專利名稱：一種多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體物理特性的檢測(cè)技術(shù)，具體為利用超聲波技術(shù)檢測(cè)多相流物質(zhì)靜止或流動(dòng)狀態(tài)中的含量、濃度、分布、密度、粘度、硬度(或稱為相含率)以及流量等參數(shù)的檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置，并且可以表征高分子聚合物共混物的相容性、高分子加工性能、界面性質(zhì)和松弛行為，微米/納米物質(zhì)或材料的顆粒分布、大小及含量的檢測(cè)，以及水質(zhì)的在線檢測(cè)，國(guó)際專利主分類號(hào)擬為Int.Cl.G01D 1/00(2006.01)。
背景技術(shù)：
普通意義上的分類，自然界物質(zhì)可以有三種相氣相、液相和固相。多相流中相的概念是指某一系統(tǒng)中相同成分及相同化學(xué)性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分，各相之間有明顯可分的界面。多相流通常是指同時(shí)存在兩種或兩種以上的物質(zhì)流動(dòng)，包括氣液兩相、氣固兩相流、液固兩相流、液液兩相流以及氣液液和氣液固多相流。如原油是典型的多相流，包含油、氣、水三相物質(zhì)。油相是指油井產(chǎn)出液中的液烴相，氣相是指天然氣、輕烴、非輕烴氣體，水相則是指礦化水，同時(shí)還有少量的固相(砂、蠟、水合物)。由于多相流動(dòng)中各相存在界面效應(yīng)和相對(duì)速度，相界面在時(shí)間上和空間上都是隨機(jī)可變的，致使其流動(dòng)特性遠(yuǎn)比單相流系統(tǒng)復(fù)雜得多、其特征參數(shù)也比單相流系統(tǒng)多得多。多相流物質(zhì)的檢測(cè)，是指對(duì)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)多相流中各相含量、濃度、分布、密度、粘度、相流速、硬度(或稱為相含率)以及流量等參數(shù)的測(cè)量。其檢測(cè)參數(shù)在能源、石油化工、宇航、醫(yī)療、制藥、制冷、環(huán)境保護(hù)和食品等工業(yè)的生產(chǎn)和管理中至關(guān)重要。
石油開采過(guò)程的油水、油氣兩相流，氣力輸送過(guò)程中的氣固兩相流、化學(xué)工業(yè)中的流態(tài)化反應(yīng)器以及傳熱、傳質(zhì)設(shè)備中大量存在的分離和反應(yīng)過(guò)程等等，都可歸結(jié)為多相流動(dòng)現(xiàn)象。由于多相流物質(zhì)體系是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，存在著相與相之間的相互作用，存在著一個(gè)形狀和分布在時(shí)間和空間里均隨機(jī)可變的相界面，而相間實(shí)際上又存在一個(gè)不可忽略的相對(duì)速度，致使流經(jīng)管道的分相流量比和分相所占的管截面比并不相等。在被測(cè)參數(shù)中，分相含率和流量是極其重要和最基本參數(shù)之一。如果能對(duì)分相含率的數(shù)據(jù)和分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)量，可為判別多相流型提供定量的數(shù)據(jù)，為測(cè)量流體體積和質(zhì)量流量提供前提條件。這些參數(shù)的獲取對(duì)于廣泛采取的多組分流體輸送和應(yīng)用等技術(shù)的工業(yè)領(lǐng)域是極其重要的。在實(shí)際應(yīng)用方面，分相含率和流量的在線檢測(cè)也是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最為迫切的技術(shù)要求之一。
目前分相含率和流量的檢測(cè)方法主要為1.人工取樣化驗(yàn)，其缺點(diǎn)是多相流物質(zhì)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中有一定波動(dòng)性，取樣方法誤差太大，不能用于實(shí)際生產(chǎn)；2.射線方法(放射性方法)，其缺點(diǎn)是射線對(duì)人體有一定危害，因此對(duì)使用環(huán)境和使用條件要求嚴(yán)格，使用不便；3.相分離檢測(cè)方法，其缺點(diǎn)是占地和投資太大；4.電容法，其缺點(diǎn)是測(cè)量范圍有限并且受到多相流物質(zhì)分布(流型流態(tài))影響，檢測(cè)難以精確。以上這些多相流物質(zhì)中分相含率及流量的測(cè)量技術(shù)和方法大都存在著這樣或那樣的缺陷，并且基本都是接觸式測(cè)量檢測(cè)，不能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，因而都沒(méi)有得到大面積推廣。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)一種多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置。該檢測(cè)方法具有無(wú)損、高分辨率、高精度、高效率、簡(jiǎn)單易行、操作安全等特點(diǎn)，特別是能在不影響生產(chǎn)運(yùn)行的情況下在線實(shí)時(shí)、非接觸式地直接進(jìn)行檢測(cè)；該檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率高，準(zhǔn)確性好，成本低廉，操作安全，可在生產(chǎn)運(yùn)行條件下的在線實(shí)時(shí)、非接觸式地對(duì)多相流物質(zhì)的實(shí)施檢測(cè)。
本發(fā)明解決所述多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法，該方法利用超聲波反射法、超聲波穿透法和超聲波衰減法來(lái)檢測(cè)多相流物質(zhì)，具體檢測(cè)方法為1.將與超聲波發(fā)射接收儀連接的超聲波傳感器貼敷安裝在被檢測(cè)裝有多相流物質(zhì)的容器或管道的外壁上；2.用超聲波發(fā)射接收儀通過(guò)超聲波傳感器發(fā)射和接收超聲波的時(shí)域信息；
3.把所接收的超聲波時(shí)域信息輸入與超聲波發(fā)射接收儀連接的數(shù)據(jù)信息采集處理系統(tǒng)中，采用超聲時(shí)域法、頻率域法以及振幅域法、傅立葉變換、差動(dòng)信號(hào)法或/和小波分析等方法對(duì)所輸入的超聲波數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，計(jì)算或連續(xù)計(jì)算出多相流物質(zhì)的聲學(xué)速度。
本發(fā)明解決所述多相流物質(zhì)的檢測(cè)裝置技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種多相流物質(zhì)的檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置適用于本發(fā)明所述的多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法，包括超聲波傳感器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括依次線路連接的超聲波發(fā)射接收儀、信號(hào)接受器和計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件；所述的超聲波發(fā)射接收儀通過(guò)信號(hào)傳輸線路與所述的超聲波傳感器相連接，所述的超聲波傳感器檢測(cè)時(shí)可貼敷安裝在被檢測(cè)裝有多相流物質(zhì)的容器或管道的外壁上。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法具有檢測(cè)精度高，分辨率高、效率高、操作簡(jiǎn)便，使用安全等特點(diǎn)，特別是能在不影響生產(chǎn)運(yùn)行的情況下在線實(shí)時(shí)、非接觸式地直接進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)；本發(fā)明多相流物質(zhì)的檢測(cè)裝置依據(jù)本發(fā)明所述的多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率高，準(zhǔn)確性好，成本低廉，操作安全，可在生產(chǎn)運(yùn)行條件下在線實(shí)時(shí)、非接觸式地對(duì)多相流物質(zhì)實(shí)施檢測(cè)，具有良好的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。


圖1是本發(fā)明所述檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和工藝原理示意圖；它也表示了油、氣、水多相流動(dòng)態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的工藝流程；圖2是本發(fā)明所述檢測(cè)方法一種實(shí)施例的主視原理示意圖；圖中符號(hào)S為裝多相流物質(zhì)容器或管路的內(nèi)徑(m)；T1為超聲波到達(dá)所述容器或管路內(nèi)壁A的時(shí)間(s)；T2為超聲波到達(dá)所述容器或管路與內(nèi)壁A相對(duì)的內(nèi)壁B的時(shí)間(s)；D為所述容器或管路的外壁；圖3是本發(fā)明所述檢測(cè)方法一種實(shí)施例的俯視原理示意圖；
圖4是本發(fā)明所述檢測(cè)方法及其檢測(cè)裝置靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)容器內(nèi)外壁超聲反射采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)波譜圖；圖5是本發(fā)明檢測(cè)方法及其檢測(cè)裝置檢測(cè)不同方法混合后的油、水兩相介質(zhì)超聲聲速與含水之間的關(guān)系圖；從圖5可以看出，隨著含水的升高油水兩相介質(zhì)聲速逐漸增大，油水兩相介質(zhì)聲速和含水率明顯成線性關(guān)系，而且混合越均勻線性關(guān)系越明顯；圖6是本發(fā)明檢測(cè)方法及其檢測(cè)裝置檢測(cè)純水和純油時(shí)介質(zhì)聲學(xué)速度與流量的關(guān)系圖。從圖6可以看出，隨著介質(zhì)流量從5m3/d增加50m3/d，純水的聲速基本不變，而純油的聲速有逐漸增大的趨勢(shì)；圖7是本發(fā)明檢測(cè)方法及其檢測(cè)裝置檢測(cè)純水和純油時(shí)介質(zhì)超聲波振幅與流量的關(guān)系圖。從圖7可以看出，隨著介質(zhì)流量從5m3/d增加50m3/d，純水和純油的超聲波振幅皆有逐漸下降的趨勢(shì)，并基本成線性關(guān)系；圖8是本發(fā)明所述檢測(cè)方法及其檢測(cè)裝置檢測(cè)油、水兩相流流量為10m3/d(立方米/每天)時(shí)介質(zhì)聲學(xué)速度和振幅與含水的關(guān)系圖；從圖8可以看出，隨著含水從10％增加到90％，聲學(xué)速度從1453.80m/s增大到1466.60m/s；振幅從0.0401V(伏特)升到0.4625V，呈遞增關(guān)系；圖9是本發(fā)明檢測(cè)方法及其檢測(cè)裝置檢測(cè)油水兩相流流量和超聲信號(hào)振幅與含水之間的關(guān)系圖。從圖9可以看出，振幅隨著含水的增大而增大，且表現(xiàn)出一定的函數(shù)關(guān)系；圖10是本發(fā)明檢測(cè)方法及其檢測(cè)裝置檢測(cè)油、水兩相流量為50m3/d時(shí)氣量與介質(zhì)超聲聲速之間的關(guān)系圖。從圖10可以看出，在油水兩相流量50m3/d條件下，隨著氣體流量的增加(從0m3/d逐漸增加至35m3/d)，不同含水下的聲速隨氣體流量增加而逐漸下降，趨勢(shì)明顯，總體呈一定的遞減函數(shù)關(guān)系，并且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在同樣氣量下，含水越高，所述的聲速越大。
圖11是本發(fā)明檢測(cè)方法及其檢測(cè)裝置檢測(cè)油、水兩相流量為50m3/d時(shí)含水和介質(zhì)超聲信號(hào)振幅與氣量之間的關(guān)系圖。從圖11可以看出，隨著氣體流量從0m3/d逐漸增加至35m3/d，不同含水下的介質(zhì)超聲信號(hào)振幅隨氣量增加也逐漸下降，趨勢(shì)明顯，總體呈一定的遞減函數(shù)關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)，同樣氣量下，含水越高，所述的振幅越大。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明，但本發(fā)明技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止實(shí)施例的示例說(shuō)明本發(fā)明設(shè)計(jì)一種多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法(以下簡(jiǎn)稱檢測(cè)方法，參見圖1、2、3)，該方法利用超聲波反射法、超聲波穿透法和超聲波衰減法來(lái)檢測(cè)多相流物質(zhì)，具體檢測(cè)方法為1.將與超聲波發(fā)射接收儀6連接的超聲波傳感器5貼敷安裝在被檢測(cè)裝有多相流物質(zhì)的容器或管道2的外壁D上；2.用超聲波發(fā)射接收儀6通過(guò)超聲波傳感器5發(fā)射和接收超聲波80的數(shù)據(jù)信息；3.把所接收的超聲波80數(shù)據(jù)信息通過(guò)信號(hào)傳輸線路71輸入與超聲波發(fā)射接收儀6連接的數(shù)據(jù)信息采集處理系統(tǒng)70中進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理；4.采用超聲時(shí)域法、頻率域法以及振幅域法、傅立葉變換、差動(dòng)信號(hào)法或/和小波分析方法對(duì)所輸入的超聲波數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理；例如，先計(jì)算穿透被測(cè)物質(zhì)時(shí)的超聲波傳播時(shí)間T和反射波的振幅；再計(jì)算出被測(cè)物質(zhì)的聲學(xué)速度等；5.根據(jù)超聲波數(shù)據(jù)信息分析處理結(jié)果計(jì)算或連續(xù)計(jì)算出多相流物質(zhì)的相參數(shù)。例如，可根據(jù)聲學(xué)速度和反射波的振幅計(jì)算出多相流物質(zhì)的相參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明所述檢測(cè)方法的需要，本發(fā)明同時(shí)設(shè)計(jì)了多相流物質(zhì)的檢測(cè)裝置(以下簡(jiǎn)稱檢測(cè)裝置，參見圖1、2、3)。該檢測(cè)裝置該裝置適用于本發(fā)明所述的多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法，包括超聲波傳感器5和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)70。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)70包括依次線路連接的超聲波發(fā)射接收儀(或超聲儀)6、信號(hào)接受器(或示波器、數(shù)字顯示器)7和計(jì)算機(jī)(或電腦)8及相應(yīng)軟件；所述的超聲儀6通過(guò)信號(hào)傳輸線路71與超聲波傳感器5相連接。所述的超聲儀6連接的超聲波傳感器5可貼敷安裝在被檢測(cè)裝有多相流物質(zhì)(圖2和圖3中的3代表連續(xù)的單相物質(zhì)(如水)，4代表非連續(xù)的某種或多種單相物質(zhì)(如油滴、氣泡或/和固體顆粒等；多相流物質(zhì)即所述3和4的非均勻混合物)的容器或管道2的外壁D上。
本發(fā)明的檢測(cè)裝置所述的超聲波傳感器5、超聲波發(fā)射接收儀6、信號(hào)接受器7和計(jì)算機(jī)(或電腦)8及相應(yīng)信號(hào)采集軟件本身均為現(xiàn)有技術(shù)，市場(chǎng)可購(gòu)。
為滿足了工程材料及流體原位實(shí)時(shí)在線檢測(cè)儀的技術(shù)要求，本發(fā)明的檢測(cè)裝置可采用現(xiàn)有技術(shù)可將超聲波信號(hào)發(fā)射接受儀6、信號(hào)接受器7、主電腦數(shù)據(jù)采集及處理器8等集成為一個(gè)模塊，制成一個(gè)便攜式的工程材料檢測(cè)裝置(儀)或是分體式檢測(cè)裝置，或者是針對(duì)生產(chǎn)線的固定式檢測(cè)裝置，以方便本發(fā)明檢測(cè)方法及其檢測(cè)裝置在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施在線檢測(cè)。
圖1是本發(fā)明檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和工藝原理示意圖，也表示了油、氣、水多相流物質(zhì)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的工藝流程。如圖1所示，氣罐10依次經(jīng)管路連接的氣泵11、第一氣閥12、氣質(zhì)量流量計(jì)13、第二氣閥14和第三氣閥15，接入混合器40；同樣，油罐20依次經(jīng)管路連接的油泵21、第一油閥22、油質(zhì)量流量計(jì)23、第二油閥24和第三油閥25，接入混合器40；也同樣，水罐30依次經(jīng)管路連接的水泵31、第一水閥32、水質(zhì)量流量計(jì)33、第二水閥34和第三水閥35，接入混合器40；混合器40中的多相流物質(zhì)依次經(jīng)管路連接的第二調(diào)節(jié)閥42和第二多相流物質(zhì)輸送管路的進(jìn)口49接入第二多相流物質(zhì)輸送管路(模擬油井的井桶；當(dāng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)該管路即為多相流物質(zhì)容器)2；所述的輸送管路2經(jīng)并接的上調(diào)節(jié)閥46和下調(diào)節(jié)閥45與第一多相流物質(zhì)輸送管路(模擬油井的井桶；當(dāng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)該管路即為多相流物質(zhì)容器)1連通；所述的上調(diào)節(jié)閥46的前后管路上分別接有前排氣閥47和后排氣閥47’；所述的第一多相流物質(zhì)輸送管路1的出口48依次經(jīng)管路連接的第三調(diào)節(jié)閥43、調(diào)節(jié)閥90，接入油水分離器9。油水分離器9經(jīng)管路分別接入油罐20和水罐30，也即油水分離器9分離出的油和水經(jīng)管路分別送入所述的油罐20和水罐30，再進(jìn)行循環(huán)操作。所述的氣泵11、第一氣閥12、氣質(zhì)量流量計(jì)13、第二氣閥14和第三氣閥15經(jīng)過(guò)控制線路與控制系統(tǒng)50相連；同樣，所述的油泵21、第一油閥22、油質(zhì)量流量計(jì)23、第二油閥24和第三油閥25以及所述的水泵31、第一水閥32、水質(zhì)量流量計(jì)33、第二水閥34和第三水閥35分別經(jīng)過(guò)控制線路也與所述的控制系統(tǒng)50連接?？刂葡到y(tǒng)50通過(guò)計(jì)算機(jī)指令很容易對(duì)所述的閥門和儀表進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
為了擴(kuò)大檢測(cè)范圍和檢測(cè)方便，本發(fā)明檢測(cè)裝置在所述的混合器40與第三調(diào)節(jié)閥43之間串接有與所述第二調(diào)節(jié)閥4并聯(lián)的第一調(diào)節(jié)閥41；在所述的調(diào)節(jié)閥90與第三調(diào)節(jié)閥43之間串接有與所述第三調(diào)節(jié)閥43并聯(lián)的第四調(diào)節(jié)閥44。這種設(shè)計(jì)可以使所述的第一多相流物質(zhì)輸送管路1的出口48成為多相流物質(zhì)的進(jìn)口；也可以使所述的第二多相流物質(zhì)輸送管路的進(jìn)口49成為多相流物質(zhì)的出口；或者使兩者的下管口同時(shí)成為多相流物質(zhì)的進(jìn)口或出口。工藝操作可由所述的第一調(diào)節(jié)閥41-第四調(diào)節(jié)閥44所構(gòu)成的橋式管路閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明檢測(cè)裝置所說(shuō)述的各個(gè)閥門可以是手動(dòng)閥門，也可以是自動(dòng)閥門。前者由人工調(diào)節(jié)操作，后者可由所述的計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件調(diào)控。這種工藝軟件設(shè)計(jì)對(duì)業(yè)內(nèi)技術(shù)人員而言，十分簡(jiǎn)單。
本發(fā)明檢測(cè)裝置檢測(cè)時(shí)，首先將超聲波傳感器5(即超聲波探頭5或簡(jiǎn)稱探頭5)貼敷安裝在所述的第一多相流物質(zhì)輸送管路1或/和第二多相流物質(zhì)輸送管路2的外壁D上，然后與超聲波傳感器5連接的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)70即可以在本發(fā)明檢測(cè)方法的指令下開始工作。所述的探頭5可以是一個(gè)，也可以根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需要采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的多個(gè)，實(shí)施例設(shè)計(jì)為2-10個(gè)。當(dāng)采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的探頭5時(shí)，其中的一個(gè)探頭5向被檢測(cè)的多向流物質(zhì)內(nèi)發(fā)射超聲波80(如從管路內(nèi)壁A處)，而由另一個(gè)/多個(gè)探頭5接收透過(guò)該多向流物質(zhì)的超聲波信號(hào)(如在與管路內(nèi)壁A對(duì)應(yīng)的另一側(cè)管路內(nèi)壁B處/及其附近)。
本發(fā)明檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置利用超聲波反射法、超聲波穿透法和超聲波衰減法來(lái)檢測(cè)多相流物質(zhì)，是基于以下原理多元混合流體的平均聲速是流體各組分濃度及溫度的函數(shù)。因此，可以利用超聲來(lái)進(jìn)行混合液體組分的濃度測(cè)定。
媒質(zhì)密度變化，自然引起該媒質(zhì)的聲阻抗率的變化。如果同時(shí)測(cè)量聲阻抗率和聲速就可以測(cè)量媒質(zhì)的密度。
材質(zhì)不同的試樣，表面上大小及深度不同的硬度壓痕，對(duì)超聲振子產(chǎn)生不同的機(jī)械阻抗，使超聲振子的諧頻率發(fā)生改變。
這樣，通過(guò)測(cè)量超聲振子諧頻率變化，就可以測(cè)量材料的硬度。當(dāng)超聲波在不同的介質(zhì)中傳播時(shí)，在界面處會(huì)出現(xiàn)反射和透射等現(xiàn)象，它們與入射角和介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，通過(guò)檢測(cè)超聲波的信號(hào)(主要是指速度、衰減系數(shù)和振幅)可以得到介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)?；诖嗽恚瑱z測(cè)超聲可用于表征聚合物共混物的相容性、高分子加工性能、界面性質(zhì)和松弛行為，對(duì)于某些化學(xué)反應(yīng)，檢測(cè)超聲可在線跟蹤其化學(xué)變化過(guò)程。檢測(cè)超聲不改變介質(zhì)的性能，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。當(dāng)超聲波在共混物液體中傳播時(shí)，超聲速度會(huì)隨著組分含量的變化而變化。如果速度和含量的關(guān)系為線性，則說(shuō)明共混物是相容的；在不相容的共混物溶液中，兩者的關(guān)系呈S形；而速度與含量的關(guān)系處于線性和S形之間時(shí)，表明共混物是半相容體系。當(dāng)組分含量變化時(shí)，若超聲衰減系數(shù)只出現(xiàn)一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，說(shuō)明體系是相容的，反之則不相容。
如何控制顆粒大小、獲得較窄且均勻的顆粒粒度分布以及如何保證粉末的化學(xué)純度是納米材料制備的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)材料顆粒的檢測(cè)大都采用光學(xué)方法，顯微鏡法的測(cè)量下限取決于它的分辨距離。當(dāng)兩個(gè)顆粒相距很近，其邊沿之間的距離小于分辨率時(shí)，由于光的衍射效應(yīng)，兩個(gè)顆粒的圖像會(huì)銜在一起，似乎是一個(gè)顆粒而不能分辨它們；若一個(gè)顆粒的粒徑小于分辨極限，則該顆粒圖像的邊緣會(huì)變得模糊不清。雖然一些特殊的顯微鏡如電子顯微鏡，使用波長(zhǎng)很短的電子束可以使測(cè)量下限擴(kuò)展到納米級(jí)，但由于光學(xué)方法對(duì)測(cè)樣有光透性的要求，所以像汽車潤(rùn)滑劑這樣的高濃度測(cè)樣必須先稀釋，因而無(wú)法滿足先進(jìn)生產(chǎn)工藝在線檢測(cè)的要求。
同樣，在生物活性炭、微濾、膜生物反應(yīng)器等水處理過(guò)程中，如何實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)是提高水處理的運(yùn)行效率和保障水質(zhì)衛(wèi)生安全的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)顆粒物(包括微生物)的檢測(cè)大都采用濁度法和顆粒物計(jì)數(shù)法(2004年中國(guó)給水排水第4期第71-73頁(yè))。但是，濁度法對(duì)水中粒徑＞1μm顆粒的檢測(cè)精度和敏感度顯著下降，測(cè)定值往往偏低。由于水中致病原生動(dòng)物個(gè)體的尺寸＞1μm，例如賈第蟲、隱孢子蟲的大小在2-10μm之間，因此僅以濁度作為上述出水水質(zhì)的監(jiān)控參數(shù)，難以有效地保證出水的致病原生動(dòng)物的衛(wèi)生安全；而顆粒物計(jì)數(shù)法一般只適宜于粒徑＞2μm的顆粒物的檢測(cè)，因而也無(wú)法滿足先進(jìn)生產(chǎn)工藝在線檢測(cè)的要求。
而超聲檢測(cè)方法則無(wú)這一限制。當(dāng)超聲在材料試樣中傳播時(shí)，由于其中的微米/納米顆粒對(duì)超聲有散射和吸收作用，導(dǎo)致超聲聲速及聲能的衰減，超聲測(cè)粒技術(shù)就是通過(guò)測(cè)量試樣中超聲聲速和衰減系數(shù)來(lái)得到納米顆粒的粒徑大小和尺寸這種方法比很多現(xiàn)有的顆粒粒徑測(cè)量方法更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗己玫拇┩噶o(wú)需浸入測(cè)樣并保證測(cè)樣的無(wú)損；具有快速測(cè)量的能力；還可用于那些高濃度和不透明的被測(cè)體系，這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)于測(cè)量像潤(rùn)滑劑和汽油這種高濃度、不透光的試樣很有意義。
檢測(cè)采用超聲波乳化和加入乳化劑等不同方法混合后油水兩相介質(zhì)聲速與含水的關(guān)系。按照一定的體積比例配制油水兩相介質(zhì)經(jīng)超聲波乳化30分鐘，分別加入乳化劑S80、T80，使其進(jìn)一步混合均勻，并測(cè)定油水兩相實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的聲速。不同方法混合后油水兩相介質(zhì)聲速與含水的關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯鲭S著含水的升高油水兩相介質(zhì)聲速逐漸增大，油水兩相介質(zhì)聲速和含水率明顯成線性關(guān)系，而且混合越均勻線性關(guān)系越明顯。
多相流靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究表明油水兩相實(shí)驗(yàn)介質(zhì)聲學(xué)速度和振幅與相含率有著一定的函數(shù)關(guān)系，并且介質(zhì)的混合均勻程度對(duì)聲學(xué)速度有一定的影響(參見圖5)(1)含水對(duì)聲速的影響油水兩相實(shí)驗(yàn)介質(zhì)聲學(xué)速度隨著含水的升高逐漸增大呈現(xiàn)一種函數(shù)遞增關(guān)系，且檢測(cè)含水分辨率可以達(dá)到5％。
(2)含水對(duì)振幅的影響油水兩相實(shí)驗(yàn)介質(zhì)振幅隨著含水升高逐漸增大。
(3)混合效果的影響介質(zhì)的混合均勻效果對(duì)聲學(xué)速度有一定的影響，混合越均勻，乳化效果越好，聲學(xué)速度越大，而且在低含水時(shí)效果明顯。這主要是低含水時(shí)油相含量高，混合效果對(duì)聲學(xué)速度的影響比高含水時(shí)要大。
此外，還發(fā)現(xiàn)介質(zhì)溫度對(duì)聲速和振幅也有影響油水兩相實(shí)驗(yàn)介質(zhì)聲學(xué)速度隨著溫度升高而逐漸增大，振幅隨著溫度的升高而逐漸下降。
多相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究表明油、水兩相或油、氣、水多相實(shí)驗(yàn)介質(zhì)聲學(xué)速度、振幅與相含率(含水率、含氣率-氣量)有著一定的函數(shù)關(guān)系，并且管路角度、流型流態(tài)對(duì)聲學(xué)速度和振幅有一定的影響(參見圖6～11)(1)純水、純油動(dòng)態(tài)聲速和振幅差距在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)下兩者的聲學(xué)速度差距和振幅差距都很大，聲學(xué)速度差最大達(dá)59.6512m/s，振幅差最大達(dá)0.5115V，從而為利用UTDR和超聲波衰減法檢測(cè)動(dòng)態(tài)含水提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)(參見圖6～7)。
(2)含水對(duì)聲速的影響無(wú)論在油水兩相流的垂直、傾斜、水平管狀態(tài)還是油氣水三相流垂直管狀態(tài)，多相流聲速都隨著含水的升高逐漸增大，且分辨率檢測(cè)含水可以達(dá)到2％。
(3)含水對(duì)振幅的影響在油水兩相流的垂直、傾斜和油氣水三相流垂直管狀態(tài)多相流振幅隨著含水升高逐漸增大，水平管狀態(tài)關(guān)系不明顯。
(4)流量對(duì)聲速的影響在垂直管狀態(tài)油水兩相流和油氣水三相流同樣含水率下總流量越大多相流聲速越小成一種函數(shù)遞減關(guān)系，但水平管狀態(tài)關(guān)系時(shí)成函數(shù)遞增關(guān)系，傾斜管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不足說(shuō)明。
(5)流量對(duì)振幅的影響在垂直管狀態(tài)油水兩相流和油氣水三相流同樣含水率下總流量越大多相流介質(zhì)超聲信號(hào)振幅越小，呈現(xiàn)一種函數(shù)遞減關(guān)系，水平管狀態(tài)關(guān)系不明顯，傾斜管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不足說(shuō)明。
(6)在油水兩相流的垂直、傾斜和油氣水三相流垂直管狀態(tài)多相流聲速和振幅隨著含水變化其變化具有一定的一致趨勢(shì)性，水平管狀態(tài)關(guān)系不明顯。
(7)氣量對(duì)聲速和振幅的影響油氣水三相流垂直管路狀態(tài)相同含水率下氣量越大多相流聲速和振幅越小，都呈現(xiàn)一種函數(shù)遞減關(guān)系。
(8)聲速和振幅變化一致性關(guān)系在垂直管路油水各單相流情況下隨流量的增大，聲速升高、振幅下降兩者成反比關(guān)系；在油水兩相流的垂直和傾斜管路下隨著含水增大聲速和振幅也都逐漸增大，變化趨勢(shì)一致；在油水兩相流的垂直和水平管路下隨著流量增大聲速和振幅也都逐漸增大，變化趨勢(shì)一致；油氣水三相流垂直管路狀態(tài)聲速和振幅隨著含水、油水流量、氣量變化兩者變化趨勢(shì)一致。
(9)垂直管路下小流量5m3/d高含水情況下分辨率能達(dá)到2％。
本發(fā)明檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置數(shù)據(jù)處理及軟件編程是基于以下研究成果設(shè)多相流物質(zhì)的聲學(xué)速度為C；超聲波傳播時(shí)間為ΔT，ΔT＝T2-T1，T1-超聲波到達(dá)實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)壁A的時(shí)間s；T2-超聲波到達(dá)實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)壁B的時(shí)間s；ΔT-被測(cè)多相流物質(zhì)的超聲波傳播時(shí)間s。
多相流物質(zhì)的相含率為X；多相流物質(zhì)的流量為F；多相流物質(zhì)的溫度為T；檢測(cè)超聲波的振幅為V；研究表明，多相流物質(zhì)的聲學(xué)速度C、超聲波振幅V與相含率X、多相流物質(zhì)流量為F或多相流物質(zhì)溫度T之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，可分別表達(dá)為多相流物質(zhì)相含率X與聲學(xué)速度C之間存在函數(shù)關(guān)系f(X)＝C。f(X)＝C與裝有多相流物質(zhì)容器或管道的狀態(tài)無(wú)關(guān)。無(wú)論裝有多相流物質(zhì)容器或管道是在垂直、傾斜或水平狀態(tài)，聲學(xué)速度C與多相流物質(zhì)的相含率X都存在函數(shù)關(guān)系f(X)＝C。多相流物質(zhì)各相的混合均勻程度對(duì)聲學(xué)速度C有一定的影響，混合越均勻聲學(xué)速度C越大。
多相流物質(zhì)相含率X與多相流超聲波振幅V之間存在函數(shù)關(guān)系f(X)＝V。
多相流物質(zhì)流量F與聲學(xué)速度C之間存在函數(shù)關(guān)系f(F)＝C。f(F)＝C與裝有多相流物質(zhì)容器或管道的狀態(tài)有關(guān)。裝有多相流物質(zhì)容器或管道在垂直狀態(tài)下，多相流物質(zhì)流量F越大，多相流聲學(xué)速度C就越小，兩者成一種遞減函數(shù)關(guān)系；而多相流物質(zhì)容器或管道在水平狀態(tài)下時(shí)，f(F)＝C函數(shù)關(guān)系為遞增函數(shù)關(guān)系。
多相流物質(zhì)流量F與超聲波振幅V之間存在函數(shù)關(guān)系f(F)＝V。多相流物流量F越大，多相流物質(zhì)超聲信號(hào)振幅V就越小，也呈現(xiàn)一種遞減函數(shù)關(guān)系。
本發(fā)明多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法是將超聲波傳感器貼敷安裝在被檢測(cè)裝有多相流物質(zhì)的容器或管道外壁上，利用傳感器發(fā)出超聲波在穿透被測(cè)多相流物質(zhì)，遇到多相流物質(zhì)的相界面時(shí)，具有不同的超聲波傳播時(shí)間和振幅現(xiàn)象來(lái)區(qū)別多相流物質(zhì)不同的相。根據(jù)聲波(機(jī)械波)傳播原理，由于不同的物質(zhì)具有不同的聲阻抗，從不同的聲阻抗的表面反射時(shí)，其反射波的振幅是不同的，也即不同的物質(zhì)具有不同的聲阻抗，超聲波從不同聲阻抗的表面反射回來(lái)的反射波的超聲波傳播時(shí)間和振幅的信號(hào)不同。當(dāng)用超聲波對(duì)多相流物質(zhì)進(jìn)行穿透時(shí)，多相流物質(zhì)的相含率、流動(dòng)速度(流量)、流動(dòng)型式或狀態(tài)(流型流態(tài))等相參數(shù)對(duì)超聲波的傳播時(shí)間和振幅都會(huì)造成一定的影響，使傳播時(shí)間和振幅發(fā)生變化。這些變化可以通過(guò)超聲波傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備，或者設(shè)計(jì)專門的檢測(cè)設(shè)備把它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)測(cè)量。對(duì)所得測(cè)量參數(shù)進(jìn)行一系列科學(xué)計(jì)算后，從而可檢測(cè)出被檢測(cè)多相流物質(zhì)的不同相參數(shù)。
采集到的超聲波反射波信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可由示波器、電路、單片機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)、虛擬儀器系統(tǒng)等組成。
本發(fā)明所述的檢測(cè)方法實(shí)施的測(cè)試系統(tǒng)組成可采用以下幾種方式1.超聲波傳感器(超聲波探頭、超聲波探頭及信號(hào)預(yù)處理一體化傳感器)示波器、超聲波發(fā)射接受儀器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。
2.超聲波傳感器(超聲波探頭、超聲波探頭及信號(hào)預(yù)處理一體化傳感器)、數(shù)據(jù)采集線路和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及顯示器組成。
3.超聲波傳感器(超聲波探頭、超聲波探頭及信號(hào)預(yù)處理一體化傳感器)、信號(hào)采集處理電路及單片機(jī)、液晶顯示器組成。
4.超聲波傳感器(超聲波探頭、超聲波探頭及信號(hào)預(yù)處理一體化傳感器)、信號(hào)采集處理電路及虛擬儀器系統(tǒng)組成。
5.可采集到超聲波傳感器信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的其它方式，如超聲波傳感器(超聲波探頭)和對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行采集和放大、濾波等處理電路及對(duì)經(jīng)電路處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算顯示的電子儀器等組成。
本發(fā)明所述的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)組成的儀器設(shè)備本身都是現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明實(shí)施例所用的裝有多相流物質(zhì)的容器或管道雖然為工業(yè)常用的圓柱體或圓形橫截面，但本發(fā)明檢測(cè)方法所述裝有多相流物質(zhì)的容器或管道的截面形狀沒(méi)有限制，可以是工業(yè)使用的任何橫截面形狀的容器或管道。
本發(fā)明所述檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)處理計(jì)算和軟件編程所依據(jù)的公式如下1.超聲波檢測(cè)聲速公式S＝[(T2-T1)×C]/2(1)其中，S-裝多相流物質(zhì)實(shí)驗(yàn)容器的內(nèi)徑m；C-聲學(xué)速度m/s；T1-超聲波到達(dá)實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)壁A的時(shí)間s；T2-超聲波到達(dá)實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)壁B的時(shí)間s；ΔT-被測(cè)多相流物質(zhì)的超聲波傳播時(shí)間s。
2.超聲波檢測(cè)振幅公式當(dāng)聲波垂直入射時(shí)，其聲壓反射系數(shù)可表示為R=prpi=Z2-Z1Z2+Z1---(2)]]>Z＝ρC式中，pi-入射波聲壓振幅；pr-反射波聲壓振幅；Z-為介質(zhì)的聲阻，kg/m2s；1，2-界面兩邊的介質(zhì)；ρ-介質(zhì)密度，kg/m3；C-介質(zhì)中的聲速，m/s。
3.聲壓衰減公式Px＝P0e-αx(3)式中，Px-離聲源距離為x處的聲壓；P0-聲源發(fā)出的聲壓；x-聲波傳播的距離；α-衰減系數(shù)；
e-自然對(duì)數(shù)的底。
4.聲壓衰減規(guī)律公式Px=2P0f(x)e-αx=2P0sin[πλDS24+x2-x]e-αx---(4)]]>式中，f(x)聲壓隨聲程變化的函數(shù)表達(dá)式，包括了擴(kuò)散衰減在內(nèi)的聲壓隨聲程增大而按正弦規(guī)律遞減的衰減規(guī)律，其衰減系數(shù)α為散射衰減系數(shù)αs和吸收衰減系數(shù)αa之和，即α＝αs+αa散射衰減系數(shù)αs和吸收衰減系數(shù)αaαs＝C2Fd3f4(d≤λ)αs＝C3Fdf2(d≈λ)αs＝C4F/d(d≥λ)吸收衰減系數(shù)αα＝C1fDs-晶片直徑；f-頻率；C1-材料的系數(shù)；C2、C3、C4-材料的散射系數(shù)；F-材料的各向異性因子；d-晶粒直徑。
上述各公式中的參數(shù)都可以通過(guò)該本發(fā)明涉及的超聲波傳感器\數(shù)據(jù)采集\處理系統(tǒng)等獲得。
本發(fā)明檢測(cè)方法涉及的計(jì)算公式、數(shù)據(jù)采集和處理量雖然很大，但利用計(jì)算機(jī)和采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)完成這些分析計(jì)算并不困難。所述的軟件編程對(duì)業(yè)內(nèi)人士也不需要?jiǎng)?chuàng)造性勞動(dòng)。
本發(fā)明未述及的適用于現(xiàn)有技術(shù)。
本發(fā)明不僅可以用于多相流物質(zhì)如工業(yè)中的原油，汽油、柴油等成品油的密度、各相含量以及流量的測(cè)量；江河流域水流中泥沙含量的測(cè)量；水工業(yè)中水質(zhì)變化、水中顆粒/微生物含量的測(cè)量；化工中多相物質(zhì)密度等的測(cè)量；食品行業(yè)中的牛奶、飲料等的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)(流動(dòng)狀態(tài))下的含量、密度、濃度、分布或稱為相含率和流量(流速)的測(cè)量以及多相流物質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)下流型流態(tài)等相參數(shù)的檢測(cè)和/或監(jiān)測(cè)，而且還可以進(jìn)行多相流物質(zhì)內(nèi)部相界面的識(shí)別劃分，多相流理論和應(yīng)用的深入研究等。很顯然，本發(fā)明檢測(cè)方法和檢測(cè)裝置還適用于單相流物質(zhì)的上述檢測(cè)內(nèi)容的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法，該方法利用超聲波反射法、超聲波穿透法和超聲波衰減法來(lái)檢測(cè)多相流物質(zhì)，具體檢測(cè)方法為(1).將與超聲波發(fā)射接收儀連接的超聲波傳感器貼敷安裝在被檢測(cè)裝有多相流物質(zhì)的容器或管道的外壁上；(2).用超聲波發(fā)射接收儀通過(guò)超聲波傳感器發(fā)射和接收超聲波時(shí)域信息；(3).把所接收的超聲波時(shí)域信息輸入與超聲波發(fā)射接收儀連接的數(shù)據(jù)信息采集處理系統(tǒng)中，采用超聲時(shí)域法、頻率域法以及振幅域法、傅立葉變換、差動(dòng)信號(hào)法或/和小波分析等方法對(duì)所輸入的超聲波數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，計(jì)算或連續(xù)計(jì)算出多相流物質(zhì)的聲學(xué)速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法，其特征在于所述的超聲波傳感器為兩個(gè)或兩個(gè)以上時(shí)，其中的一個(gè)超聲波傳感器向被檢測(cè)的多向流物質(zhì)內(nèi)發(fā)射超聲波，而由另一個(gè)或一個(gè)以上的超聲波傳感器接收透過(guò)該多向流物質(zhì)的超聲波信號(hào)。
3.一種多相流物質(zhì)的檢測(cè)裝置，該裝置適用于權(quán)利要求1或2所述的多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法，包括超聲波傳感器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括依次線路連接的超聲波發(fā)射接收儀、信號(hào)接受器和計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件；所述的超聲波發(fā)射接收儀通過(guò)信號(hào)傳輸線路與所述的超聲波傳感器相連接，所述的超聲波傳感器檢測(cè)時(shí)可貼敷安裝在被檢測(cè)裝有多相流物質(zhì)的容器或管道的外壁上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多相流物質(zhì)的檢測(cè)裝置，其特征在于所述的超聲波傳感器為2-10個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置。該方法利用超聲波反射法和超聲波衰減法來(lái)檢測(cè)多相流物質(zhì)的相參數(shù)，先將超聲波傳感器貼敷安裝在有多相流物質(zhì)的管道外壁上；用傳感器采集超聲波信號(hào)；計(jì)算和分析這些超聲波信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出多相流物質(zhì)的相參數(shù)。該檢測(cè)裝置適用于本發(fā)明多相流物質(zhì)的檢測(cè)方法，包括超聲波傳感器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，后者包括依次線路連接的超聲波發(fā)射接收儀、信號(hào)接受器和計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件；超聲波發(fā)射接收儀通過(guò)信號(hào)傳輸線路與所述超聲波傳感器相連接，超聲波傳感器檢測(cè)時(shí)可貼敷安裝在有多相流物質(zhì)的管道的外壁上。
文檔編號(hào)G01D1/00GK1912612SQ20061001532
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月15日
發(fā)明者李建新, 孫迪非 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)