的介質中具有不同的衰減系數(shù)并具有很好的方向性，可用來獲取兩相流的分相含率[5]。1955年“鳴環(huán)法”超聲波流量計在美國研制成功，這也是世界上第1臺超聲波流量 計[6]。20世紀70年代，隨著電子技術的高速發(fā)展，超聲波檢測設備與電子設備結合得到進一步發(fā)展[7]。近年來，超聲方法檢測多相流參數(shù)獲得了越來越多的重視，檢測方法主要有反射式、透射式和Doppler 3種。VOLKER等[8]應用反射模式檢測懸濁液并獲得了成功。IHARA等[9]應用超聲透射方法檢測泡狀流紊流條件下速度分布，進而解釋和證實氣泡產生的摩擦阻力減少現(xiàn)象。WILLATZEN等[10]解決了透射聲衰減模式下的聲波傳播非線性問題。CAMILLI等[11]利用超聲Doppler方法進行了相含率測量。IHARA等[12]利用Doppler方法測量頻率變化，對低流速流體的流速分布做出了描述。隨著數(shù)據融合技術的發(fā)展，超聲方法與其他方法進行融合，可以得到更好的測量結果[13]。近年來，超聲測試方法在氣液兩相流動過程的研究中發(fā)展較快，也為油水兩相流的測量提供了一種解決方 案[14?16]。本文作者利用透射模式超聲衰減效應構建了一套兩相流相含率超聲檢測系統(tǒng)，在實驗裝置上進行油水兩相流動態(tài)實驗對該系統(tǒng)進行了測試，并利用相含率范圍、兩相流流型以及多重散射理論對測試結果進行分析。

1 超聲波多相流檢測基本原理

在超聲波檢測技術中，根據超聲波在不同媒質中的反射、折射、衍射和散射等傳播特性，通過對相應傳播特性信息的獲取和分析，即可實現(xiàn)對被測物場的特性的檢測。由于聲波能量與頻率平方成正比，能很好地探測到不透明物體的內部構造。

透射模式超聲檢測方法利用聲波的反射和折射規(guī)律，設為兩相介質分界面處聲阻抗之比：

式中：1和2為相鄰界面的兩相聲阻抗。因此，透射模式的聲壓衰減率T、聲強衰減率T和反射模式的聲壓衰減率R、聲強衰減率R為：

在20℃、垂直入射時，油水聲壓反射率ow=14.73%，油水聲壓透射率ow=85.27%。在油水兩相流中，利用超聲波在穿透油、水介質時，被吸收能量的不同，通過測量聲壓在被測兩相介質場中的衰減，可得到油水介質的分布、相含率和流速等信息。

在油水兩相流檢測過程中，定義如下：

1) 表觀流速：

式中：o和w為油相和水相的表觀流速；o和w為油相和水相的入口流量；為管道截面積。

2) 相含率：

3) 混相速度：

4) 信號幅值衰減率：

式中：w為純水時超聲透射測試信號幅值；o/w為油水兩相流時超聲透射測試信號幅值。

2 透射式超聲檢測系統(tǒng)設計

2.1 超聲檢測系統(tǒng)結構

超聲檢測系統(tǒng)主要包括5個主要部分：超聲波傳感器陣列模塊、激勵信號發(fā)生模塊、信號轉換及超聲波發(fā)射(或接收)模塊，信號采集模塊和計算機處理系統(tǒng)，其結構如圖1所示。其中，信號發(fā)生模塊產生一定頻率的激勵信號；信號轉換及超聲波波發(fā)射(或接收)模塊完成信號的濾波、放大、輸出發(fā)射(或接收)等功能；信號采集和處理模塊，對接收的信號進行A/D轉換和數(shù)據的預處理等功能，并將數(shù)據傳入計算機進行存儲、計算和顯示。

圖1 檢測系統(tǒng)結構圖

2.2 超聲波傳感器陣列

超聲波傳感器選用中心頻率為1 MHz，直徑9 mm的收發(fā)一體超聲波傳感器，分布方式如圖1中超聲傳感器陣列部分所示。超聲波傳感器垂直安裝在管道外壁，相鄰傳感器的夾角相等。每個傳感器以一定的時間間隔輪流被觸發(fā)，依次發(fā)射超聲信號。該信號經過物場后，由相對的傳感器探頭進行接收。

2.3 激勵信號發(fā)生模塊

信號發(fā)生模塊結構如圖2所示，包括電源轉換單元、FPGA(field-programmable gate array)、DDS(direct digital synthesizer)芯片以及濾波放大環(huán)節(jié)。電源轉換模塊為VCVS單元，該模塊將輸入電壓轉換為15 V電源給FPGA供電和3.3 V電源給DDS芯片供電。FPGA作為一個控制單元，為DDS芯片提供控制字，調節(jié)信號頻率。選用時鐘頻率為300 MHz的DDS模塊生成1 MHz的正弦信號。

圖2 超聲波發(fā)生和發(fā)射模塊結構圖

2.4 信號轉換及超聲波收發(fā)模塊

濾波放大環(huán)節(jié)采用四階Butterworth濾波器將DDS生成的正弦信號進行濾波,該環(huán)節(jié)選用Butterworth高通濾波器，截止頻率為800 kHz。放大器將信號放大到±10 V，激勵超聲波傳感器。

2.5 信號采集模塊

超聲信號經過管道中的流動物場，每遇到兩相分界面即產生透射和折射過程，因此會產生諸多頻率與原始頻率不相同的噪聲。為減少該噪聲與系統(tǒng)本身噪聲，本模塊中先對信號進行了濾波處理。信號采集模塊完成超聲信號的濾波、數(shù)模轉換、數(shù)據采集等功能。信號采集模塊結構如圖3所示。

圖3 信號采集模塊結構圖

2.6 計算機處理系統(tǒng)

計算機處理系統(tǒng)包括信號采集模塊的驅動、數(shù)據采集程序、顯示、存儲等。數(shù)據采集程序中完成采樣參數(shù)設置、數(shù)據存儲管理和系統(tǒng)設置等功能，流程如圖4所示。數(shù)據顯示將采集到的多路信號進行實時波形顯示。在數(shù)據存儲管理中，通過設置一個可變的地址，將采集到的數(shù)據以.txt格式存儲在該地址上。系統(tǒng)設置完成對系統(tǒng)的保護和總體控制，該環(huán)節(jié)創(chuàng)建了參數(shù)可變的采樣數(shù)窗口，當實際采集達到該參數(shù)時，程序即跳出循環(huán)停止運行。

圖4 數(shù)據采集程序流程圖

數(shù)據采集系統(tǒng)軟件程序界面由多個選項組成，包括通道選擇與采樣率控制的設置窗口；用于觀察觀察波形是否正確的實時波形顯示窗口；用于采集前設定數(shù)據存儲位置的保存地址設置窗口；另外還包含系統(tǒng)啟動運行開關按鈕，系統(tǒng)狀態(tài)指示信號顯示等。

3 油水兩相流實驗及結果分析

3.1 實驗過程

在水平管路中，針對不同油水比的兩相流進行實驗測試。實驗管路為水平放置的有機玻璃透明管道，便于觀察油水兩相流動狀態(tài)，管道內徑為50 mm。

實驗中改變兩相流流量，調節(jié)水量這3~8 m3/h，每增加1 m3/h測1次，共計6次；調節(jié)油量為0~14 m3/h，每增加1 m3/h測1次，共15次；兩兩匹配共90個測量值。超聲激勵信號為正弦波，幅值10 V、頻率1 MHz。測試信號的采樣頻率為10 MHz。實驗測試時，每個測試點油水配比穩(wěn)定流動持續(xù)2 min，每次測試采樣時間為20 s。實驗條件對應的流型如圖5所示。

圖5實驗條件對應流型圖

3.2 實驗結果

圖6所示為水流量為3 m3/h、含油率分別為0和50%時，超聲傳感器接收的電壓信號。從圖6可見：當油相加入時，采集所得到的信號波形、頻率與超聲激勵信號一致、沒有發(fā)生變化，但信號幅值發(fā)生了一定程度的衰減。

含油率/%：1—0；2—50。

對每個采樣時間內的超聲透射幅值信號取正弦波峰值，然后取平均，得到該采樣時間內的平均幅值，不同含油率下的超聲電壓幅值信號如圖7所示。

水流量/(m3?h?1)：1—3；2—4；3—5；4—6；5—7；6—8。

由式(2)和(3)可得：在超聲波傳播過程中，多重散射是超聲測試信號幅值衰減的主要原因，且衰減量與超聲波在兩相介質傳播過程中遇到兩相分界面數(shù)量近似成正比，也即與流速和含率相關。對于不同含率條件的流動狀態(tài)，存在2種不同衰減形式：1) 當含油率低于30%時，位于流型圖中油包水流型區(qū)域，此時水為連續(xù)相、油為離散相，流動狀態(tài)為水包油；當含油率高于70%時，位于流型圖中水包油流型區(qū)域，此時油為連續(xù)相、水為離散相流動狀態(tài)為油包水[17]。這2種含率條件下，兩相流的油水界面比較清晰、且分布比較規(guī)律，超聲測試信號的衰減主要是透射衰減。超聲測試信號遇到分界面的概率隨離散相含率升高而升高，測試信號的衰減率是隨著離散相含率增加而增大。2) 當含油率在30%~70%時，位于流型圖中油包水和水包油流型區(qū)域，該區(qū)域為水包油與油包水流型交替出現(xiàn)的過渡區(qū)域，測試信號的衰減主要與多重散射相關[18]。隨兩相流混相流速的不同，油水兩相流出現(xiàn)水包油與油包水流型之間的過渡，此時油、水作為離散相交替出現(xiàn)，油水界面分布復雜。當流體速度變大時，油水液滴分散更均勻，超聲測試信號在液滴間發(fā)生多重散射，導致信號的衰減。

在水包油與油包水流型過渡區(qū)間內，相同相含率條件下，超聲波測試信號衰減率與混相速度的關系，如圖8和圖9所示。由圖8可知：超聲波測試信號衰減率與含油率變化趨勢成反比，同一含油率的超聲衰減隨水流量的增加而減小。由圖9可知：超聲波測試信號衰減率隨著油水兩相流混相速度增加而減小，呈近似線性關系。

上述實驗結果說明，測試信號的衰減與油水兩相流含率和速度的變化同時相關。當含油率低于30%或高于70%時，在管道內形成水包油和油包水流型，測試信號的衰減以透射衰減為主，衰減率隨著離散相的含率增加而增大；當含油率為30%~70%時，管道內形成水包油與油包水流型的過渡時，測試信號的衰減以多重散射衰減為主，需通過結合流動狀態(tài)和流速的變化，進一步建立超聲測試的模型，實現(xiàn)油水兩相流相含率等參數(shù)的估計和表征。

4 結論

1) 基于透射模式的超聲波測試信號衰減率與油水兩相流的相含率、混相速度相關；在不同水流量條件下，測試信號衰減隨油相含率增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

2) 當含油率低于30%(水包油流型)或高于70%(油包水流型)時，超聲波測試信號衰減率與相含率和混相速度呈線性關系；當含油率為30%~70%時，超聲波衰減以多重散射效應為主，其衰減率同時受相含率與流速影響。

3) 該系統(tǒng)可廣泛應用于油水兩相流工業(yè)測量中。由于在特定含率條件下，超聲波測試信號衰減與油含率呈現(xiàn)線性趨勢，可以實時估測管道中油的含率，亦可為進一步實現(xiàn)油水兩相流參數(shù)的準確獲取，提供測試工具和方法基礎。

[1] 林宗虎, 王棟, 王樹眾, 等. 多相流的近期工程應用趨向[J]. 西安交通大學學報, 2001, 35(9): 886?890. LIN Zonghu, WANG Dong, WANG Shuzhong, et al. Recent trend towards engineering application of multi-phase flow[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2001, 35(9): 886?890.

[2] 譚超, 董峰. 多相流過程參數(shù)檢測技術綜述[J]. 自動化學報, 2013, 39(11):1923?1932.TAN Chao, DONG Feng. Parameters measurement for multiphase flow process[J]. Acta Automatica Sinica, 2013, 39(11):1923?1932.

[3] THORN R, JOHANSEN G A, HJERTAKER B T. Three-phase flow measurement in the petroleum industry[J]. Measurement Science & Technology, 2012, 24(1):12003?12019.

[4] THORN R, JOHANSEN, G A, HAMMER E A. Recent developments in three-phase measurement[J]. Measurement Science and Technology, 1997, 8(7): 691?701.

[5] ZHAO An, HAN Yunfeng, REN Yingyu, et al. Ultrasonic method for measuring water holdup of low velocity and high-water-cut oil-water two-phase flow[J]. Applied Geophysics, 2016, 13(1):179?193.

[6] 蘇茜, 董峰. 油水兩相流超聲波衰減測試方法[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2016, 47(2):647?653.SU Qian, DONG Feng. Ultrasound attenuation measurement in oil-water two-phase flow[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2016, 47(2):647?653.

[7] DONG Xiaoxiao, TAN Chao, YE Yuan, et al. Measuring oil–water two-phase flow velocity with continuous-wave ultrasound doppler sensor and drift-flux model[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement, 2016, 65(5):1098?1107.

[8] VOLKER A, de KROON M. Characterization of suspensions by ultrasonic reflection measurements[J]. Ultrasonics, 1998, 36(1): 283?289(7).

[9] MURAI Y, FUJI H, TASAKA Y. Turbulent bubbly channel flow investigated by ultrasonic velocity profiler[J]. Journal of Fluid Science and Technology, 2006, 1(1): 12?23.

[10] WILLATZEN M, KAMATH H. Nonlinearities in ultrasonic flow measurement[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2007, 19(2): 79?84.

[11] CAMILLI R, DI I D, BOWEN A, et al. Acoustic measurement of the deepwater horizon macondo well flow rate[J]. Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America(PNAS), 2012, 109(50): 20235?20239.

[12] IHARA T, KIKURA H, TAKEDA Y. Ultrasonic velocity profiler for very low velocity field[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2013, 34(6): 127?133.

[13] ZHAI Lusheng, JIN Ningde, GAO Zhongke. The ultrasonic measurement of high water volume fraction in dispersed oil-in-water flows[J]. Chemical Engineering Science, 2013, 94(5): 271?283.

[14] CHAUDHURI A, SINHA D N, ZALTE A. Mass fraction measurements in controlled oil-water flows using noninvasive ultrasonic sensors[J]. Journal of Fluids Engineering, 2014, 136(3): 1?8.

[15] COUTINHO F R, OFUCHI C Y, ARRUDA. L V R. A new method for ultrasound detection of interfacial position in gas-liquid two-phase flow[J]. Sensors, 2014, 14(5): 9093?9116.

[16] ABBASZADEH J, RAHIM H B A, RAHIM R B A. Frequency analysis of ultrasonic wave propagation on metal pipe in ultrasonic tomography system[J]. Sensor Review, 2014, 34(1): 13?23.

[17] TRALLERO J L, SARICA C, BRILL J P. A study of oil/water flow patterns in horizontal pipes[J]. SPE Production and Facilities, 1997, 12(3): 165?172.

[18] MCCLEMENTS D J, POVEY M J W. Scattering of ultrasound by emulsions[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 1989, 22(1): 38?47.

Design and testing of measurement system for oil-water two-phase flow based on ultrasonic transmission mode

ZHANG Wei, TAN Chao

(Tianjin Key Laboratory of Process Measurement and Control, School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

A transmission mode acoustic system was designed for oil-water two phase flow measurement. The system can be used for signal generation, signal emission, multi-channel data acquisition, data procession, data saving and data visualization and etc. The experiment of oil-water two-phase flow with different oil contents was carried out. The results show that the system can successfully acquire changing signal of oil-water two-phase flow. By analyzing the experiment data, the attenuation of the amplitude of transmission mode ultrasound test voltage is found to have relationship with phase volume fraction and phase velocity. For different quantities of water, ultrasound test voltages increase first and then decrease with the increase of oil contents. In water in oil and oil in water flow pattern transition, the attenuation has a linear relationship with mixed phase velocity.

oil-water two-phase flow; ultrasonic testing; transmission mode; system design; phase volume fraction； mixed phase velocity

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.046

TP216，TH814+.92

A

1672?7207(2016)09?3252?06

2015?05?15；

2015?09?25

國家自然科學基金資助項目(61227006，61473206)；天津科技創(chuàng)新體系及平臺建設計劃資助項目(13TXSYJC40200) (Projects(61227006, 61473206) supported by the National Natural Science Foundation of China? Project(13TXSYJC40200) supported by the Science and Technology Innovation Plan of Tianjin)

譚超，博士，副教授，從事多相流測試技術與系統(tǒng)研究；E-mail: tanchao@tju.edu.cn

(編輯 趙俊)