（检测技术与自动化装置专业论文）基于两种常规仪表的湿气流量测量技术研究.pdf

摘要 摘要 气液两相流是工业领域中一种常见的流动形态。作为气液两相流的一种，湿 气广泛存在于石油、化工、能源等各个行业，因此湿气参数( 流量、干度等) 的 测量技术也变得日益重要。 目前对于湿气参数测量的研究还处于发展阶段，没有一种湿气测量设计方案 能够证明完全满足工业对精度的需要。传统的分离法、差压式流量计和多传感器 组合法还是主要的湿气计量方法。国外研究人员在利用组合法测量湿气组分方面 已经取得较大进展，而国内这方面的研究还不多见。 本课题采用文丘里管和涡街流量计组合进行湿气组分测量，并在此基础上开 发出一套湿气流量计信号处理系统。主要工作和成果如下： 1 首次实现文丘里管加涡街流量计的湿气组分测量方式，提出了这种组合方 式的基本思路、研究方案和需要解决的问题。 2 在对传统节流装置湿气测量模型进行比较的基础上，建立了文丘里管收 缩段差压信号及涡街频率信号与气液两相流参数( 总质量流量、干度) 之间的关 系式。 3 对文丘里管出口处的流型进行计算流体力学仿真，验证了其出口流型符合 均相模型的要求。 4 研制出一台样机，设计并建立了一套文丘里管加涡街流量计的湿气测量 装置。传感器中的文丘里管按照最新i s 0 5 1 6 7 标准设计制造，转换器是以m s p 4 3 0 单片机为核一t l , 的湿气流量计信号处理系统。 5 对样机进行模拟实验，实验结果表明测量精度与文丘里管喉部差压p k 的 采样精度密切相关。同时证明本装置可以实现湿气的双参数测量，测量精度能够 满足需要。 关键词：气液两相流、湿气、计算流体力学、文丘里管、单片机 a b s t r a c t a b s t r a c t g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wi sac o m m o nf l o ws y s t e mi nt h ei n d u s 台mp r o c e s s w j tg a s ，a sak i n do fg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w , i sw i d e l yu s e di np e t r o l e u m ，c h e m i c a l a n de n e r g yi n d u s t r y t h em e a s u r e m e n to fw e tg a sp a r a m e t e r s ，s u c ha sf l o wr a t e ，v o i d f u n c t i o n ，i sb e c o m i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt e c h n i q u e c u r r e n t l y , w e tg a sm e t e r i n gi ss t i l lad e v e l o p i n gt e c h n o l o g y n om e t e rd e s i g nh a s y e tt op r o v ei t s e l ft ob ec a p a b l eo fm e t e r i n gw e tg a sf l o w st ot h ea c c u r a c yd e s i r e db y i n d u s t r y t r a d i t i o n a ls e p a r a t o r , d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e sm e t e ra n dm u l t i - f l o w m e t e r s c o m b i n a t i o nm e t h o dp r e d o m i n a t ei nw e tg a sm e t e r i n g t h ef o r e i g nr e s e a r c h e r sh a v e m a d eg r e a ta c h i e v e m e n t si nw e tg a sm e t e r i n gu s i n gc o m b i n a t i o nm e t h o dt h e s ey e a r s ， b u t t h ed o m e s t i cr e s e a r c hi nt h i sf i e l di sr a r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea u t h o rs t u d i e dm a i n l yt h em e t h o df o rt h ew e tg a s m e t e r i n gb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no f v e n t u r it u b ea n dv o r t e xm e t e r s i nt h er e s e a r c h ， t h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sh a v eb e e nm a d e 1 an o v e lm e t h o df o rt h ew e tg a sm e t e r i n gw i t ht h ec o m b i n a t i o no fv e n t u r it u b e a n dv o r t e xm e t e r si sp r e s e n t e df o rt h ef i r s tt i m e ，a n dp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e da r e a n a l y z e d 2 t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r eo ft h ec o n s t r i c t i o ns e g m e n t o fv e n t u r it u b e ，f r e q u e n c ys i g n a lo fv o r t e x m e t e r sa n dp a r a m e t e r so fg a s - l i q u i d t w o p h a s ef l o wa r ec o n s t r u c t e db a s e do nc o m p a r i s o na m o n gm e t h o d so fw e tg a s m e t e r i n gw i t hd i f f e r e n t i a lp r e s s u r em e t e r s 3 t h ef l o wm o d e la tv e n t u r it u b ee x i ti se m u l a t e du s i n gf l u e n ta n dt h er e s u l t p r o v e st h em o d e la c c o r d sw i t ht h eh o m o g e n e o u sf l o wm o d e l 4 as p e c i m e nd e v i c ei sd e v e l o p e da n daw e tg a sm e t e r i n ge q u i p m e n tb a s e do n c o m b i n a t i o no fv e n t u r it u b ea n dv o r t e xm e t e r si sc o n s t r u c t e d t h ev e n t u r it u b ei s d e s i g n e du n d e rt h ei s 0 516 7 ( 2 0 0 3 ) s t a n d a r da n dt h et r a n s f o r m e rb a s e do nm ：s p 4 3 0 s i g n a lp r o c e s ss y s t r m 5 as i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sf i n i s h e dw i 也t h es p e c i m e nd e v i c e t h er e s u l t t e s t i f yt h ee q u i p m e n ti sc o m p e t e n tf o r t h ew e tg a sp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w , w e tg a s ，c f d ，v e n t u r it u b e ，s i n g l e e h i p 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彩鹋 签字日期：2 d 。牟年n 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基建盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：牙魍呜 签字日期：弦。牟年，工月日 导师魏琴苏场 签字日期移卯年年f 。月v 日 第一章绪论 1 气滚麓捆渡检测概述 1 。1 1 气液两相流的定义 第一耄绪论 异质物体或系统中，各存夜分界面的独立物质称之为相。自然界常见的物 质有三相：朗固相、液相和气蝴。因此，瞻任意两种存在分界面的独立物质维 成静物体袋系统都称为两裙耪髂或两籀系统。两稳物谇的流动称为两撩流。在 两相流中，两相之间不仅存在分界面，而风这一分界面是随着流动不断变化的。 戮藏，疆褪滤可定义为存在变韵分赛垂敬嚣瓣独立物质组成懿物体鲍流动。 根据两帽流的定义，可以将两相流大致分为如下三类：气体和液体共同流 动的气液两相流；气体和固体颗粒共同流动的气固两相流；液体和固体颗粒共 鲻滚动静滚嚣两超流。诧辨，麓释不司缝分液体懿共弱瀛囊逸霭于嚣鞠菠薅。 气液磷相流是两相流的一种，它是幽气、液两相混合物构成的两相共存并 樵互作用的流动体。遨耪气涟鼹耀流现象，在自然癸郛人们的生活中是常见的。 气液两相流根据物旗缀分韵不蔺又可分为褥穗。崮同一缀分的两种楣缀成的气 液两相流称为单组分气液两相流，例如由水蒸气和水构成的两相流。幽不同组 分豹嚣耱褪缝或豹气滚嚣超流藏为双缝分气滚嚣攘滚，镄魏囊空气积承擒藏豹 气液两相流。在不发生相变的流动过程中，单组分两相流和敞组分两桐流适用 间样的物理规律，因而可通称为气液两相流【l 】。 气滚薄糯流在动力、纯工、镧冷、猫潴、冶垒等工韭疆域中广泛存在。在 原子能发电站、火力发电站、释种热交换设备、精馏塔、化举反应设备等场所 浆广泛存在气滚耀檩滚体款滚动现象。绣默，了孵并掌握气滚嚣穗浚懿摹孛静特 性是很有意义的。为此，必须辩气液两相流的参数进行测量劂1 3 j 。 。2 气滚嚣相淀麴主要参数 在单相流体流动时，描述种流动的最基本参数为速度、质量流擞或体积 浚羹。在气滚亵穗滤俸戆滚动中，謇予存在着一个形凌窝分露在露阉霉珏窒阕萋 均是随机可变的相界面，而相闻实际上又存在着个不可忽略的相对遵度，致 使滚经管道的分相濂爨比和分襁鼹占的镑截面比并不相等。殿此，除描述单相 第一章绪论 流体流动的参数外，流体的流型，各相的质量含量、体积含量和速度等也是重 要参数。描述气液两相流的基本参数如下【4 】： 1 流型 又称流态，即流体流动的形式或结构。两相间存在的随机可变的相界面， 致使两相流动形式多种多样，十分复杂。流型是影响两相流压力损失和传热特 性的重要因素。对两相流各种参数的准确测量往往也依赖于对流型的了解。试 验研究表明，气液两相流在水平管中流动时，其基本流动结构有下列6 种：泡 状流、长气泡流、塞状流、光滑分层流、波状分层流和环状流或环雾状流。图l 是水平管中的气液两相流流型，图2 是说明水平管道内空气一水常压下流动结 构随气液流量变化的流型图p 】。 ( d j ( c ) c ) ( f ) 图1 1 水平管中气液两相流流型 ( a ) 气泡流；( b ) 柱塞流；( c ) 分层流 图1 - 2 水平管内空气一水两相流流型 ( 0 1 m p a ，2 5 ，管径5 1 c m ) ( d ) 波状分层流；( e ) 弹状流；( f ) 环状流或环雾状流；u s l ，u s o 为表观液体、气体流速 2 质量流量和体积流量 每秒流过管道流通截面积的气液两相流体质量称为质量流量，用w 表示。 每秒流过管道的气相质量及液相质量分别称为气相质量流量及液相质量流量， 分别用w g 和w l 表示。 每秒流过管道流通截面积的气液两相流体体积称为体积流量用q 表示。 每秒流过管道的气相体积及液相体积分别称为气相体积流量及液相体积流量， 分别用q o 和q l 表示。 3 截面含气率氆及截面舍液率( 1 一a ) 如果气液两相流流过管道的流通截面积为a ，气相及液相所占截面积分别 为a g 和a l ，则气相所占截面积和总流通截面积之比为截面含气率，用表示。 审一 第一章绪论 液相所占截面积和总流通截面积之比为截面含液率，用( 1 一) 表示。即 a = a g a ( 1 一讧) = a l ，a ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) 4 体积含气率和体积含液率 气相体积流量和两相体积流量之比为体积含气率；液相体积流量和两相体 积流量之比为体积含液率。 由于气液两相之间存在速度滑差，所以截面含气率与体积含气率通常并不 相等，有时相差很大。 5 质量含气率，c 及质量含液率( 1 一x ) 气液两相流体中气相质量流量所占两相质量流量的分额称为质量含气率， 用x 表示。液相质量流量所占两相质量流量的分额称为质量含液率，用( 1 一x ) 表示。质量含气率也称为干度。以数学式表示，则质量含气率和质量含液率分 别为 x = w g ( w g + w l ) ( 1 一z ) 2 w l ( w g + w l ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 此外，还有一些描述气液两相流分布的特征参数，如液滴的尺寸及其分布、 气相真实流速和液相真实流速、滑动比、滑动速度等，它们在气液两相流的研 究中的研究中也起到至关重要的作用，对这些参数的准确测量也是十分重要的。 1 1 3 气液两相流测量技术的国内外研究现状 1 1 3 1 气液两相流测量技术的发展概况6 】 7 j 早先一些蒸汽轮船和蒸汽机车的锅炉爆炸事件促使人们去研究锅炉水循环 问题。在1 9 世纪末和2 0 世纪初，已有一些这方面的论文。美国、前苏联、德 国在这个时候已开始了气液两相流的研究工作。但两相流这一术语是在2 0 世纪 3 0 年代才首先出现于美国的一些研究生论文中。在1 9 3 0 1 9 4 0 年期间，一些研 究气液两相流不稳定性以及锅炉水循环中气液两相流动问题的经典性文献陆续 第一章绪论 发表。当时的研究参数一般都在中低压一下。1 9 4 0 1 9 5 0 年期间，人们不仅对 双组分气液两相流的流动阻力等问题进行了研究，而且还将研究工作深入到具 有热交换的单组分气液两相流领域。研究参数也逐渐趋向高压。1 9 4 3 年，苏联 首先将这一术语应用于正式出版的学术刊物上。 2 0 世纪5 0 年代后，由于整个动力工业中高温高压自然循环锅炉和直流锅炉 问题的采用，以及商用核电站的开始发展，促使气液两相流的研究工作进一步 展开。在此期间对于气液两相流的流动结构形式以及传热恶化问题进行了较为 深入的研究。研究参数也进入高压、超高压乃至超临界压力。日本于2 0 世纪5 0 年代，我国于2 0 世纪6 0 年代也开始了这方面的研究工作。 1 9 7 9 年美国三里岛核电站事故和1 9 8 6 年原苏联的契尔诺贝利核电站事故 的发生，促使各主要工业国对于核反应堆安全问题关系密切的热力、水力状况 进行了大量研究工作，进一步推动了气液两相流学科的发展。此外，在其它工 业领域中，由于工业技术的发展和新型还热设备的研制，都使管路内气液两相 流的研究工作收到重视。近些年，随着研究的深入和现代科技的迅猛发展，逐 步建立起气液两相流准确可靠的数学模型，而诸如辐射线技术、激光技术、核 磁共振技术、过程层析技术、软测量技术等高新技术也被用于两相流的测量中。 1 1 3 2 气液两相流测量技术现状 根据在测量过程中是否对两相流进行分离可以将气液两相流流量测量技术 分为分离法和非分离法。传统的分离法应用分离设备将气液混合物分离成单相 气体和液体后，再通过单相流量计进行计量。这一过程相当于把两相流体流量 测量转化成单相流体流量测量，是目前陆地油田油气产量计量的主要方式。但 这种方法的最大缺点是分离设备体积庞大，价格昂贵，并需建立专门的计量站 和测试管线，这在很大程度上增加了油田的开发成本。 目前西安交通大学的王栋、林益等人提出了分流分相法，希望能对传统的 分离法进行改进。这种测量方法具体过程是，首先通过一种分配器从被测两相 流体中成比例地分流出一部分( 5 2 0 ) 气液混合物，接着使用一小型分离 器将这股两相流分离成单相气体和液体，然后用单相流量计分别测量出气相和 液相流量，并根据比例关系将测量值换算成被测两相流体的流量，最后再分别 将这部分气体和液体返回被测两相流中。与传统分离法相比，由于进行了分流， 分离器的负荷仅为原来的5 2 0 ，因而体积可以比原来缩小5 2 0 倍，基本上 接近于一个普通单相流量计的体积。与其他各种非分离法相比，测量仪表都在 单相流中工作，测量结果不受两相流的波动性和流型变化的影响。因而在测量 精度、可靠性以及测量范围等方面都远优于各种非分离式仪表( 8 】 9 1 z o p 5 1 。 第一章绪论 除了传统的分离法以外，世界各国都在竞相开发能够实时在线测量的两相 流量计，以取代传统的分离法，已出现的主要方法有以下几种。 1 采用传统的单相流仪表和多相流测试模型组合的测量方法 人们一直希望把已经成熟的单相流仪表或做过改进的单相流仪表应用到两 相流参数测量中去，如差压式流量计，涡轮流量计，靶式流量计，涡街流量计， 超声波流量计，科里奥利流量计等，这些工作已取得了较大的进展，在一定精 度和应用范围内能解决许多气液两相流的测量参数问题【”。如对差压式流量计 建立了基于分相流模型或均相模型的多种两相流量模型和基于差压脉动噪声的 两相流模型【6 i i 】0 2 ；对涡轮流量计建立了关联函数式和a y a 模型u 4 ；对涡 街流量计，上海电力学院的李永光改进了旋涡发生体的形状并在旋涡发生体的 迎流面加装了压力传感器，使得一台涡街流量计可以测量出气液两相流的两个 参数【1 6 】 1 7 】；还有一些研究者尝试使用与流体密度无关的真实质量流量计直接 测量气液两相流体的质量流量，目前较为成功的是角动量式质量流量计i ”。 单相流中已有的传统的光学、电学、热学等探头和传感器，也经改造被广 泛的应用到两相流测试系统中。如采用单个或多个电导探针测量流型、局部含 气率、气泡速度。这些测量装置简单可靠，且技术相对成熟，有很高的工程应 用价值。 采用两传感器组合，进行双参数测量确定流量或干度的方法也获得了较多 的成功应用。这类组合测量多为组分浓度仪表、速度仪表和流体流动的动量通 量仪表的交叉组合应用。如节流元件一均速管，y 射线一靶式流量计，涡轮流 量计一文丘里管等【l j l “。 2 应用现代新技术 随着现代科技的发展，在两相流参数测量中也越来越多的涉及到现代新技 术：如辐射线技术、激光技术、光纤技术、核磁共振技术、超声波技术、微波 技术、光谱技术新型示踪技术、相关技术、过程层析成象技术等。 基于辐射线吸收或散射原理的y 射线、p 射线、，c 射线和中子射线仪表是多 相流组分浓度的重要测试手段。国外在此领域的技术已趋于成熟，形成了商品 化的工业型仪表，其中以v 射线密度计应用最为广泛。 激光多普勒测速技术在进入多相流测量领域的二十多年里，由于其具有非 接触方式、空间分辨率高、动态响应快、方向性好和测速范围宽的特点，得到 了很大发展。但激光测速装置复杂、价格昂贵、使用时技术要求高，主要仍限 于实验研究中应用。 光导纤维具有灵敏度高、不受电磁场干扰、“传感”台一、工作可靠、 便于安装的特点，在多相流参数测量中的应用得到了迅速发展。 第一章绪论 核磁共振法具有非接触测量、与被测流体的导电率、温度、粘度、密度和 透明度等物性参数变化无关等特点，在两相流的含气率、平均流速、瞬时流速、 流速分布测量等实验研究中获得了应用。 应用超声波测量流体流量的研究已经经过了数十年，但直到电子技术迅速 发展的近十几年，工业实用的超声波流量计才产生。通过测量两相流体中的颗 粒相( 气泡、液滴) 散射的超声波多普勒频移来确定流体流速的超声波多普勒 流速计可用于测量含气泡或液滴的流体流速，目前已达到实用化的程度。 全息技术由于具有不影响流场分布，可实现三维测量，适用对象广泛等特 点，在多相流检测中获得了广泛应用。特别是应用脉冲激光全息摄影及再现处 理技术对多相流的三维空间的粒场分布、速度场、加速度场以至颗粒轨迹进行 分析研究方面取得了较大进展。 p n a ( p u l s e dn e u t r o na c t i v a t i o n ) 脉冲中子辐射法是应用脉冲中子源轰击被 测两相流，使两相流各组分分别辐射出相应的y 射线，通过分析7 射线韵频谱和 在管道下游的活动时间测量出各相的化学成分、相分额和流量。 相关技术理论上可用于测量流体系统的流量，而且测量流速的范围很宽。 自6 0 年代中期发展起来的、以相关技术基础构成的两相流量测量系统，在国外 已形成商品化工业仪表，是目前两相流测量中极少数已形成工业型仪表的一种。 自2 0 世纪8 0 年代中期兴起的过程层析成象技术( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 因采用非侵入或非接触方式测量，能在线连续的提供两相流体截面状况的二维 可视化信息，并可经过进一步处理提取若干有关被测两相流体的特征参数，受 到了人们的普遍关注。目前，天津大学王化祥教授带领的课题组对过程层析成 象技术一直进行着深入的研究。随着传感技术、微电子和信息处理技术的发展， 过程层析成象在两相流和多相流测量领域将发挥越来越重要的作用1 1 h “。 3 在成熟的硬件基础上，以计算机技术为支撑平台的软测量技术 这类方法将软测量技术( 如状态估计、过程参数辨识、人工神经网络、模 式识别等) 引入到两相流参数测量领域中来，目的是解决具有复杂性、不确定 性，而且很难用数学模型精确描述的两相流系统测量问题。 目前的一些研究包括应用统计模式识别技术对气液两相的流型进行鉴别； 应用参数估计法测量两相流流速；应用人工神经网络技术测量油井多相流分相 含率等17 1 。 综上所述，两相流流动参数的检测是一个难度较大、在国内外都急待研究 和探索的领域，其发展趋势和今后研究方向可归纳为一下几个主要方面： f 1 ) 成熟的单相流参数测量技术与测量仪表应用于多相流检测仍然是受到普 遍重视的一个重要研究方向。 第章绪论 ( 2 ) 借助于各种新技术的发展，研制高灵敏度、准确度和高可靠性的多相流 传感器和参数测量仪表。 ( 3 ) 随着计算机技术和图象处理技术的发展，应用过程层析成象技术，获取 两相流体二维时空分布信息，对两相流局部空间区域进行微观和瞬态的测量。 ( 4 1 加强过程辨识、参数估计和模式识别等理论的研究，应用软测量方法研 究两相流参数。 1 2 湿气检测技术的研究现状 湿气是气液两相流的一种特殊形态，在很多工业领域中都广泛存在。在能 源工业，湿气主要以湿蒸汽为主，广泛存在于锅炉及核电站。在石油天然气工 业，由于一些油井进入采收的最后阶段，产出物中水的含量显著增加，钻井平 台上的油气分离装置己不能满足需要，分离作用下降，导致湿气的产生。在天 然气的输送过程中，由于压力、温度的变化，导致天然气中液态碳水化合物的 含量随输送过程逐渐增多，形成湿气。由此可见，对湿气本身和它的计量方法 进行研究属于气液两相流研究的一部分，是十分重要和必要的【l8 l 。 1 2 1 湿气的定义 湿气是工业中经常被用到的名词，但是每一个研究人员或者仪表制造商对 湿气这一名词的含义都有不同的理解 1 9 j 。但是通常都认为，湿气是一种气液两 相流中气相的体积不断增加，液相的体积不断减少，最后形成气相为连续相， 液相为离散相的流动状态。依据干度的不同，湿气呈现出环状流、环雾状流或 雾状流的流动形态。相对来说湿气的流动形态较气液两相流的流动形态要简单。 按照壳牌公司对湿气的定义，气液两相流的体积含气率大于9 5 即为湿气 2 。但是这样一个定义也是覆盖的范围仍然很大，尤其是在系统压力及被测介 质不同的情况下。如英国北海油田，在典型工况下，按照这一定义，质量含液 率不超过质量含气率，或者质量含气率大于o 5 才算作湿气；而对于天然气一水 介质而言，在常温、系统压力为o 3 m p a 的条件下，质量含气率超过o 0 6 即为 湿气【1 8 】。 1 2 2 湿气检测技术的研究现状 理论上说，所有能够测量气液两相流的方法都应该能够被用来进行湿气的 测量。但是由于很多新技术还不成熟，仍处于实验室应用阶段或者理论研究阶 第一章绪论 段，而且人们似乎更乐于将这些新技术应用到流动形态比较复杂的气液两相流 测量中去，所以传统的分离法、差压式流量计和多传感器组合法还是主要的湿 气计量方法。 孔板流量计和文丘里管等差压式流量计由于具有结构简单、成本低、运行 可靠、无可动部件等优点，作为湿天然气及气液两相流流量计量仪表在石油工 业领域被广泛接受。近4 0 多年来，许多研究者进行了一系列有关湿气或气液两 相流流过差压式流量计的试验研究工作，并得出了一些关系式。 如在1 9 6 2 年j w m u r d o c k 研究了气液两相流流过孔板时的流动情况后， 得出了m u r d o c k 关系式】。之后克列姆莱夫斯基在1 9 7 2 年，r v s m i t h 和 j t l e a n g 在1 9 7 5 年，d c h i s h o l m 在1 9 7 7 年，h d e l e e u w 在1 9 9 4 年也都分 别对湿气( 气液两相流) 流经差压式流量计时的流动情况进行了研究，得出了 相应的关系式1 】1 2 6 1 2 7 1 2 8 】。 近几年，一些学者对这方面的研究还在进行着。如1 9 9 3 年v c t i n g 对安 装方式为水平、垂直向上和垂直向下三种不同方式的孔板的湿气测量精度进行 了研究【2 9 】；e h j o n e s 和v c t i n g 于1 9 9 6 年对湿气测量中涡轮流量计和孔板 的测量精度进行了比较，得出了湿气测量中涡轮的测量精确度高于孔板的结论 【3 0 】；2 0 0 2 年d a v i dg s t e w a r t ，g r e g o rb r o w n 和d a v i dh o d g e s 对湿气测量中使 用的文丘里管和孔板进行了讨论p 1 】；2 0 0 3 年英国的m v a nw e r v e n 和 h r e v a nm a a n e n 等人将湿气看作雾状流，对它流经文丘里管的流动模型进 行了研究”“。 除了孔板和文丘里管，一些学者还提出了使用新型的差压式流量计一内锥 式流量计来进行湿气测量的概念。如n e l 的d a v i ds t e w a r t 年n d a v i dh o d g e s 以及 m c c r o m e t e rh a c 的r i c h a r ds t e v e n 和r j w p e t e r s 于2 0 0 2 年发表了应用内锥式流 量计测量湿气的论文，并将内锥式流量计与文丘里管做了对比，得出了内锥式 流量计精度更高的结论【3 ”。 上面提到的计算式大多应用范围有限，通用性不强。而且，这些研究成果 都是在单传感器的基础上进行，无论怎样，采用单传感器只能获得湿气的一个 参数，无法得出湿气的分相流量。这些孔板或文丘里流量计只能使用在气液组 分比较固定的油田或气田上，并且需要定期检查气液组分情况。 目前能够进行湿气气液组分测量的多是两种或多种传统仪表的组合，在这 方面国外科研机构和公司的研究人员已经取得了较大的进展，研制出不少湿气 流量计。 2 0 0 1 年意大利的p a n d r e u s s i 和p c i a n d r i 在国际流量测量大会上发表了一 篇论文，介绍了一种t e a s i s t e m i 公司新研制的湿气流量计。它基于等动力原理， 第一章绪论 由采样部分，多相喷嘴和分离腔组成( 其中用到了孔板和文丘里管) 。并且有自 动标定功能。测量范围为气相3 0 1 2 0 m 3 h ，液相o 6m 3 1 1 ，精度达到5 2 4 】。 2 0 0 2 年，j oa g a r 和d a v i df a r c h y 在s p e ( s o c i e t yo fp e t r o l e u me n g i n e e r s ) 技术年会上提出了由三台传统仪表组合成的湿气流量计。该流量计由一台测量 体积的涡街流量计和两台不同喉颈的文丘里流量计构成，不需要分离器、示踪 器或混合器。可直接安装在管道上，压损小，耗电量低。它不仅能测量湿气， 甚至还可以进行多相流测量t 1 9 1 p 1 。 2 0 0 4 年s e a nh o p k i n s 提出的湿气流量计使用了文丘里管，差压装置和示踪 器的组合，并在n e l 的湿气测试环路装置上做了试验。该流量计可直接安装在 管道上，而且能够在线修正气相流速【2 ”。 除此之外，一些公司也对湿气流量计进行了研究。如挪威的r o x a r 公司研 制的湿气流量计使用了微波技术加文丘里管( 或内锥式流量计) 的组合。它不 仅测量精度高，测量范围宽，还拥有数据库、数字输出接口和网络接口 2 引。 下面将目前出现的湿气流量计的性能和结构做一个比较。 表1 1 国外湿气流量计性能比较 名称 性自 t e as i s t e m i j o a g a rh o p k i n s r o x a r 由三部分组成，两台文丘里管文丘里管( 或孔微波技术和文 所用技术 包含孔板和文和台涡街流板) 、差压装置和丘里管( 或内锥 丘里管量计示踪器。流量计) 测量范围 8 8 1 0 0 g v f8 0 1 0 0 g v f9 0 1 0 0 g v f9 0 1 0 0 g v f 管道直径5 0 m m2 5 6 1 0 m m 不限 长度( c m ) 1 0 0 2 6 6 ( 1 5 0 管径)9 2 ( 2 0 0 管径) 重量( k g ) 6 8 0 ( 1 5 0 管径) 8 0 0 ( 1 5 0 管径) 1 5 0 ( 2 0 0 管径) 4 2 0 m a 4 - 2 0 m a 输出4 - 2 0 m a 输出4 - 2 0 m a 输出 数据输出 r s 4 8 5r s 2 3 2r s 2 3 2r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5r s 4 8 5l a n 恼n 精度( 质气相： 5 气相：5 气相： 5 气相： - - 4 - _ 5 量流量) 液相： 5 液相：5 液相： 1 0 5 时，其流型为雾状流【3 7 i 。本课题研究的湿气完全附和上 述条件，气水混合物在经过长嶷管段时究分发展，猷高速通过文丘里管喉部时 糍疫混合，使气耱； 羹液稳蓊混合更热筠匀，这对瀵气静流墅建更为充分瀚雾拣 流。因此，可以把冀状流的湿气流动看作是均相流动，假定遮时的两相流速相 圊，滚俸缀过阻滚元传时不发生相交，并忽略其羹力季鞋摩擦力麴影噙，这时的 滋气就是一种其有均匀混合密度p 。的“单相流体”，而具有一定频率的漩涡就 是这种“单相流体”以一定的流速经过涡街流量计的阻流元件时产生的【i 】 3 7 】。 遮一结埝鬃f l u e n 善软薛送行了仿囊验程 0 7 5 。 空气的等熵指数为1 4 。虽然k 值随温度和压力的变化而变化，但由文献 4 4 的图2 2 2 5 可知在本实验的温度压力条件下k 取1 ，4 完全满足精度要求。 在上式中，要得到必须测量p l 和p 2 ，p 衙口p 2 之差就是文丘里管的压力 损失。p 。即管道压力，而p 2 需要增加一个传感器专门测量。这增加了传感器的 个数，也使二次表部分的硬件电路和软件变的复杂。因此，我们可以使用下面 的公式计算出文丘里管的压力损失，再得出p 2 。 a m = f o 4 3 6 - - 0 8 6 p + 0 5 9 1 3 2 ) a p ( 4 3 ) 式中一压力损失，p a ； p 一流体流过文丘里管的差压值，p a 。 所以可以得到 p 2 = p 1 一 ( 4 4 ) 这样，不需要测量p 2 也能得到8 。 ( 3 ) 0 。的标定方法第二章已经介绍过。标定完成后可拟和出0 。= f ( p 。9 。) 的盐线，这样由工作压力和温度求得p o p 。后，即可根据此曲线得到o ，值。其 关系式为： e v - s s ( 小z z s 时z 甜，e s ， ( 4 ) 再说明一下涡街频率f 的计算方法。本次实验使用的涡街显示瞬时体积 流量q 。，单位为m 3 h 。由式( 2 - 2 7 ) 可知， q 。= 夏f 3 6 0 0 ( m 3 h ) ( 4 6 ) 若将仪表系数k 设为3 6 0 0 ，则有q v = f ，及涡街流量计显示值为频率值。 第四章样机研制 4 2 湿气流量计信号处理系统 在湿气测量中应用到很多传感器，通常情况下传感器输出4 2 0 m a 电流信 号，使用计算机采集卡将数据采集到工控机中进行显示和处理。这种做法适合 于实验室研究或计量站监控。在一些自然条件恶劣的小油气田中或单口油井中， 一般无法也没有必要建立一个计量站，所以需要种能够进行在线测量、稳定 工作并对数据进行保存的小型湿气流量信号处理系统。 以此为目标，本课题开发出一套以t i 公司m s p 4 3 0 单片机为核心的湿气流 量计信号处理系统。 4 2 1 整体结构 湿气流量计信号处理系统包括数据采集部分和人机交互部分。需要处理的 信号包括文丘里管喉部差压信号和涡街流量计频率信号，此外还有管道压力和 温度信号。系统整体结构如图4 一l 所示。 l 兰塑苎兰竺兰f = 爿) 臣巫硝 微处理器 匝亘端 r 面酉o 图4 - 1 系统结构图 其中差压信号、压力信号和温度信号都是以4 2 0 m a 输出的标准信号，可 以通过电阻转换为电压信号，经过a d 采样进入单片机。涡衔输出的频率信号 可以直接被单片机采用。 4 2 2 主控芯片选择与介绍“6 4 7 4 8 1 根据湿气流量计信号处理系统的特点，主控芯片应该满足以下要求： ( 1 ) 高集成度，以减小硬件电路的体积，提高可靠性； ( 2 ) 功耗低，能够长时间使用； ( 3 ) 运算速度快，能够胜任解方程组工作。 目前广泛使用的单片机有m c s 5 1 系列，p i c 系列，m s p 4 3 0 系列等多种型 号。其中t i 的m s p 4 3 0 系列单片机是- - e e 超低功耗的混合信号控制器，它们针 第四章样机研制 对不同的应用而由各种不同的模块组成。这些微控制器被设计为可用电池供电， 使用时间长。它们具有1 6 位r i s c 结构，c p u 中的1 6 个寄存器和常数发生器 使m s p 4 3 0 微控制器能达到最高的编码效率；灵活的时钟源可以使器件达到最 低的功率消耗；数字控制的振荡器( d c o ) 可使器件从低功耗模式迅速唤醒， 在少于6us 的时间内激活到活跃的工作方式。在本系统的设计中，作者选用 m s p 4 3 0 f 4 3 7 作为主控芯片，它具有以下特性： ( 1 ) 超低功耗，一节电池可工作1 0 年，工作电压1 8 v 3 v ； ( 2 ) 1 2 位a d 转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性； ( 3 ) 1 6 位精简指令结构( r i s c ) ，1 5 0 n s 指令周期； ( 4 ) 驱动液晶能力可达1 6 0 段； ( 5 ) 2 个1 6 位计数定时器和1 个基本定时器： ( 6 ) 带有硬件乘法器，运算速度快； ( 7 ) 工业级产品，运行环境温度为一4 0 8 5 ，在恶劣的环境中也能工作。 从以上的特性中可以看出，与其它单片机相比，t i 公司推出的1 6 位单片机 m s p 4 3 0 f 4 3 7 具有片内外设丰富、处理能力强、超低功耗、工作稳定等优点， 非常适合小型低功耗仪器仪表的开发使用。它将a d 转换器、液晶驱动集成在 一个片子上，外围电路几乎不需要扩展，因此系统体积可以做的很小，稳定性 和可靠性随之增强。同时，内部自带硬件乘法器，运算速度比一般的8 位单片 机有显著提高。m s p 4 3 0 系列单片机还是超低功耗器件，拥有多种低功耗模式。 除此之外，它还具有f l a s h 存储器和j t a g 接口，可以在一台p c 机及一个结构 小巧可j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序调试，而不需要仿真 器和编程器，使开发工作非常方便。由此可见，m s p 4 3 0 f 4 3 7 是作为系统主控 芯片的合适的选择。 4 2 3 系统硬件电路设计呻蜘 湿气流量计信号处理系统原理图如图4 2 所示。 可以看出，系统的外围电路非常简单，j t a g 口用来下载程序，剩下的只有 一块l c d 显示板和三个按键，因此系统很紧凑。 第四章样机研制 图4 - 2 湿气流量信号处理系统原理图 4 2 3 1 系统时钟 本系统采用电池供电，这样的系统常常存在两个矛盾的要求： 1 采用低频时钟以达到节能和延长电池使用时间的要求。 2 采用高频时钟以实现对事件的快速反应和处理突发事件的能力。 m s p 4 3 0 单片机的基础时钟模块能够输出3 种不同的时钟送给各种不同需 求的模块，正是这个特点解决了上述的矛盾并使整个系统的低功耗成为可能。 基本时钟模块的输入输出关系如图4 3 所示。 l f ) ( t l c l k x t 2 c l k 图4 - 3 m s p 4 3 0 的时钟 a c l k ( 辅助时钟) m c l k ( 主系统时钟) s m c l k ( 子系统时钟) 从图中可阻看出，m s p 4 3 0 有3 个时钟输入源： l f x t l c l k ：由低频时钟晶体产生的低频时钟源，由标准高频晶体或陶瓷 谐振器产生的高频时钟源以及外接时钟信号源，频率精确，低功耗： x t 2 c l k ：由标准晶体或陶瓷谐振器产生、外接4 5 0 k h z s m h z 时钟信号 源。频率精确，但是较高的频率会带来较大的工作电流； d c o c l k ：片内可以数字控制的r c 振荡器，频率不精确，且易受环境因 笫四章样机研制 索的影响，低功耗。 基础时钟模块提供的3 种时钟信号是： a c l k ( 辘萌鼓镑) ：a c l k 楚l f x t l c l k 售号经l ，2 ，4 ，8 努频蜃褥到 的。分频系数可选，幽参数d i v a 控制。a c l k 可逡作各个外围模块的时钟信 号。 m c l k ( 系统主辩镑) ：m c l k 可壹软 譬选择来蠡l f x t l c l k 、x t 2 c l k 和d c o c l k 之一，然后经过1 ，2 ，4 ，8 分频得到。分频系数出d i v a 控制。 m c 己k 主要用于c p u 秘系统。 s m c l k ( 子系统丑寸钟) ：s m c l k 可幽软件选撵米自l f x t l c l k 、x t 2 c l 砭 和d c o c l k 之一，然后经过l ，2 ，4 ，8 分频得到。分频系数内d i v s 控制。 s m c l k 主要矮子各癸瓣模头。 m s p 4 3 0 的时钟模块影响c p u 及外围模块的工作状态，时钟信号的存在与 否可决定外围模块是否工作，时钟信号的频率高低影响外围模块的工作速度和 电流，时辩傣号源的合瑾选择关系裂是否糍将系统静功耗薄弱最低。 为优化低功耗特性，本系统的a c l k 使用3 2 7 6 8 h z 晶振产生的l f x t l c l k 羧入源，丛掇供稳定敬系统器重基粒低功耗黪套月工 鐾状态。 m c l k 可以来自片上的d c o 振荡器( 它只是猩发生请求服务的事件时才 需臻) ，也可用高速晶体产生频率较高的m c l k 供给c p u 以满足高速数据运算 静霈婺。密予没有瑟予实露往黧蜜求，零系统静圭辩镑氇傻焉l f x t l c l k 输入 源。 s m c l k 可以来鸯鲐部鑫攘戏d c o ，取决于步 鄹模块的要求。出予本系统 中使用到了a d 转换器，考虑到采样速度和精度的娶求，时钟信号输入源选择 外接6 m h z 龋振的x t 2 c l k 。 这样戆安攘帮考虑了系统功耗又瀵是了运算速凌熬要求。 4 2 3 2a d 转换 本系统篱要处瑾瀚信号中霄三个帮是4 2 0 m a 豹龟滚