用于气液两相流测量的十字微波传感器及测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于气液两相流测量的十字微波传感器，置于测量管道内，包括两个相互垂直的插入式天线，分别位于测量管道内的不同截面上，天线的外表面覆盖有绝缘材料，天线中心位于测量管道的轴心。本发明专利技术同时提供基于所述的十字微波传感器的微波气液两相流相含率测量装置和微波气液两相流测量系统。本发明专利技术能够感测不同流场敏感区域的信号强度，实现气液两相在线不分离的准确计量，解决现有气液两相流量计测量含率范围窄等问题。

【技术实现步骤摘要】
用于气液两相流测量的十字微波传感器及测量系统
本专利技术涉及流量测量
，具体为一种十字天线法微波气液两相流相含率测量装置。
技术介绍
天然气和石油能源广泛的应用于石油、化工、核能、制冷、动力、冶金等工业生产过程中，由于地下条件和开采手段等原因，石油和天然气常以气液两相流的状态存在。气液两相流的过程参数测量对生产调控、设计制造、安全管理具有重要的指导作用，更对工业生产规划和计量、新能源开发、技术创新有促进作用，因此需要准确计量。由于气液两相流的流动规律相比于单相流更为复杂，是因液体的密度一般比气体密度大很多，由于重力原因使得液体趋向于管道底部流动，造成了流型的复杂化，所以许多单相流测量的方法就无法适用于气液两相混合流动。解决气液两相流量测量问题的主要目标就是获得气相和液相在测量过程中的占比值，所以实现气液两相流相含率的测量尤为重要。气液两相流相含率测量方法一般可分为在线分离测量法和在线不分离测量法。现有技术各有优缺点：在线分离测量法是油田和气田常用测量气液两相流相含率的方法。分离计量原理简单，大多以重力沉降型气液分离器为主，由于气液密度差距悬殊，气体密度小质量轻，液体密度大质量大，随着流动进入分离器后自然分层，气液分离后分别进入气相测量管道和液相测量管道，此时两相计量转换为单相计量。目前该技术应用最为广泛，但要将气液分离干净，就需要足够长的时间和足够大的分离器，制造成本非常高，且分离器对于直径100um以下的雾化状液滴分离效率极低，其分离干净程度将直接影响后续单相仪表的测量精度。为解决在线分离测量气液两相流相含率的技术难点，科研人员采用多传感器融合技术研究出各种新式在线不分离气液两相流相含率测量传感器。(1)快关阀装置采用快速截止阀法，一般安装在垂直管路上，当气液两相流体稳定通过测试段后，同时关闭两个关断阀和关断阀，两阀门关闭的响应速度应非常快，在测试管段中气液重力分离，利用电学传感器来测量液面高度，反算相含率。快速截止阀法测量精度较高，但其测量性能受关断阀体响应时间、探测管路长度、测量次数等影响，无法达到实时测量，主要应用于实验室中气液两相流相含率的标定测量。(2)列阵电导传感器采用金属丝网法，多根金属导线交叉放置在管道内，形成网状结构，它通过测量导线交叉点的电特性-电导率或介电常数，得到流体局部电特性信息，从而反映出截面含气率。因金属丝网是电学测量，其实时性强，且丝网网格数量决定空间分辨率，网格数量越多分辨率越高；但网格数量不能无限增加，会阻碍流体流动，且测量有杂质的流体时传感器易损坏，其维护成本高。因此列阵电导传感器主要应用于实验室内获取气液两相流相含率真值，未在实际工程中应用。(3)基于射线法的含水仪，利用γ射线对介质有较强的穿透能力，透过不同密度介质后被吸收光子数量不同，造成衰减量不同，且能量吸收遵循朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，介质密度越大衰减越大。空气的密度相对于液相密度很小，则气液两相流体中主要是截面上的液相含率引起射线能量衰减；通过测量γ射线透过混合介质后的衰减量来得到混合介质密度，进而求解截面含率与体积含率。γ射线由随时间而衰减的化学核子源产生，因射线固有的放射性，对人体有一定的损害，且放射性物质的存储以及设备维护都存在一定难度，因此相关产品多用于人员稀疏的海油平台，未在实际工程中广泛应用。(4)科氏质量流量计采用质量流量法，直接测量流体的质量流量，当流体流过振动的测量管时，受到科里奥利力的作用，测量管会发生扭曲，流体的质量流量和扭转角成正比，再对质量流量计进行系数标定即可得到总质量流量和混合密度，进而求解体积含气率。流体以气液混合态存在会增加质量流量计的机械损失和阻尼比，使得流量管振幅减小，流量测量数值变小；且阻尼比与密度成反比，常温常压下气体的密度远小于液体的密度，当气相含率大时，混合密度小，增加的阻尼比会导致测量管振幅小甚至停震，造成扭转角无法测量，因此科氏质量流量计无法适用于50％以上高含气率的流体测量。(5)电容传感器采用电容法，将被测物理量转化为电容量变化，当传感器结构一定时，电容量只与被测介质的介电常数成正比。由于空气和水的介电常数相差较大，且气水在交变电场下极化现象不同，等效介电常数并非为气水介电常数的算数平均值，因此很多学者研究等效混合介电常数的经验模型，例如在气液两相处于层流状态下，分界面平行于极化电场的电力线时有并联模型，当两种媒质的分界面垂直于极化电场的电力线时有串联模型。但气液两相流流动状态非常复杂，大多数情况处于无规则的流动型态，所以串并联模型无法适用于实际的工况条件。当含水率超过30％～50％时，连续相水成为连接气水的导体电容器的电极，电容传感器两极板连接在一起失去了电容的作用；且随着含水率的增加，电容器的介电常数变化不再敏感，电容传感器也就在高含水时失去了空间分辨率。因此电容传感器不适用于高含水的气液两相流流量测量。(6)微波传感器同时利用电介质的介电特性与气液在超高频率下电磁变化的特性，微波的测量频率更高，可以克服电容传感器分辨率低的问题和降低导电介质对测量的影响。利用微波传感器作为测量手段的方法有很多，包括：同轴线法、谐振腔法、空间波法等。各种方法都需匹配适当的传感器结构和测量模型，以实现被测物中含水率的测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是基于电介质在微波高频磁场与电场相互转化中的极化现象，根据气液的介电特性和气液两相流体之间相互作用规律，提供一种新型天线结构的微波传感器，并提供基于此种传感器的气液两相流相含率测量装置及流量测量系统。本专利技术能够实现气液两相在线不分离的准确计量，解决现有气液两相流量计测量含率范围窄等问题。本专利技术采取以下技术方案：一种用于气液两相流测量的十字微波传感器，置于测量管道内，包括两个相互垂直的插入式天线，分别位于测量管道内的不同截面上，天线的外表面覆盖有绝缘材料，天线中心位于测量管道的轴心。优选地，天线外径L为4～6mm。优选地，两个天线之间的距离ΔL为20～40mm。优选地，天线的外表面喷涂有保持天线绝缘性的聚四氟乙烯。优选地，测量管道为水平测量管道，两个天线，一个为水平天线，一个为竖直天线，水平天线更靠近测量管道的入口端。本专利技术同时提供基于所述的十字微波传感器的微波气液两相流相含率测量装置，包括测量管道，所述的十字微波传感器和信息处理器，两个天线输出的微波信号被送入信息处理器；信息处理器，用于获得气液两相流体的截面含率。进一步地，信息处理器，还用于通过迭代计算获得气液两相流体的体积含率。本专利技术同时还提供基于所述的十字微波传感器的微波气液两相流测量系统，其特征在于，包括测量管道、所述的十字微波传感器、节流装置、差压传感器、压力传感器和信息处理器，其特征在于，两个天线输出的微波信号、差压传感器获取的差压信号、压力传感器输出的测量管道内的压力信号被送入信息处理器，由信息处理器获得气液两相流体的截面含率，通过迭代计算获得气液两相流体的体积含率，并计算出气液两相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于气液两相流测量的十字微波传感器，置于测量管道内，包括两个相互垂直的插入式天线，分别位于测量管道内的不同截面上，天线的外表面覆盖有绝缘材料，天线中心位于测量管道的轴心。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于气液两相流测量的十字微波传感器，置于测量管道内，包括两个相互垂直的插入式天线，分别位于测量管道内的不同截面上，天线的外表面覆盖有绝缘材料，天线中心位于测量管道的轴心。


2.根据权利要求1所述的十字微波传感器，其特征在于，天线外径L为4～6mm。


3.根据权利要求1所述的十字微波传感器，其特征在于，两个天线之间的距离ΔL为20～40mm。


4.根据权利要求1所述的十字微波传感器，其特征在于，天线的外表面喷涂有保持天线绝缘性的聚四氟乙烯。


5.根据权利要求1所述的十字微波传感器，其特征在于，测量管道为水平测量管道，两个天线，一个为水平天线，一个为竖直天线，水平天线更靠近测量管道的入口端。


6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的十字微波传感器的微波气液两相流相含率测量装置，包括测量管道，所述的十字微波传感器和信息处理器，两个天线输出的微波信号被送入信息处理器；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，于晓飞，张景丽，陈增辉，
申请(专利权)人：天津市天大泰和自控仪表技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12