[发明专利]油气水三相流分相流速声电双模态测量方法

摘要

本发明涉及一种油气水三相流分相流速声电双模态测量方法，包含如下步骤：针对油气水三相水基‑分散流，利用电学传感器采集水相含率信号，利用连续波超声传感器采集多普勒频移信号；根据去噪后的电学传感器的水相含率测量数据，结合特征提取与分类算法实现油气水三相流流型的识别；提取水相含率信号的局部波动特性；利用集合经验模态分解，对连续波超声多普勒频移信号进行分解并选取主分量；采用超声电学联合分析的方法，获得不同流型下水相含率和多普勒频移信号中不同波动尺度的之间的对应关系；对不同流型下、反映分相流速信息的相应本征模态函数进行快速傅里叶变换并计算平均多普勒频移，根据多普勒效应的基本原理，计算分相流速。

主权项

1.一种油气水三相流分相流速声电双模态测量方法，采用一个双晶超声换能器和电学传感器；所述双晶超声换能器用于获取超声多普勒频移信号，采用收发一体同侧的结构，内部包含接收压电陶瓷晶片和发射压电陶瓷晶片，分别用于接收和发射超声波，所述双晶超声换能器被安装于水平管道底部并保证与水平方向的夹角为θ；所述电学传感器用于获取水相含率信号，与超声换能器同时安装于水平管道中；测量方法包含如下步骤：1)针对油气水三相水基‑分散流，利用电学传感器采集水相含率信号H(t),t∈(0,T)，利用连续波超声传感器采集多普勒频移信号fd(t),t∈(0,T)，其中T为采样时间，并去除两个信号中的高频噪声；2)根据去噪后的电学传感器的水相含率测量数据，结合特征提取与分类算法实现油气水三相流流型的识别；3)提取水相含率信号的局部波动特性：对不同流型下的水相含率信号进行连续小波变换获得在给定尺度a和给定时刻b的连续波小波变换系数和计算局部小波能量系数其中ψ(t)为母小波函数，采用Daubechies4小波，总尺度为500；在时间‑尺度轴上绘制局部小波能量系数谱图获得水相含率信号的局部波动特性；4)利用集合经验模态分解，对连续波超声多普勒频移信号进行分解并选取主分量：利用集合经验模态分解的方法，将超声多普勒信号f_d(t),t∈(0,T)逐级分解为若干本征模态函数IMF_j(t)(j＝1,2,...,n)和趋势函数r_n(t)的和：其中n为分解得到的本征模态函数个数，选取前3级本征模态函数IMF_i(t)(i＝1,2,3)作为流速提取的主分量；5)根据步骤3)、4)中的分解结果，采用超声电学联合分析的方法，获得不同流型下水相含率和多普勒频移信号中不同波动尺度的之间的对应关系，并在步骤4)得到的主分量中选取不同的分量用于分相流速的提取，对于水基‑分散‑泡状流和水基‑分散‑弹状流，与水相含率信号的局部小波能量系数谱图中大尺度，即尺度>50，的波动分量有对应关系的为多普勒频移信号分解得到的第一级本征模态函数IMF1(t)，它是高频分量且在时间上具有间断性，反映流动过程中间断出现的离散相气泡的速度信息；而与水相含率信号的局部小波能量系数谱图中小尺度(尺度<50)的波动分量有对应关系的为多普勒频移信号分解得到的第二级和第三级本征模态函数IMF2(t)&IMF3(t)，它们是低频分量且在时间上具有连续性，反映了流动过程中完全分散的油滴的速度信息；对于水基‑分散‑塞状流，与水相含率信号的局部小波能量系数谱图中大尺度，即尺度>50，的波动分量有对应关系的为多普勒频移信号分解得到的第一级和第二级本征模态函数IMF1(t)&IMF2(t)，它们是高频分量且在时间上具有间断性，反映了流动过程中间断出现的离散相气塞的速度信息；而与水相含率信号的局部小波能量系数谱图中小尺度，即尺度<50，的波动分量有对应关系的为多普勒频移信号分解得到的第三级本征模态函数IMF3(t)，它是低频分量且在时间上具有连续性，反映了流动过程中完全分散的油滴的速度信息。6)对不同流型下、反映分相流速信息的相应本征模态函数进行快速傅里叶变换并计算平均多普勒频移，根据多普勒效应的基本原理，计算分相流速：对于水基‑分散‑泡状流和水基‑分散‑弹状流，气相的平均真实流速为：液滴的平均真实流速为对于水基‑分散‑塞状流，气相的平均真实流速为液滴的平均真实流速为：其中f₀为超声波发射探头的激励频率，θ为超声波声束方向与水平方向的夹角，c为流体中声速，为利用不同本征模态函数的快速傅里叶变换得到的平均多普勒频移，S_d*(f_d*)为对应于频移f_d*的多普勒谱强度，*为步骤5)中确定的不同流型下反映分相流速信息的相应的主分量。