电容法多相流检测中相浓度的求解

    1　引言

    电容测量法是工业生产过程中建立起来的一种多相流检测方法,而且在两相流测量中已获得广泛应用。解决多相流相浓度测量问题,需要在电容传感器“感受”到的随机电容转化成的随机电压信号中提取出关键信息。利用有限元方法对特定型号的电容传感器进行了仿真,对现场采样的信号进行数据处理,最终实现了三相流浓度的测量。

    2　传感器型号及信号的采集

    测试段设在一段垂直上升管道上,采用双层有机玻璃管,管壁粘合有6 cm长的电容极板和20 cm长的保护极板,极板张角120°,外套内径80 cm的屏蔽层,另有专用外电路将电容传感器输出的电容信号转化为±5V之间的电压信号,通过A/D转换卡输入计算机,转换为数字信号。

    将输出频率为20kHz,峰峰值为10V的电压加在被测电容上作为高频信号源,再将被测电容接入电荷放大器的输入端,电荷放大器的输出电压同被测电容值成正比。而后,信号再经过半波整流器,截止频率为5kHz的低通滤波器,最后利用电平移动电路和放大电路调节电压值至适当电位,送入A/D板。用软件对电压信号进行采集,采样频率为75kHz。

    3　信号处理

    由于电容极板间的介电常数变化可以导致电容传感器电容值的变化,利用FEM方法计算不同气相占空比和等效液相介电常数下,采用的电容传感器的电容值,结果如图1所示。

    根据多相流的统计特征,在采样时间足够长的采样序列中找出电压值最大的一点,将该点的电容值设为电容传感器敏感体积内没有气泡通过时电容的输出。该点在气相占空比为零的等效介电常数—电容值曲线上的取值即为三相流中液相的等效介电常数。由于油水两相的介电常数不同,可以得出它们占液相的比例。经过该点,垂直于液相等效介电常数的平面与电容值曲面的交线上对采样点进行插值,每一点所对应的气相占空比即该点的气相百分含量。用这种方法即可得到每一时刻3种成分各自的相浓度,计算结果如表1所示。

    表中的数据是在北京石油大学流体测试实验室油气水三相流水平实验管道中测得的。当时的气温在10℃左右,管道内压力约为0.4MPa.

    4　结论

    理论和实践证明,在FEM计算结果中插值的算法,是测量石油三相流流量的有效方法。用这种方法计算的误差在10%以内,且在提高实验条件的前提下,很可能减小误差。由于测量过程中,管道内的压降有小的波动,采样时应该同时获取电压信号,加入到计算过程中,对结果进行修正。在用FEM进行仿真时,计算点的密度增加,会使插值结果更准确。另外,进一步延长采样的时间,对获取特殊点有重要意义。