DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.046

透射式油水两相流超声检测系统设计与测试

张潍，谭超

(天津大学 电气与自动化工程学院，天津市过程检测与控制重点实验室，天津，300072)

摘要：为实现油水两相流过程信息的提取和参数的检测，设计一种基于超声透射模式的测试系统。该系统可实现超声信号发生、发射、多通道测试数据采集、测试数据处理、存储及流动信息实时显示等功能。对不同含油率的油水两相进行流测试。研究结果表明，该系统能够有效获取油水两相流相含率的变化信号。超声透射测试信号衰减率与相含率、混相速度相关：在不同水流量条件下，超声透射信号随含油率增加呈现先增加后减小的趋势；在水包油和油包水过渡流型中，超声透射测试信号衰减率与混相速度成线性关系。

关键词：油水两相流；超声检测；透射式；系统设计；相含率；混相速度

中图分类号：TP216，TH814+.92         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)09-3252-06

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)

Abstract: 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.

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

多相流过程广泛存在于能源、动力、石油、化工、冶金、医药等工业过程中。多相流问题的研究对促进相关工业过程工艺、设备的发展和创新有重要作用^[1]。多相流现象经常出现在管道输送、流化床、电厂以及反应堆等生产过程中，并与安全问题、经济问题息息相关。对多相流参数的精确测量可以更好地指导实际工业过程操作，但多相流参数测量的难度给工业界和科学研究提出挑战^[2]。油水两相流为多相流的一种，是石油工业中的主要流态，其流动状态受油水两相含率与流速影响呈现多种复杂的流动结构。准确测量和估计油水两相流的流型、相含率、流量等参数对于相关生产工艺设计、流动状态预测、生产设备维护等有非常重要的价值。与气水两相流相比，油水两相介质的密度相对接近，流动的波动程度相对较小，因而参数波动范围较小且容易出现连续相转换现象，对检测系统与方法设计提出了更高要求。常用的两相流参数检测的方法有：介入式检测方法，如文丘里、孔板等差压式测量方法^[3]；非介入方式的检测方法，如微波、射线、超声等^[4]。其中，超声波在不同的介质中具有不同的衰减系数并具有很好的方向性，可用来获取两相流的分相含率^[5]。1955年“鸣环法”超声波流量计在美国研制成功，这也是世界上第1台超声波流量  计^[6]。20世纪70年代，随着电子技术的高速发展，超声波检测设备与电子设备结合得到进一步发展^[7]。近年来，超声方法检测多相流参数获得了越来越多的重视，检测方法主要有反射式、透射式和Doppler 3种。VOLKER等^[8]应用反射模式检测悬浊液并获得了成功。IHARA等^[9]应用超声透射方法检测泡状流紊流条件下速度分布，进而解释和证实气泡产生的摩擦阻力减少现象。WILLATZEN等^[10]解决了透射声衰减模式下的声波传播非线性问题。CAMILLI等^[11]利用超声Doppler方法进行了相含率测量。IHARA等^[12]利用Doppler方法测量频率变化，对低流速流体的流速分布做出了描述。随着数据融合技术的发展，超声方法与其他方法进行融合，可以得到更好的测量结果^[13]。近年来，超声测试方法在气液两相流动过程的研究中发展较快，也为油水两相流的测量提供了一种解决方  案^[14-16]。本文作者利用透射模式超声衰减效应构建了一套两相流相含率超声检测系统，在实验装置上进行油水两相流动态实验对该系统进行了测试，并利用相含率范围、两相流流型以及多重散射理论对测试结果进行分析。

1  超声波多相流检测基本原理

在超声波检测技术中，根据超声波在不同媒质中的反射、折射、衍射和散射等传播特性，通过对相应传播特性信息的获取和分析，即可实现对被测物场的特性的检测。由于声波能量与频率平方成正比，能很好地探测到不透明物体的内部构造。

透射模式超声检测方法利用声波的反射和折射规律，设m为两相介质分界面处声阻抗之比：

                   (1)

式中：Z₁和Z₂为相邻界面的两相声阻抗。因此，透射模式的声压衰减率T_p、声强衰减率T_i和反射模式的声压衰减率R_p、声强衰减率R_i为：

             (2)

            (3)

在20 ℃、垂直入射时，油水声压反射率R_ow=14.73%，油水声压透射率T_ow=85.27%。在油水两相流中，利用超声波在穿透油、水介质时，被吸收能量的不同，通过测量声压在被测两相介质场中的衰减，可得到油水介质的分布、相含率和流速等信息。

在油水两相流检测过程中，定义如下：

1) 表观流速：

            (4)

式中：J_o和J_w为油相和水相的表观流速；Q_o和Q_w为油相和水相的入口流量；s为管道截面积。

2) 相含率：

        (5)

式中：和分别为油相和水相的相含率。

3) 混相速度：

              (6)

4) 信号幅值衰减率：

                (7)

式中：V_w为纯水时超声透射测试信号幅值；V_o/w为油水两相流时超声透射测试信号幅值。

2  透射式超声检测系统设计

2.1  超声检测系统结构

超声检测系统主要包括5个主要部分：超声波传感器阵列模块、激励信号发生模块、信号转换及超声波发射(或接收)模块，信号采集模块和计算机处理系统，其结构如图1所示。其中，信号发生模块产生一定频率的激励信号；信号转换及超声波波发射(或接收)模块完成信号的滤波、放大、输出发射(或接收)等功能；信号采集和处理模块，对接收的信号进行A/D转换和数据的预处理等功能，并将数据传入计算机进行存储、计算和显示。

图1  检测系统结构图

Fig. 1  Structure of measurement system

2.2  超声波传感器阵列

超声波传感器选用中心频率为1 MHz，直径9 mm的收发一体超声波传感器，分布方式如图1中超声传感器阵列部分所示。超声波传感器垂直安装在管道外壁，相邻传感器的夹角相等。每个传感器以一定的时间间隔轮流被触发，依次发射超声信号。该信号经过物场后，由相对的传感器探头进行接收。

2.3  激励信号发生模块

信号发生模块结构如图2所示，包括电源转换单元、FPGA(field-programmable gate array)、DDS(direct digital synthesizer)芯片以及滤波放大环节。电源转换模块为VCVS单元，该模块将输入电压转换为15 V电源给FPGA供电和3.3 V电源给DDS芯片供电。FPGA作为一个控制单元，为DDS芯片提供控制字，调节信号频率。选用时钟频率为300 MHz的DDS模块生成1 MHz的正弦信号。

图2  超声波发生和发射模块结构图

Fig. 2  Ultrasonic signal generation and emission module

2.4  信号转换及超声波收发模块

滤波放大环节采用四阶Butterworth滤波器将DDS生成的正弦信号进行滤波,该环节选用Butterworth高通滤波器，截止频率为800 kHz。放大器将信号放大到±10 V，激励超声波传感器。

2.5  信号采集模块

超声信号经过管道中的流动物场，每遇到两相分界面即产生透射和折射过程，因此会产生诸多频率与原始频率不相同的噪声。为减少该噪声与系统本身噪声，本模块中先对信号进行了滤波处理。信号采集模块完成超声信号的滤波、数模转换、数据采集等功能。信号采集模块结构如图3所示。

图3  信号采集模块结构图

Fig. 3  Structure of data acquisition module

2.6  计算机处理系统

计算机处理系统包括信号采集模块的驱动、数据采集程序、显示、存储等。数据采集程序中完成采样参数设置、数据存储管理和系统设置等功能，流程如图4所示。数据显示将采集到的多路信号进行实时波形显示。在数据存储管理中，通过设置一个可变的地址，将采集到的数据以.txt格式存储在该地址上。系统设置完成对系统的保护和总体控制，该环节创建了参数可变的采样数窗口，当实际采集达到该参数时，程序即跳出循环停止运行。

图4  数据采集程序流程图

Fig. 4  Flow chart of data acquisition

数据采集系统软件程序界面由多个选项组成，包括通道选择与采样率控制的设置窗口；用于观察观察波形是否正确的实时波形显示窗口；用于采集前设定数据存储位置的保存地址设置窗口；另外还包含系统启动运行开关按钮，系统状态指示信号显示等。

3  油水两相流实验及结果分析

3.1  实验过程

在水平管路中，针对不同油水比的两相流进行实验测试。实验管路为水平放置的有机玻璃透明管道，便于观察油水两相流动状态，管道内径为50 mm。

实验中改变两相流流量Q，调节水量这3~8 m³/h，每增加1 m³/h测1次，共计6次；调节油量为0~14 m³/h，每增加1 m³/h测1次，共15次；两两匹配共90个测量值。超声激励信号为正弦波，幅值10 V、频率1 MHz。测试信号的采样频率为10 MHz。实验测试时，每个测试点油水配比稳定流动持续2 min，每次测试采样时间为20 s。实验条件对应的流型如图5所示。

图5 实验条件对应流型图

Fig. 5  Experimental condition in flow pattern

3.2  实验结果

图6所示为水流量为3 m³/h、含油率分别为0和50%时，超声传感器接收的电压信号。从图6可见：当油相加入时，采集所得到的信号波形、频率与超声激励信号一致、没有发生变化，但信号幅值发生了一定程度的衰减。

对每个采样时间内的超声透射幅值信号取正弦波峰值，然后取平均，得到该采样时间内的平均幅值，不同含油率下的超声电压幅值信号如图7所示。

图6  不同含油率超声测试原始信号

Fig. 6  Raw signal for different oil contents

图7  不同含油率超声测试信号衰减率

Fig. 7  Decrease rate δ for different oil contents

由式(2)和(3)可得：在超声波传播过程中，多重散射是超声测试信号幅值衰减的主要原因，且衰减量与超声波在两相介质传播过程中遇到两相分界面数量近似成正比，也即与流速和含率相关。对于不同含率条件的流动状态，存在2种不同衰减形式：1) 当含油率低于30%时，位于流型图中油包水流型区域，此时水为连续相、油为离散相，流动状态为水包油；当含油率高于70%时，位于流型图中水包油流型区域，此时油为连续相、水为离散相流动状态为油包水^[17]。这2种含率条件下，两相流的油水界面比较清晰、且分布比较规律，超声测试信号的衰减主要是透射衰减。超声测试信号遇到分界面的概率随离散相含率升高而升高，测试信号的衰减率是随着离散相含率增加而增大。2) 当含油率在30%~70%时，位于流型图中油包水和水包油流型区域，该区域为水包油与油包水流型交替出现的过渡区域，测试信号的衰减主要与多重散射相关^[18]。随两相流混相流速的不同，油水两相流出现水包油与油包水流型之间的过渡，此时油、水作为离散相交替出现，油水界面分布复杂。当流体速度变大时，油水液滴分散更均匀，超声测试信号在液滴间发生多重散射，导致信号的衰减。

在水包油与油包水流型过渡区间内，相同相含率条件下，超声波测试信号衰减率与混相速度的关系，如图8和图9所示。由图8可知：超声波测试信号衰减率与含油率变化趋势成反比，同一含油率的超声衰减随水流量的增加而减小。由图9可知：超声波测试信号衰减率随着油水两相流混相速度增加而减小，呈近似线性关系。

图8  超声波测试信号衰减率与油含率的关系

Fig. 8  Relationship between decreasing rate of signal and oil volume fraction

图9  超声波测试信号衰减率与混相速度的关系

Fig. 9  Relationship between decreasing rate of signal and velocity of mixed phase

上述实验结果说明，测试信号的衰减与油水两相流含率和速度的变化同时相关。当含油率低于30%或高于70%时，在管道内形成水包油和油包水流型，测试信号的衰减以透射衰减为主，衰减率随着离散相的含率增加而增大；当含油率为30%~70%时，管道内形成水包油与油包水流型的过渡时，测试信号的衰减以多重散射衰减为主，需通过结合流动状态和流速的变化，进一步建立超声测试的模型，实现油水两相流相含率等参数的估计和表征。

4  结论

1) 基于透射模式的超声波测试信号衰减率与油水两相流的相含率、混相速度相关；在不同水流量条件下，测试信号衰减随油相含率增加呈现先增加后减小的趋势。

2) 当含油率低于30%(水包油流型)或高于70%(油包水流型)时，超声波测试信号衰减率与相含率和混相速度呈线性关系；当含油率为30%~70%时，超声波衰减以多重散射效应为主，其衰减率同时受相含率与流速影响。

3) 该系统可广泛应用于油水两相流工业测量中。由于在特定含率条件下，超声波测试信号衰减与油含率呈现线性趋势，可以实时估测管道中油的含率，亦可为进一步实现油水两相流参数的准确获取，提供测试工具和方法基础。

参考文献：

[1] 林宗虎, 王栋, 王树众, 等. 多相流的近期工程应用趋向[J]. 西安交通大学学报, 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] 谭超, 董峰. 多相流过程参数检测技术综述[J]. 自动化学报, 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] 苏茜, 董峰. 油水两相流超声波衰减测试方法[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2016, 47(2): 647-653.

SU Qian, DONG Feng. Ultrasound attenuation measurement in oil-water two-phaseflow[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.

(编辑  赵俊)

收稿日期：2015-05-15；修回日期：2015-09-25

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(61227006，61473206)；天津科技创新体系及平台建设计划资助项目(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)

通信作者：谭超，博士，副教授，从事多相流测试技术与系统研究；E-mail: tanchao@tju.edu.cn