CN117029946A - 一种基于mems三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法 - Google Patents
一种基于mems三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法，提出一个迭代算法，利用差动信号主频与单相气体流量的关系，湿气加速度矢量模值与湿气液相体积含率之间的关系，实现被测湿气两相流量的同时测量。主要包括以下步骤：通过旋进漩涡流量计进行管道内湿气两相流流量测量，采集三轴电信号输出，同时进行差动处理，并提取该差动信号的漩涡进动频率；将三轴的电信号转换为三轴加速度信号，并进行矢量合成，得到湿气加速度矢量模值；利用差动信号主频与单相气体流量的关系，湿气加速度矢量模值与湿气液相体积含率之间的关系，通过迭代算法最终得到被测湿气的气相、液相体积流量与液相体积含率，实现被测湿气两相流量的测量。
Description
技术领域
本发明属于流量测量技术领域，涉及一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法。
背景技术
湿气两相流广泛存在于石油、天然气、发电、航空航天等领域，一般是指体积含气率大于95％或Lockhart-Martinelli参数不超过0.3的气液两相流。美国石油学会(API)定义的三种湿气类型中，第I类湿气是指Lockhart-Martinelli参数不超过0.02，或液相体积含率(LVF)小于0.5％的超低含液率湿气。在中国，第I类湿气通常存在于低渗透气田井口产出气中，一般使用旋进漩涡流量计等单相气体流量计直接计量并不修正。旋进漩涡流量计作为一种速度式流量计，采用先进的微处理技术，具有功能强、流量范围宽、操作维修简单、安装使用方便等优点，广泛应用于石油、化工、电力、冶金、城市供气等行业。
旋进漩涡流量计根据强迫振动的漩涡进动原理实现流量的测量。但是当单相旋进漩涡流量计应用于湿气流量测量时，受到气相中液相夹带的影响，漩涡进动频率一般会随着液相体积含率的增大而降低，导致预测的气相流量普遍偏低；液相还将会影响旋进漩涡的进动特性，破坏旋进气核的稳定性，进而影响流量测量结果的可靠性。为此，国内外学者在湿气旋进漩涡流量测量方面做了许多尝试，以提高流量计用于湿气测量时的精度。如文献[1]Hua等人在研究低压湿气中旋进漩涡流量计的测量特性时，发现当气相中存在夹带液滴时气体流量读数容易出现负偏差的情况，当洛马参数XLM大于一定程度时(XLM>0.12)，漩涡进动消失，旋进漩涡流量计将无法正常工作，最终通过洛马参数和气体密度弗劳德数对湿气计量模型进行修正，建立了旋进漩涡流量计的气相流量预测模型，可用于XLM≤0.12的湿气气相流量计量。随后，文献[2]Hua和Geng提出了将旋进漩涡流量计进动频率与差压相结合的计量模型，其湿气计量性能得到了改进。文献[3]徐英等人通过在旋进漩涡流量计两端并联差压变送器发现，当体积含液率大于0.50％时，由于液相流量过大，破坏了漩涡的进动信号，导致旋进漩涡流量计的测量结果失真。通过增加幂指数形式的无量纲湿气修正项的方法，建立了频率和压降参数的对偶模型，使旋进漩涡流量计的湿气测量能力得到了进一步提升。专利CN 216081610 U为测量水蒸汽和天然气混合流量，在旋进漩涡流量计的流体流动腔内沿流体的流动方向增设一个压力传感器，并在两个压力传感器之间设置节流件使得节流件/的上下游产生差压，通过两个压力传感器来检测节流件上下游的压力处理后得到差压，通过进动频率检测元件检测得到流体的体积流量，流量积算仪根据传感器采集到压力、温度、差压、体积流量等参数可以计算出混合的多相流中各组分各自的流量，上述进动频率检测元件依旧为压电晶体，且结构复杂，所需传感器较多，成本较高。
现有的旋进漩涡流量计所使用的压电传感器存在难以同时区分漩涡进动信号与干扰噪声信号的问题，为后续的信号处理以及进动频率提取增加了极大的难度。而且上述研究成果均基于漩涡进动信号的频率展开，仅能建立基于漩涡进动频率单参数的流量测量模型，如需对湿气两相流流量进行测量，还需在旋进漩涡流量计外再串联其他传感器，如差压传感器，管道安装结构较为复杂。随着微机电***MEMS技术的快速发展，MEMS三轴加速度传感技术的广泛运用为漩涡进动信号检测提供了新的可能。依据漩涡进动信号与流体脉动噪声、管道机械振动等其他各种干扰噪声信号作用力方向的差异性，基于三轴加速度传感器三轴测量的双差动技术可以有效消除干扰噪声。此外，将加速度传感器代替传统的压电传感器，可以实现管道三维空间中的漩涡进动信号测量，获得各轴向上的流体加速度幅值与频率等更多有价值的流体信息。目前对于漩涡进动加速度的研究较少，但漩涡进动加速度同样可以用于建立与被测流体流量之间的关系，由此通过漩涡进动信号差动主频和加速度矢量模值双参数为湿气气液两相流流量预测模型的建立提供了新的支持。
[1]Chenquan Hua,Yanfeng Geng.Investigation on the swirlmeterperformance in low pressure wet gas flow[J].
Measurement,2011,44(5).
[2]Chenquan Hua,Yanfeng Geng.Wet gas meter based on the vortexprecession frequency and differentialpressure combination ofswirlmeter[J].Measurement,2012,45(4).
[3]徐英，王森菱，张涛，刘烨，巴玺立.基于对偶模型的超低含液率湿气双参数测量方法[J].天津大学
学报,2022,55(07):665-671.
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法，基于安装有三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计，流量计喉部安装有温压一体式传感器；在三轴加速度传感器中，与流体方向一致的定义为流体主冲击轴；与***管道方向一致的定义为辅助测量轴；垂直于流体方向与***方向所组成平面的定义为旋进漩涡敏感轴；通过旋进漩涡流量计进行管道流量测量时，三轴加速度传感器中得到的漩涡进动频率信号和加速度信号，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过温压一体式传感器采集实验管道压力、温度，通过旋进漩涡流量计进行湿气气液两相流量测量，采集三轴电信号输出，并消除辅助测量轴输出信号中的重力偏置电压；
(2)将旋进漩涡敏感轴或流体主冲击轴的输出信号与消除重力偏置电压后的辅助测量轴的输出信号进行差动处理，并利用快速傅里叶变换提取该差动信号的主频；
(3)将消除重力偏置电压后的旋进漩涡三轴电信号输出通过传感器灵敏度等相关参数转换为对应的三轴加速度信号；
(4)将三轴加速度信号进行矢量合成，得到湿气加速度矢量模值；
(5)根据管道内压力和温度计算气相密度和液相密度；利用差动信号主频与气体流量的关系，得到未修正的气相体积流量和气体表观流速；
(6)根据计算出的气相体积流量和气体表观流速，计算得到表征湿气气相体积流量的无量纲参数；
(7)根据表征湿气气相体积流量的无量纲参数，计算未修正的加速度矢量模值；通过未修正的加速度矢量模值对步骤(4)中的湿气加速度矢量模值进行无量纲化；
(8)根据无量纲化的湿气加速度矢量模值，拟合得到表征湿气液相体积含率的无量纲参数；
(9)根据表征湿气液相体积含率的无量纲参数，表征湿气气相体积流量的无量纲参数与液气密度比，拟合得到旋进漩涡流量计仪表系数的湿气修正因子，计算得到修正后的气相体积流量；
(10)重复步骤(6)-(9)，直到两次得到的气相体积流量之间的相对误差达到合适的水平，认为此迭代收敛，最终得到被测湿气的气相体积流量与表征湿气液相体积含率的无量纲参数，可以进一步经简单换算与计算，得到液相体积流量及液相体积含率，实现被测湿气两相流量的测量。
进一步地，步骤(1)-(4)中通过旋进漩涡流量计进行湿气气液两相流量测量，采集三轴电信号输出，消除辅助测量轴输出信号中的重力偏置电压，并将各轴上的电信号输出转换为对应的三轴加速度信号，最后进行矢量合成得到湿气加速度矢量模值，具体公式如下：
式中，ai为各轴上的加速度信号，g；Ui为各轴上的输出电压信号，V；Sg为加速度传感器芯片的灵敏度，V/g；U0为加速度传感器芯片的重力偏置电压，V；为湿气加速度矢量模值，g。
步骤(5)-(6)中利用差动信号主频与气体流量的关系，得到未修正的气相体积流量和气体表观流速，并计算得到表征湿气气相体积流量的无量纲参数，具体公式如下：
ξ～f(Qg,forecast)
式中，Qg,forecast为湿气工况条件下的预测气相体积流量，m3/h；f为差动信号的漩涡进动主频率，Hz；K为干气工况条件下的仪表输出系数；D为管道直径，m；usg为气相表观流速，m/s；ξ为表征湿气气相体积流量的无量纲参数。
步骤(7)根据表征湿气气相体积流量的无量纲参数，计算未修正的加速度矢量模值，并通过未修正的加速度矢量模值对步骤(4)中的湿气加速度矢量模值进行无量纲化，具体公式如下：
式中，为根据未修正的气相体积流量计算得到的未修正的加速度矢量模值，g；A*为无量纲加速度矢量模值。
步骤(8)中根据无量纲化的湿气加速度矢量模值，拟合得到表征湿气液相体积含率的无量纲参数，具体公式如下：
A*～f(LVF)～f(ζ)
式中，LVF为湿气液相体积含率；ζ为表征湿气液相体积含率的无量纲参数。
步骤(9)中根据表征湿气液相体积含率的无量纲参数，表征湿气气相体积流量的无量纲参数与液气密度比，拟合得到旋进漩涡流量计仪表系数的湿气修正因子，计算得到修正后的气相体积流量，具体公式如下：
UR～f(ξ,ζ,DR)
式中，UR为旋进漩涡流量计仪表系数的湿气修正因子；DR为无量纲液气密度比；Qg为气相体积流量，m3/h。
本发明还提供一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气流量测量装置，包括：
三轴加速度传感器结合压力温度一体化传感器，用于测量管道流量；
电源模块，电源模块上设置有直流偏置电压输出端，用于滤除由地球重力加速度引起的重力偏置电压；
计算单元1，用于对三轴加速度传感器内不同轴的输出信号进行差动处理；并通过傅里叶变换得到差动信号的主频；
计算单元2，将三轴加速度传感器内不同轴的电输出信号通过传感器灵敏度等相关参数转换为对应的三轴加速度信号；将三条轴上的加速度信号进行矢量合成，得到其加速度矢量模值；
湿气流量求解单元，用于求解通过量纲分析法以及迭代求解算法建立的基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法。本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述湿气流量测量方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述湿气流量测量方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明方法能够满足较宽量程的湿气流量测量需求，同时确保各轴漩涡进动信号强，测量准确，可实现对传统压电陶瓷晶体技术的替代，并推广湿气流量测量的应用领域。
2.本发明方法能够实现管道流体在三个轴向上的旋进漩涡信号测量，实现对三个轴向上的漩涡进动信号以及其差动信号的幅值和频率的提取，利用差动信号处理方法实现了流体脉动噪声、管道机械振动等其他各种干扰噪声信号的有效克服。在简化信号处理与优化算法的同时提高了流量测量精度，降低了流量测量下限，拓宽了流量测量范围。
3.本发明方法引入旋进漩涡流量计仪表系数湿气修正因子，基于量纲分析法，利用单相仪表系数与湿气修正因子建立旋进漩涡流量计湿气计量模型，实现湿气气相流量的测量，预测精度高。
4.本发明方法利用MEMS三轴加速度传感技术采集到的旋进漩涡进动信号幅值，即三维流体矢量加速度信息，实现了对于湿气的液相体积含率的测量，为旋进漩涡流量计湿气两相流量测量提供了一种新的测量方案。
5.本发明方法仅依靠单个旋进漩涡流量计与单支MEMS三轴加速传感器实现了湿气两相流流量测量，建立了气液两相流量预测模型，无需借助外部***进行液相体积含率的测量，提供了一种结构简单、算法简便、成本低廉、适合在线测量的湿气气液两相测量方案。
附图说明
图1为本发明的迭代算法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的三轴加速度传感器在管道中安装位置示意图；
图3为本发明实施例提供的漩涡进动频率与气相体积流量关系曲线图；
图4为本发明实施例提供的漩涡进动频率与液相体积含率关系曲线图；
图5为本发明实施例提供的无量纲加速度矢量模值与液相体积含率关系曲线图；
图6a至图6c为本发明所提出的旋进漩涡流量计湿气两相流量计量模型的拟合相对误差。
附图标记：1-起旋器；2-旋进漩涡流量计；3-解旋器；4-三轴加速度传感器；5-辅助测量轴；6-流体主冲击轴；7-旋进漩涡敏感轴；8-温压一体式传感器
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法，基于安装有三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计，见图2，旋进漩涡流量计2的前后两端设有起旋器1和解旋器3，旋进漩涡流量计2上安装有三轴加速度传感器4，通过旋进漩涡流量计2进行管道流量测量时，在三轴加速度传感器4中，与流体方向一致的定义为流体主冲击轴6；与***管道方向一致的定义为辅助测量轴5；垂直于流体方向与***方向所组成平面的定义为旋进漩涡敏感轴7；流量计喉部安装有温压一体式传感器8。进行管道湿气流量测量时，通过三轴加速度传感器得到漩涡进动频率信号和加速度信号，建立双参数湿气两相流量预测模型，过程见图1，具体包括以下步骤：
1)通过温压一体式传感器8采集实验管道压力P、温度T，通过旋进漩涡流量计进行湿气气液两相流量测量，采集三轴电信号输出，消除辅助测量轴5(Y轴)输出信号中的重力偏置电压；
2)将旋进漩涡敏感轴7(Z轴)的输出信号与消除重力偏置电压后的辅助测量轴5(Y轴)的输出信号进行差动处理，并利用快速傅里叶变换提取该差动信号的主频fZ-Y；
3)将消除重力偏置电压后的旋进漩涡三轴5，6，7的电信号输出通过传感器灵敏度等相关参数转换为对应的三轴加速度信号；
4)将三轴加速度信号进行矢量合成，得到湿气加速度矢量模值
5)根据管道内压力P和温度T计算气相密度ρg和液相密度ρl；利用差动信号主频fZ-Y与气体流量的关系，得到未修正的气相体积流量Qg,forecast和气体表观流速usg；
6)根据计算出的气相体积流量Qg,forecast和气体表观流速usg，计算得到气相弗罗德数Frg；
7)根据气相弗罗德数Frg，计算未修正的加速度矢量模值并以此对步骤(4)中得到的湿气加速度矢量模值/>进行无量纲化，得到无量纲化的湿气加速度矢量模值A*；
8)根据无量纲化的湿气加速度矢量模值A*，拟合得到Lockhart-Martinelli参数XLM；
9)根据Lockhart-Martinelli参数XLM，气相弗罗德数Frg与液气密度比DR，拟合得到旋进漩涡流量计气相流量修正因子UR，计算得到修正后的气相体积流量Qg；
10)重复步骤(6)-(9)，直到两次得到的气相体积流量之间的相对误差达到合适的水平，认为此迭代收敛，最终得到被测湿气的气相体积流量与Lockhart-Martinelli参数XLM，可以进一步经简单换算与计算，得到液相体积流量Ql及液相体积含率LVF，实现被测湿气两相流量的测量。
本实施例中，将封装有三轴加速度传感器4的探头安装于带有起旋器1和解旋器3的旋进漩涡流量计中，其中旋进漩涡流量计2的表体类似于文丘里管。流量计喉部安装有温压一体式传感器8。三轴加速度传感器4用于检测旋进漩涡流量计2中流体经喉部到达扩张段产生的旋进漩涡进动频率信号。三轴加速度传感器4具有三个轴向，故其具有测量管道流体三维加速度的能力，其中与流体方向一致的为流体主冲击轴6，与探头***方向一致的为辅助测量轴5，垂直于流体方向与探头***方向所组成平面的为旋进漩涡敏感轴7。分别进行气体流量实验以及湿气实验。此外三轴加速度传感器内设置有电源模块，电源模块上设置有直流偏置电压输出端，用于滤除由地球重力加速度引起的重力偏置电压。
实验结果如图3至图5所示。图3至图4反映了漩涡进动频率fZ-Y与气相体积流量Qg以及液相体积含率LVF之间的关系。由图3可以发现：漩涡进动频率fZ-Y与气相体积流量Qg之间存在线性正相关的关系，具体可表示为，式中K为基于三轴加速度传感器用于气相流量测量时的单相仪表系数。且这种关系不因湿气中液相的加入而改变线性输出规律。当液相体积含率LVF一定时，漩涡进动频率fZ-Y随着气相体积流量Qg的增加而线性递增，符合旋进漩涡流量计的单相气体测量特性。即使在气相表观流速usg较低时，也可以准确地提取到漩涡信号的进动频率。
由图4可以发现：当气相表观流速usg一定时，漩涡进动频率fZ-Y随着液相体积含率LVF的增大而逐渐递减，且这种衰减速率在逐渐变小。这也是使用旋进漩涡流量计测量湿气会出现“虚低现象”的原因。因此，利用式(1)，使用单相纯气工况下的旋进漩涡流量计仪表输出系数K得到的气体体积流量为未修正的气相体积流量Qg,forecast，需要进一步修正。
图5反映了无量纲加速度矢量模值A*与液相体积含率LVF之间的关系。由图5可以发现：已知气相体积流量Qg时，在LVF为0.02～0.1％范围内，随着LVF的不断增加，湿气无量纲加速度模值A*不断衰减，且衰减速率起初较为明显，之后不断减小，在LVF大于0.1％后，无量纲加速度模值衰减的速率明显变缓，变化趋势不再明显。这种衰减现象进一步说明了液相的存在将阻碍漩涡的进动产生，因为液滴-涡相互作用会导致旋进漩涡强度不断减弱。
通过单相纯气工况下的实验数据，发现气相弗罗德数Frg与单相纯气加速度矢量模值之间存在非线性的拟合关系，具体可表示为，式中d1、d2、d3、d4为拟合系数。将单相纯气测量时的标准流量计示值以及旋进漩涡流量的加速度矢量模值代入该拟合关系，用最小二乘法进行拟合，可以得到拟合系数d1＝0.808,d2＝3.03,d3＝-1.748,d4＝0.288。
代入这一拟合关系，通过未修正的气相体积流量Qg,forecast与气相弗罗德数Frg计算得到未修正的气相加速度矢量模值湿气加速度矢量模值/>可以被转化为无量纲加速度矢量模值A*，具体可表示为，方便后续建模。
无量纲加速度矢量模值A*可以反映旋进漩涡流量计中湿气两相流中液相的含率与流量，通过湿气工况下的实验数据，无量纲加速度矢量模值A*与气相弗罗德数Frg和无量纲Lockhart-Martinelli参数XLM之间的非线性拟合关系具体可表示为，式中，e1、e2、e3、e4为拟合系数。通过最小二乘法拟合，得到的一组拟合系数为e1＝0.1134,e2＝-233.5,e3＝1.493,e4＝0.967(LVF≤0.1％)。
引入旋进漩涡流量计气相流量修正因子UR，实现对未修正的气相体积流量Qg,forecast的修正。根据量纲分析法，发现修正因子UR可由气相弗罗德数Frg，无量纲Lockhart-Martinelli参数XLM和液气密度比DR表示。通过湿气工况下的实验数据，建立修正因子UR的拟合表达式，具体可表示为，式中，c1、c2、c3、n为拟合系数。通过最小二乘法拟合，可以得到拟合系数c1＝2.776,c2＝0.192,c3＝0.924,n＝-0.073。
使用修正因子UR对湿气气液两相流中气相流量进行修正，通过多次迭代达到合适的迭代精度最终得到修正后的气相体积流量Qg，再结合无量纲Lockhart-Martinelli参数XLM，可以进一步得到湿气中液相的体积含率LVF和流量Ql。
基于旋进漩涡双轴差动频率检测信号与无量纲加速度矢量模值建立双参数湿气两相流量预测模型与迭代算法，通过一台旋进漩涡流量计与一支MEMS三轴加速度传感器及温压传感器即可实现湿气气-液两相流量的同时预测。基于该双参数湿气两相流量预测模型与迭代算法的拟合误差如图6a至图6c所示，气相体积流量预测整体相对误差为±2.5％，在置信概率区间下预测相对误差为±2.19％(Pc＝95％，δ＝±1.96σ)，说明预测结果良好。液相体积含率预测相对误差在-20％～+25％范围以内，在置信概率区间下的预测相对误差为±19.46％(Pc＝95％，δ＝±1.96σ)。液相体积流量主要是由气相体积流量以及计算而来，其预测误差也是叠加而来，整体预测相对误差处于±30％以内，置信概率区间下液相体积流量的整体预测相对误差为±24.2％(Pc＝95％，δ＝±1.96σ)。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的湿气流量测量方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，电子设备具体包括如下内容：
处理器(processor)、存储器(memory)、通信接口(Communications Interface)和总线；
其中，处理器、存储器、通信接口通过总线完成相互间的通信；通信接口用于实现服务器端设备、计量设备以及用户端设备等相关设备之间的信息传输。
处理器用于调用存储器中的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中的湿气流量测量方法中的全部步骤。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的湿气流量测量方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的湿气流量测量方法的全部步骤，
虽然本申请提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法，基于安装有三轴加速度传感器的旋进漩涡流量计，流量计喉部安装有温压一体式传感器；在三轴加速度传感器中，与流体方向一致的定义为流体主冲击轴；与***管道方向一致的定义为辅助测量轴；垂直于流体方向与***方向所组成平面的定义为旋进漩涡敏感轴；通过旋进漩涡流量计进行管道流量测量时，三轴加速度传感器中得到的漩涡进动频率信号和加速度信号，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过温压一体式传感器采集实验管道压力、温度，通过旋进漩涡流量计进行湿气气液两相流量测量，采集三轴电信号输出，并消除辅助测量轴输出信号中的重力偏置电压；
(2)将旋进漩涡敏感轴或流体主冲击轴的输出信号与消除重力偏置电压后的辅助测量轴的输出信号进行差动处理，并利用快速傅里叶变换提取该差动信号的主频；
(3)将消除重力偏置电压后的旋进漩涡三轴电信号输出通过传感器灵敏度等相关参数转换为对应的三轴加速度信号；
(4)将三轴加速度信号进行矢量合成，得到湿气加速度矢量模值；
(5)根据管道内压力和温度计算气相密度和液相密度；利用差动信号主频与气体流量的关系，得到未修正的气相体积流量和气体表观流速；
(6)根据计算出的气相体积流量和气体表观流速，计算得到表征湿气气相体积流量的无量纲参数；
(7)根据表征湿气气相体积流量的无量纲参数，计算未修正的加速度矢量模值；通过未修正的加速度矢量模值对步骤(4)中的湿气加速度矢量模值进行无量纲化；
(8)根据无量纲化的湿气加速度矢量模值，拟合得到表征湿气液相体积含率的无量纲参数；
(9)基于量纲分析法，根据表征湿气液相体积含率的无量纲参数，表征湿气气相体积流量的无量纲参数与液气密度比，拟合得到旋进漩涡流量计仪表系数的湿气修正因子，计算得到修正后的气相体积流量；
(10)重复步骤(6)-(9)，直到两次得到的气相体积流量之间的相对误差达到合适的水平，认为此迭代收敛，最终得到被测湿气的气相体积流量与表征湿气液相体积含率的无量纲参数，可以进一步经简单换算与计算，得到液相体积流量及液相体积含率，实现被测湿气两相流量的测量。
2.根据权利要求1所述一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法，步骤(1)-(4)中通过旋进漩涡流量计进行湿气气液两相流量测量，采集三轴电信号输出，消除辅助测量轴输出信号中的重力偏置电压，并将各轴上的电信号输出转换为对应的三轴加速度信号，最后进行矢量合成得到湿气加速度矢量模值，具体公式如下：
式中，ai为各轴上的加速度信号，g；Ui为各轴上的输出电压信号，V；Sg为加速度传感器芯片的灵敏度，V/g；U0为加速度传感器芯片的重力偏置电压，V；为湿气加速度矢量模值，g。
3.根据权利要求1所述一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法，步骤(5)-(6)中利用差动信号主频与气体流量的关系，得到未修正的气相体积流量和气体表观流速，并计算得到表征湿气气相体积流量的无量纲参数，具体公式如下：
ξ～f(Qg,forecast)
式中，Qg,forecast为未修正的气相体积流量，m3/h；f为差动信号的漩涡进动主频率，Hz；K为干气工况条件下的仪表输出系数；D为管道直径，m；usg为气相表观流速，m/s；ξ为表征湿气气相体积流量的无量纲参数。
4.根据权利要求1所述一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法，步骤(7)中根据表征湿气气相体积流量的无量纲参数，计算未修正的加速度矢量模值，并通过未修正的加速度矢量模值对步骤(4)中的湿气加速度矢量模值进行无量纲化，具体公式如下：
式中，为根据未修正的气相体积流量计算得到的未修正的加速度矢量模值，g；A*为无量纲加速度矢量模值。
5.根据权利要求1所述一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法，步骤(8)中根据无量纲化的湿气加速度矢量模值，拟合得到表征湿气液相体积含率的无量纲参数，具体公式如下：
A*～f(LVF)～f(ζ)
式中，LVF为湿气液相体积含率；ζ为表征湿气液相体积含率的无量纲参数。
6.根据权利要求1所述一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法，步骤(9)中基于量纲分析法，根据表征湿气液相体积含率的无量纲参数，表征湿气气相体积流量的无量纲参数与液气密度比，拟合得到旋进漩涡流量计仪表系数的湿气修正因子，计算得到修正后的气相体积流量，具体公式如下：
UR～f(ξ,ζ,DR)
式中，UR为旋进漩涡流量计仪表系数的湿气修正因子；DR为无量纲液气密度比；Qg为气相体积流量，m3/h。
7.一种基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量装置，其特征在于，包括：
三轴加速度传感器结合压力温度一体化传感器，用于测量管道流量；
电源模块，电源模块上设置有直流偏置电压输出端，用于滤除由地球重力加速度引起的重力偏置电压；
计算单元1，用于对三轴加速度传感器内不同轴的输出信号进行差动处理；并通过傅里叶变换得到差动信号的主频；
计算单元2，将三轴加速度传感器内不同轴的电输出信号通过传感器灵敏度等相关参数转换为对应的三轴加速度信号；将三条轴上的加速度信号进行矢量合成，得到其加速度矢量模值；
湿气流量求解单元，用于求解通过量纲分析法以及迭代求解算法建立的基于MEMS三轴加速度传感器的双参数湿气气液两相流量测量方法。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至6任一项所述湿气流量测量方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述湿气流量测量方法的步骤。
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2023
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