量化油-气-水三相介质中离散相物理特征的超声复数域方法技术

本发明专利技术涉及一种量化油

【技术实现步骤摘要】
量化油
‑
气
‑
水三相介质中离散相物理特征的超声复数域方法


[0001]本专利技术属于多相介质物理特征的超声法参数测量与成像领域，涉及一种量化油
‑
气
‑
水三相介质中离散相物理特征的超声复数域方法
。

技术介绍

[0002]多相介质广泛存在于能源
、
化工
、
航空航天
、
医疗
、
制药等行业
。
准确检测多相介质的工艺参数对保证生产安全和效率
、
经济效益至关重要
。
其中，超声过程参数检测方法具有非侵入
、
无扰动
、
检测不受介质的矿化度干扰
、
操作便捷
、
环境友好等优点
。
[0003]根据过程参数检测结果是否可视化，超声过程参数检测方法分为两类
。
一类是量化相含率
、
流速和颗粒尺寸等过程参数的测量
(Measurement)
方法
。
另一类是通过不透明管道可视化流体分布和流动模式的成像
(Imaging)
或层析成像
(Tomography)
方法
。
这两种方法都存在检测精度低和检测范围窄的问题
。
在测量方法方面表现为是相含率
、
流速和离散相粒径的测量精度差；在可视化方法方面表现为离散相的形状
、
大小和空间位置分布畸变以及图像伪影
。
上述原因之一是在采集的超声数据数量不足导致空间采样精度低
。
在现有的研究中，通常使用单个压电晶片超声波传感器，探头的体积及晶片尺寸较大，限制了采集的超声波信号的总数
、
使空间采样率降低，导致检测设备难以获得离散相的精确空间分布
。
[0004]为了解决单个压电晶片超声传感器导致的超声数据采集数量少和空间采样精度低的问题
。
一些学者提出了基于
UPA
传感器的过程参数测量或可视化方法
。UPA
传感器将许多超声波晶片以阵列形式集成于一个探头中，能够通过增加空间采样率来提高超声数据采集的准确性
。
然而，造成检测精度低和检测范围窄的其他问题仍然需要解决
。
例如，超声信息的利用方法单一
。
首先，现有的超声法过程参数检测中，无论传感器选型如何，超声数据集均是从声压幅值或声波渡越时间
(Time of flight,TOF)
的单一角度构建的
。
然后，与过程参数检测方法配套的多相介质物理特征描述方法，主要适用于离散相为高声阻抗介质的气
‑
水或颗粒
‑
水两相介质
。
对于含有低声阻抗离散相的油水两相介质，尤其是油气水三相介质的工业过程参数鲜有涉及
。
最后，在现有的超声检测方法几乎都依赖于反射模式的超声波信息，但透射模式更有利于描述弱声阻抗介质的物理特性
。
因此，现有的所有超声波检测方法都不能准确数值化描述油气水三相介质中气相和油相的物理特性
。
原因如下：第一，缺乏透射模式超声信息的利用方法；第二，缺乏通过超声幅值与
TOF
信息的整合方法；第三，缺乏用于精确数值化描述气相和油相物理特征的超声数据集构建方法
。
[0005]本专利技术面向多相介质物理特征的超声法参数测量与成像领域
。
涉及利用超声相控阵
(Ultrasonic phased array,UPA)
传感器
、
超声波前向散射现象
、
复数域声压方法以及支持向量机
(Support vector machine,SVM)
方法，整合超声波的幅值和相位特征于同种数据集，可以实现通过透射模式超声信息定量的精确描述油
‑
气
‑
水三相介质中作为离散相的气泡与液滴的尺寸
、
空间位置
、
声阻抗大小及差异信息，以及三相介质中气泡与液滴超声数据的分离
。

技术实现思路

[0006]本专利技术基于超声相控阵传感器和超声波前向散射现象，提出了一种量化油
‑
气
‑
水三相介质中离散相物理特征的超声复数域方法
。
本专利技术构建一套复数域声压主导的数据集和配套指标，实现了通过透射模式超声信息精确的数值化描述油
‑
气
‑
水三相介质中作为离散相的气泡与液滴的尺寸
、
空间位置
、
声阻抗高低及差异信息，进而实现了气泡与液滴超声数据的分离
。
技术方案如下：
[0007]一种量化油
‑
气
‑
水三相介质中离散相物理特征的超声复数域方法，用于油气水三相介质中，气泡与油泡的泡径
、
泡心位置
、
声阻抗的数值化描述，以及气泡与油泡声阻抗差异的数值化描述；设用于发射平面波的
UPA
探头为
TX
探头，用于接收被检测场域超声信号的
UPA
探头为
RX
探头；以被测场域中心为原点建立笛卡尔坐标系，设气泡或油泡的泡径为
D
，泡心位置坐标为
(x
s
,y
s
)
，包含有以下步骤：
[0008](1)
对于两类被测场域
——
物场和参考场，分别获取
RX
探头所有阵元的时域全波形信号，完成
UPA
传感器的数据采集；
[0009](2)
根据时域全波形信号计算每个
UPA
阵元的前向散射复声压
FSCSP
数值；
[0010](3)
设
E
为
RX
探头中每个阵元的位置编号，绘制“E
‑
FSCSP”曲线，搜索曲线峰值对应的阵元编号
E
p
，以实现气泡或油泡的泡心横向位置
y
s
的数值化描述，编号为
E
p
的阵元在被测场域中的横向坐标
y
Ep
，在数值上等于气泡或油泡的泡心横向位置坐标
y
s
；
[0011](4)
基于
FSCSP
数值，计算前向散射复声压峰
FSCSPP
数值，以实现气泡或油泡的泡径
D、
泡心纵向位置
x
s
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种量化油
‑
气
‑
水三相介质中离散相物理特征的超声复数域方法，用于油气水三相介质中，气泡与油泡的泡径
、
泡心位置
、
声阻抗的数值化描述，以及气泡与油泡声阻抗差异的数值化描述；设用于发射平面波的
UPA
探头为
TX
探头，用于接收被检测场域超声信号的
UPA
探头为
RX
探头；以被测场域中心为原点建立笛卡尔坐标系，设气泡或油泡的泡径为
D
，泡心位置坐标为
(x
s
,y
s
)
，包含有以下步骤：
(1)
对于两类被测场域
——
物场和参考场，分别获取
RX
探头所有阵元的时域全波形信号，完成
UPA
传感器的数据采集；
(2)
根据时域全波形信号计算每个
UPA
阵元的前向散射复声压
FSCSP
数值；
(3)
设
E
为
RX
探头中每个阵元的位置编号，绘制“E
‑
FSCSP”曲线，搜索曲线峰值对应的阵元编号
E
p
，以实现气泡或油泡的泡心横向位置
y
s
的数值化描述，编号为
E
p
的阵元在被测场域中的横向坐标
y
Ep
，在数值上等于气泡或油泡的泡心横向位置坐标
y
s
；
(4)
基于
FSCSP
数值，计算前向散射复声压峰
FSCSPP
数值，以实现气泡或油泡的泡径
D、
泡心纵向位置
x
s
的数值化描述；
(5)
计算透声程度
STD
，构建透声程度
STD
样本数据集，实现数值化描述气泡和油泡的声阻抗；
(6)
使用
SVM
方法求解透声阈值
STT
，实现数值化描述气相与油相的声阻抗差异
。2.
根据权利要求1所述的超声复数域方法，其特征在于，所述步骤
(1)
中，在被检测场域两侧分别安装一个
m
个阵元的
UPA
探头，作为
TX
探头和
RX
探头，将物场和参考场分别置于
UPA
透射模式工业过程参数检测系统中，设置系统的激励
‑
接收策略为：激励
TX
探头的全部阵元以合成超声平面波，
RX
...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭超，田晟，董峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：