Page 43 - 《应用声学》2020年第1期
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第 39 卷 第 1 期 金宁德等： 油 -气 -水三相流超声传感器持气率测量 39
并使用浮子流量计对气相流量进行准确计量。在气 上述实验过程，依次完成全部实验流动工况。实验
相入口处安装了一个止回阀装置，以防止水相和油 中的液相表观流速U sl 范围为0.0368 ∼ 1.1776 m/s，
相倒灌入气相管路中，影响气相计量仪表的准确性 气相表观流速 U sg 范围为0.0552 ∼ 0.4416 m/s，共
及空气压缩机的使用安全。为使得气相能够以均匀 测量 210 组流动工况数据，实验中利用高速摄像仪
分布的形式进入管道中与液相混合，在气相入口处 拍摄到段塞流、泡状流及混状流三种典型流型。
安装了一个气体分布器，以使得流体均匀混合后再 图5为高速摄像仪的拍摄的三种典型流型的流
进入到发展管段中。实验中，固定油水混合液总流 动结构图。可以看出，三种流型下，油相均主要以
量与气相流量，从 4% 到 20% 逐渐增加油水混合液 非常小的油滴的形式和水相混合在一起。对于段塞
中的含油率K o (含水率K w = 1 − K o )，当一个油水 流，主要由包裹着下降液膜的泰勒泡及充满气泡的
混合液流量和气相流量下的所有液相含油率流动 液塞组成，二者呈拟周期交替运动；泡状流的气相主
工况完成测量后，保持液相总流量不变，改变气相流 要以小气泡的形式分布在油水混合液中，且运动具
量到下一个流动工况，然后，改变液相含油率重复实 有较强的随机性；混状流的气相与液相呈随机无规
验。待一个液相总流量下所有的气相流量及液相含 则的交替出现，下落的液相与气相撞击并再次被抬
油率流动工况均完成测量后，改变液相总流量，重复 起，呈现出上下震荡现象。
(a) ܋ื (b) จ࿄ื (c) ຉ࿄ื
图 5 油 -气 -水三相流流型快照
Fig. 5 Snapshots of flow patterns of oil-gas-water three-phase flow
2.2 超声传感器及光纤探针测量系统 两侧，超声探头直径 6 mm，频率为 2 MHz。信号发
透射式超声传感器系统如图 6 所示， 由超 生器在 FPGA(Altrea，EP4CE6E22C8)的控制下产
声 发 射/接 收 探 头、 现 场 可 编 程 门 阵 列 (Field- 生幅值为 100 V、重复频率为 1 kHz 的高压电脉冲，
programmable gate array, FPGA) 模块、超声信 激励超声发射探头，产生频率为 2 MHz的脉冲超声
号发生器和调理模块、USB 模块与上位机组成。超 波；超声脉冲穿过介质后到达接收探头，转变为电
声发射/接收探头(日本富士公司)分别安置在管道 信号脉冲后经 A/D 电路转换为数字信号并传送到
FPGA中，采样频率为10 MHz。FPGA计算出接收
1 kHz 到的脉冲波最大幅值通过USB传送到上位机中。
DC
ᰴԍ 为了考察油 -气 -水三相流中泡状流的气泡泡
ηՂԧၷ
Ͱԍ 径对超声信号的影响，本文选用了插入式双头光
2 MHz
ฉ٨ DC
FPGA 纤探针传感器来得到气泡泡径的概率密度分布，双
ԧ࠱ ଌஆ ࣨϙஊܸ 头光纤探针传感器如图 7 所示 [12−13] 。本次实验的
෴ᄱ 光纤传感器测量系统包括驱动器、红外光源、耦合
ඡᄱ USB
ඵᄱ 器、光纤传感器、光电探测器与信号采集模块等。
其中，光纤传感器使用的是内径为 62.5 µm、外径
图 6 脉冲透射式超声传感器系统 为 120 µm 的多模光纤，并将其放入内径为 1 mm、
Fig. 6 Pulse transmission ultrasonic sensor system 外径为 2 mm 的不锈钢套筒中，然后固定在内径为
