基于電磁-聲耦合的油水兩相流過程層析成像方法
【專利摘要】一種基于電磁?聲耦合的油水兩相流過程層析成像方法，涉及一種油水兩相流電導率層析成像方法，特別涉及一種基于電磁脈沖激勵，聲信號檢測的非侵入式油水兩相流層析成像方法。利用環(huán)繞在管道外的永磁環(huán)在管道內(nèi)部構(gòu)造一個沿著流體流向的靜磁場B0，利用兩組多匝線圈通入瞬態(tài)雙極性電流，在油水兩相流體中激發(fā)超聲振動信號，利用環(huán)繞在管道外壁的若干超聲探頭檢測這些超聲信號。由于油和水電導率的差異，借助數(shù)學物理方程，建立利用超聲信號重建油水分界面圖像的計算公式。利用該方法可以實現(xiàn)對油水兩相流中油水界面的非侵入式探測與成像。
【專利說明】
基于電磁-聲輔合的油水兩相流過程層析成像方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明設及一種油水兩相流電導率層析成像方法，特別設及一種基于電磁脈沖激 勵，聲信號檢測的非侵入式油水兩相流層析成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多相流廣泛存在于石油、化工、動力、核能、食品和醫(yī)學等領域。尤其在石油、化工 行業(yè)中，流體的流動特性往往比較復雜，具有多相混合流動特點。根據(jù)混合物的組成成分不 同，多相流又分為液/固、氣/固、氣/液、液/液及氣/液/固等形態(tài)。在石油、化工行業(yè)中，長輸 管線內(nèi)的流體通常是經(jīng)過液相、氣相和固相分離后的液相流體，主要包括原油和地層水，屬 于液/液多相流體。油水兩相流普遍存在于長距離的集輸管線中，成為油田生產(chǎn)、油氣儲運 和化工行業(yè)中的主要檢測對象。對油水兩相流流型的辨識和準確計量是其中不可缺少的關 鍵生產(chǎn)流程。
[0003] 因為油水密度的差異，水相如果長期沉積于管道底部容易導致腐蝕加劇，引發(fā)泄 露事故。2013年發(fā)生的11.22青島輸油管線爆燃事故的原因之一就是管道的長期腐蝕、損壞 引起的原油泄露。如果缺乏對管線中油水兩相流長期、有效的監(jiān)管，將直接影響到油區(qū)安全 生產(chǎn)，對人民的生命財產(chǎn)安全造成威脅。因此油水兩相流流型的可視化監(jiān)測，對產(chǎn)量的計 量、生產(chǎn)效率的評估、油田安全生產(chǎn)和管理具有非常重大的現(xiàn)實意義。
[0004] 與單相流相比，油水兩相流具有更復雜的流動特性和隨機特性，當流量較低時，由 于流體能量較小，水平管中主要W分層流為主；而當流量較大時，則主要W分散流為主；當 流量介于兩者之間時，既存在分層流，并且在分層交界面處也存在大量的分散流。運時油和 水之間沒有明確的分界面，而是形成一系列油包水或者水包油的微小顆粒，使得準確計量 和流型識別難度很大(許道振2011)。
[0005] 借鑒醫(yī)學斷層層析成像技術(shù)，國內(nèi)外學者提出了各種各樣的工業(yè)過程層析成像方 法。工業(yè)過程層析成像的定義是W多相流為主要研究對象，并對多相流中的過程參數(shù)進行 實時檢測的技術(shù)。利用過程層析成像可W提供被測流體在管道某個截面的實時圖像，用于 識別與判斷流型及確定相間界面;同時還能確定多相流體各相組分在容器或管道中的局部 濃度分布，確定離散相的顆粒尺寸和運動軌跡等微觀參數(shù)。
[0006] 過程層析成像采用的檢測手段主要有核子(包括X射線線、丫射線、中子射線、正電 子、光子）、超聲波、電學（電阻、電容、電磁感應）、光學、核磁共振等幾類十余種方式。其中 基于核子的層析成像技術(shù)成像精度高、算法簡單，但是由于福射性強、安全性差、造價高、經(jīng) 濟性差、使用條件苛刻，所W現(xiàn)場應用較少。在過程層析成像中，研究最多的兩種層析成像 技術(shù)是基于超聲的過程層析成像和基于電學參數(shù)的過程層析成像。
[0007] 電學過程層析成像主要包括：電阻層析成像，電容層析成像及磁感應層析成像= 種。
[000引電阻層析成像技術(shù)是一種基于電阻傳感機理的層析成像技術(shù)，主要應用于多相流 體中連續(xù)相為導電介質(zhì)的可視化參數(shù)監(jiān)測，具有無福射、響應速度快、非侵入、低成本等優(yōu) 點，但是由于ERT的成像分辨率受限于檢測電極的個數(shù)，因此成像質(zhì)量較差，分辨率較低，針 對較小的油水顆粒很難進行區(qū)分，目前ERT的測量精度僅在5%-10%之間。
[0009] 電容層析成像的測量原理是根據(jù)多相流的不同組分具有不同介電常數(shù)的特征，利 用在管道周圍的電容傳感器測量的電壓信號重建介質(zhì)的介電常數(shù)信息。ECT的重建分辨率 仍然受到檢測極板個數(shù)的限制，并且當介質(zhì)的電導率較高時，受到電導率的影響，電容層析 成像的測量結(jié)果誤差較大。油田生產(chǎn)后期的產(chǎn)液主要W地層水為主，就屬于高電導率介質(zhì)， 因此應用電容層析成像的效果較差。
[0010] 超聲層析成像是目前研究較廣泛的層析成像技術(shù)。它W超聲波作為掃描源，利用 被測介質(zhì)對入射聲波的吸收和散射效應所引起的聲波幅度、相位和傳播方向的變化，從不 同角度和方向掃描管道橫截面，從而獲得介質(zhì)的聲速或者密度分布圖像。超聲層析成像有 反射式、衍射式及透射式等多種測量模式。其空間分辨率與超聲波波長相關，優(yōu)于ERT和ECT 等基于電法的層析成像。但由于超聲波本身物理特性的限制，它存在著W下幾個問題：
[0011] (A)在管道運種空間較小的區(qū)域內(nèi)，利用介質(zhì)聲學特性的差異進行成像的超聲波 反射、折射成像，只適用于聲阻抗對比度較大的情況，而油和水的密度和聲速非常接近，不 適用于超聲波折、反射檢測；
[0012] (B)基于超聲吸收系數(shù)的透射層析成像中，根據(jù)幾何聲學的原理，成像分辨率與超 聲波波長無關，而是受到超聲接收探頭數(shù)目（或超聲掃描點的個數(shù))的影響，成像精度較差， 并且傳統(tǒng)的反投影算法、射線追蹤法等算法在成像質(zhì)量上也有待改進。
[0013] (C)在基于超聲折、反射層析成像的方法中，由于超聲聲程較長，消耗的檢測時間 較多，在應用過程中存在實時性差的問題，系統(tǒng)難W對高速多相流體進行準確的實時測量。
[0014] 運些問題限制了超聲成像設備在多相流檢測領域的發(fā)展和應用。電阻抗成像的優(yōu) 勢剛好可W與之互補。在油水兩相流中，水的電阻率在IQ -m左右，而油滴混合物的電阻率 在50Q ? m左右，兩者的電阻率相差非常大。同時電法測量實時性強，測量快速準確，并且基 于電阻率測量的設備結(jié)構(gòu)簡單，宜于工業(yè)現(xiàn)場應用。
[0015] 最近十幾年間，在生物醫(yī)學成像領域，研究者們提出了多種參數(shù)成像與超聲成像 相結(jié)合的方法。其中比較有代表性的有:微波激勵熱聲成像、光聲成像、磁熱聲成像、磁聲 成像等。磁聲成像是指將生物組織置于靜磁場中，用注入電流或感應電流激勵成像體，電流 在靜磁場作用下產(chǎn)生洛倫茲力，激發(fā)振動形成超聲波。提取超聲信號，能夠重建成像體的電 導率分布。近年來隨著禪合場成像方法的快速發(fā)展，促使人們開始關注并重視基于磁聲效 應的成像方法。
[0016] 回顧工業(yè)過程層析成像的發(fā)展歷史，其主要理論基礎和算法都起源于醫(yī)學層析成 像技術(shù)。但是到目前為止，上述多學科、多物理場禪合的測量方法僅僅在醫(yī)學成像領域開展 了應用研究，而沒有應用在工業(yè)過程層析成像領域中。
[0017] 經(jīng)過前期大量的仿真和實驗研究，并針對油水兩相流體的特點，我們設計了一種 全新的油水兩相流電阻率成像方法:基于磁聲效應的油水兩相流過程層析成像方法。他能 夠?qū)⒊晫游龀上竦母叻直媛逝c電法層析成像對比度高、檢測速度快、實時性強和介質(zhì)區(qū) 分度好等優(yōu)點相結(jié)合，揚長避短，有望在油水兩相流檢測領域?qū)崿F(xiàn)實時、高分辨率的成像檢 測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明設及的基于電磁-聲禪合的油水兩相流過程層析成像方法，首先要在油水 兩相流的管道中構(gòu)造一個方向沿著流體流向的靜磁場Bo(如附圖1所示），運個靜磁場是由 環(huán)繞在管道外的兩個同軸永磁圓環(huán)產(chǎn)生的。永磁圓環(huán)采用欽鐵棚材料制成，每個永磁圓環(huán) 都是由若干個大小和形狀均相同的扇柱形的永磁體圍繞同一個圓屯、拼接而成。每個小扇形 磁體的磁化方向為永磁環(huán)的徑向，也就是半徑r方向，其中一個永磁圓環(huán)的磁化方向沿半徑 r方向指向圓屯、，另一個永磁圓環(huán)的磁化方向沿半徑r方向從圓屯、指向圓周外部。因此在兩 個永磁圓環(huán)軸線上，距離兩個永磁環(huán)距離相等的中間截面內(nèi)，能夠形成一個沿著液體流向 的靜磁場。
[0019] 在靜磁場區(qū)域所處截面的管道外壁纏繞兩組多應激勵線圈，在線圈中通入雙極性 電流窄脈沖。在電流窄脈沖的激勵下，油水兩相流體中激發(fā)出滿電流密度J，使流體在靜磁 場Bo中受到洛侖茲力f = JXBo的作用，引起流體的振動，并發(fā)出超聲波。
[0020] 為了在流體中激勵出可測的超聲信號，設計整套系統(tǒng)分為激勵系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和 主控系統(tǒng)=大部分(如附圖2所示）。激勵系統(tǒng)的硬件設備主要有:永磁體、兩組多應線圈、瞬 態(tài)強脈沖電流發(fā)生器;檢測系統(tǒng)的主要設備有:若干超聲探頭、微弱超聲信號放大器、同步 數(shù)據(jù)采集器;激勵和檢測系統(tǒng)均在主控系統(tǒng)的控制下同步工作，主控系統(tǒng)硬件可采用微型 計算機或嵌入式系統(tǒng);永磁體、激勵線圈和超聲探頭均放置在非導電的流體管壁外側(cè)，采取 非侵入式的激勵和測量方法。
[0021] 激勵和檢測流程如下所述:第1步，在主控系統(tǒng)的控制下，兩個線圈中通入脈沖電 流激勵信號，激發(fā)流體中的磁聲波;第2步，經(jīng)過固定的超聲傳播時間W后，同步采集多個超 聲探頭接收到的超聲信號;第3步，主控系統(tǒng)將多路同步采集到的數(shù)據(jù)代入成像算法，重建 油水兩相流的電導率邊界圖像或電導率圖像;第4步，重復1-3步，循環(huán)構(gòu)建油水兩相流的邊 界圖像，并進行動態(tài)的刷新。
[0022] 主控系統(tǒng)是整個硬件系統(tǒng)的核屯、，通常由計算機構(gòu)成，它負責產(chǎn)生同步控制脈沖， 控制窄脈沖電流的產(chǎn)生和超聲波信號的同步采集。激勵和檢測系統(tǒng)都在它的控制下協(xié)調(diào)工 作。
[0023] 由于磁聲波信號信噪比較低，單次激發(fā)產(chǎn)生的電信號受到噪聲的影響較大。為了 得到有用信號，通常需要多次重復激發(fā)，在每次激發(fā)中都進行數(shù)據(jù)采集，并將多次超聲激勵 下采集到的數(shù)據(jù)取平均。由于白噪聲具有廣譜、隨機的特性，通過多次取樣平均后，白噪聲 水平將大大降低，從而提高了信噪比，能夠獲得有用信號。
[0024] 在電流窄脈沖的激勵下，油水兩相流體中激發(fā)出滿電流密度J，使流體在靜磁場Bo 中受到洛侖茲力f = JXBo的作用，引起流體的振動，并發(fā)出超聲波。由于油和水的電導率不 同，所W油和水內(nèi)部感應的滿流W及引起的振動差別很大。洛侖茲力源在流體中激勵的聲 波滿足的波動方程可由（1)式描述：
[0025]
(1)
[00%] 其中公式右面的▽?(/xS。），是聲壓波動方程的源項。將公式右側(cè)的電流密度用歐 姆定律展開，考慮靜磁場Bo在非靜磁體區(qū)域內(nèi)是無旋的，可得：
[0027]
(2)
[00%]由此可見，在確定了靜磁場BoW后，聲源主要由兩項構(gòu)成，其中一項含有電導率本 身，另一項含有電導率的梯度，也就是電導率的空間變化。在油水兩相流中，油和水的電導 率本身都相對較低，對比VfTXE和OVx怎我們發(fā)現(xiàn)，電導率梯度對應的聲源項遠大于均勻 電導率內(nèi)部產(chǎn)生的聲源項，因此可將第二項忽略，變?yōu)椋?br>[0029]
巧
[0030] 為了通過超聲探頭接收到的聲壓信號求出油水截面的分布信息，我們需要首先從 上述波動方程中求解出波動聲源項V'o-xZ??巧,。只要能夠計算得到電場強度E和靜磁場Bo, 即可利用(3)式中求解出的E和Bo帶入到(4)式，直接重建出電導率的梯度：
[0031]
(4)
[0032] 其中，rd是超聲探頭所處的位置，r是待重建的聲源點的位置，CO是介質(zhì)中的聲波傳 播速度，E是環(huán)繞在流體外圍的若干超聲探頭所處的閉合曲線，n是超聲換能器表面的法向 單位相量。
[0033] 靜磁場Bo是由兩個環(huán)形靜磁體激勵產(chǎn)生的，當靜磁體確定下來W后，周圍空間的 靜磁場就確定下來了。因此我們可W通過給定靜磁體的邊界條件，利用有限元的方法求解 Bo O
[0034] 而油水兩相流中的電場強度E是由脈沖磁場的變化在流體中激勵產(chǎn)生的，需要求 解一個滿流場問題才能得到E的分布，滿足：
[0035]
(5)：
[0036] 其中U是由于電荷積累引起的電標量位;A可W近似為激勵線圈在真空中激勵磁場 的磁矢量位。
[0037] 在油和水的電導率都比較低的情況下，油和水中的電場強度E可W用線圈在真空 中激勵的渦旋電場近似的表示，也就是忽略上式中的電標量位，可得：
[00；3引
巧）
[0039] 由此可見，只要得到了一次磁場的磁矢量位即可求出電場強度的近似值。而一次 磁場的f游4?冨補討大自由空間中求解下列定解問題得到：
[0040] (7)
[0041] 其中S(r)是二維Dirac函數(shù)，rcir表示激勵線圈上的點，e(r)是激勵線圈上每點的 切向單位向量。
[0042] 當流體邊界處的電導率已知時，可W根據(jù)電導率梯度值VV，在二維層析平面能 重建電導率的絕對值曰。
【附圖說明】
[0043] 圖I基于電磁-聲禪合的油水兩相流過程層析成像方法示意圖。
[0044] 圖中：1油水兩相流非導電材料制成的管道，2第一個永磁環(huán)，3扇形永磁體的磁化 方向，4第一個多應激勵線圈，5超聲探頭，6第二個多應激勵線圈，7扇形永磁體的磁化方向， 8第二個永磁環(huán)，9管道內(nèi)的磁感應強度方向。
[0045] 圖2基于電磁-聲禪合的油水兩相流過程層析成像方法激勵電流波形示意圖。
[0046] 圖3基于電磁-聲禪合的油水兩相流過程層析成像方法測控系統(tǒng)組成框圖。
[0047] 圖中：1主控系統(tǒng)，2激勵系統(tǒng)，3檢測系統(tǒng)，4永磁體，5瞬態(tài)強流脈沖發(fā)生器，6兩組 多應線圈，7同步信號采集器，8微弱信號放大器，9超聲探頭
[0048] 圖4基于電磁-聲禪合的油水兩相流過程層析成像方法激勵和檢測流程示意圖。
[0049] 圖中：1在主控系統(tǒng)的控制下，兩個線圈中通入脈沖電流激勵信號，激發(fā)流體中的 磁聲波，2經(jīng)過固定的超聲傳播時間W后，同步采集多個超聲探頭接收到的超聲信號，3主控 系統(tǒng)將多路同步采集到的數(shù)據(jù)代入成像算法，重建油水兩相流的電導率邊界圖像或電導率 圖像，4在計算機構(gòu)建油水兩相流的邊界圖像，并進行動態(tài)的圖像刷新刷新。
【具體實施方式】
[0050] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
[0051] 本發(fā)明設及的基于電磁-聲禪合的油水兩相流過程層析成像方法，首先要在油水 兩相流的管道中構(gòu)造一個方向沿著流體流向的靜磁場Bo。運個靜磁場是由環(huán)繞在管道外的 兩個同軸永磁圓環(huán)產(chǎn)生的。永磁圓環(huán)采用欽鐵棚材料制成，每個永磁圓環(huán)都是由若干個大 小和形狀均相同的扇柱形的永磁體圍繞同一個圓屯、拼接而成。每個小扇形磁體的磁化方向 為永磁環(huán)的徑向，也就是半徑r方向，其中一個永磁圓環(huán)的磁化方向沿半徑r方向指向圓屯、， 另一個永磁圓環(huán)的磁化方向沿半徑r方向從圓屯、指向圓周外部。因此在兩個永磁圓環(huán)軸線 上，距離兩個永磁環(huán)距離相等的中間截面內(nèi)，能夠形成一個沿著液體流向的靜磁場。當永磁 環(huán)的表面磁化強度最大為2T時，如果兩個永磁環(huán)的內(nèi)徑和外徑分別為r= 15cm，R = 40cm，兩 個永磁環(huán)之間的距離為d = 20cm時，在中間截面中屯、的靜磁場強度Bo約為0.05特斯拉。每個 圓環(huán)中的扇形磁體個數(shù)為8-12個。實現(xiàn)方案如圖1所示。
[0052] 在靜磁場區(qū)域所處截面的管道外壁纏繞兩組多應激勵線圈，在線圈中通入雙極性 電流窄脈沖，波形示意如圖2所示。在電流窄脈沖的激勵下，油水兩相流體中激發(fā)出滿電流 密度J，使流體在靜磁場Bo中受到洛侖茲力f = J X Bo的作用，引起流體的振動，并發(fā)出超聲 波。
[0053] 為了在流體中激勵出可測的超聲信號，設計整套系統(tǒng)分為激勵系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和 主控系統(tǒng)=大部分，如圖3所示。激勵系統(tǒng)的硬件設備主要有:永磁體、兩組多應線圈、瞬態(tài) 強脈沖電流發(fā)生器;檢測系統(tǒng)的主要設備有:若干超聲探頭(8-12個）、微弱超聲信號放大 器、同步數(shù)據(jù)采集器;激勵和檢測系統(tǒng)均在主控系統(tǒng)的控制下同步工作，主控系統(tǒng)硬件可采 用微型計算機或嵌入式系統(tǒng);永磁體、激勵線圈和超聲探頭均放置在非導電的流體管壁外 側(cè)，采取非侵入式的激勵和測量方法。
[0054] 激勵和檢測流程如圖4所示:第1步，在主控系統(tǒng)的控制下，兩個線圈中通入脈沖電 流激勵信號，激發(fā)流體中的磁聲波;第2步，經(jīng)過固定的超聲傳播時間W后，同步采集多個超 聲探頭接收到的超聲信號；第3步，主控系統(tǒng)將多路同步采集到的數(shù)據(jù)代入成像算法，重建 油水兩相流的電導率邊界圖像或電導率圖像;第4步，重復1-3步，循環(huán)構(gòu)建油水兩相流的邊 界圖像，并進行動態(tài)的刷新。
[0055] 主控系統(tǒng)是整個硬件系統(tǒng)的核屯、，通常由計算機構(gòu)成，它負責產(chǎn)生同步控制脈沖， 控制窄脈沖電流的產(chǎn)生和超聲波信號的同步采集。激勵和檢測系統(tǒng)都在它的控制下協(xié)調(diào) 工作。測量過程中的信號激勵設備主要有永磁體、兩組多應線圈；檢測設備是若干超聲探 頭。激勵和檢測設備均放置在非導電的流體管壁外側(cè)，采取非侵入式的激勵和測量方法。
[0056] 由于磁聲波信號信噪比較低，單次激發(fā)產(chǎn)生的電信號受到噪聲的影響較大。為了 得到有用信號，通常需要多次重復激發(fā)，在每次激發(fā)中都進行數(shù)據(jù)采集，并將多次超聲激勵 下采集到的數(shù)據(jù)取平均。由于白噪聲具有廣譜、隨機的特性，通過多次取樣平均后，白噪聲 水平將大大降低，從而提高了信噪比，能夠獲得有用信號。微弱信號檢測理論告訴我們，信 噪比的提高與多次采樣平均次數(shù)的平方根成正比，即：SW? X ^/萬，庚中SNR是信噪比，N是采 樣平均次數(shù)。為了提高信噪比，獲得有用信號，必須盡量提高采樣平均次數(shù)。但是由于提高 平均次數(shù)必然帶來測量時間的延長，降低圖像的刷新頻率，因此必須在滿足測量時間要求 的范圍內(nèi)增加采樣平均的次數(shù)。
[0057] 在電流窄脈沖的激勵下，油水兩相流體中激發(fā)出滿電流密度J，使流體在靜磁場Bo 中受到洛侖茲力f = JXBo的作用，引起流體的振動，并發(fā)出超聲波。由于油和水的電導率不 同，所W油和水內(nèi)部感應的滿流W及引起的振動差別很大。洛侖茲力源在流體中激勵的聲 波滿足的波動方程可由（1)式描述：
[005引
（1)
[0059] 其中公式右面的是聲壓波動方程的源項。將公式右側(cè)的電流密度用歐 姆定律展開，考慮靜磁場Bo在非靜磁體區(qū)域內(nèi)是無旋的，可得：
[0060]
(2)
[0061]由此可見，在確定了靜磁場BoW后，聲源主要由兩項構(gòu)成，其中一項含有電導率本 身，另一項含有電導率的梯度，也就是電導率的空間變化。在油水兩相流中，油和水的電導 率本身都相對較低，對比VcrxjB'和OVxf我們發(fā)現(xiàn)，電導率梯度對應的聲源項遠大于均勻 電導率內(nèi)部產(chǎn)生的聲源項，因此可將第二項忽略，變?yōu)椋?br>[0062；
(3)
[0063] 為了通過超聲探頭接收到的聲壓信號求出油水截面的分布信息，我們需要首先從 上述波動力?超中求解m泌動聲源項'及。。如果4
，則(3)式變?yōu)?br>[0064]
(4)
[0065] 由于在實際應用中，油和水的聲阻抗和聲速是非常接近的，因此可將油水兩相流 近似為均勻的聲學介質(zhì)，即油、水兩相流體中油和水的超聲傳播速度近似相同。在均勻聲學 介質(zhì)中可利用濾波反投影算法從測量聲壓重建聲源f，計算公式為：
[0066]
巧
[0067] 其中，rd是超聲探頭所處的位置，r是待重建的聲源點的位置，CO是介質(zhì)中的聲波傳 播速度，E是環(huán)繞在流體外圍的若干超聲探頭所處的閉合曲線，n是超聲換能器表面的法向 單位相量。利用濾波反投影得到了聲源的分布W后，只要能夠計算得到電場強度E和靜磁場 Bo,即可利用下式直接重建出電導率的梯度：
[006引
腳
[0069] 靜磁場Bo是由兩個環(huán)形靜磁體激勵產(chǎn)生的，當靜磁體確定下來W后，周圍空間的 靜磁場就確定下來了。因此我們可W通過給定靜磁體的邊界條件，利用有限元的方法求解 Bo O
[0070] 而油水兩相流中的電場強度E是由脈沖磁場的變化在流體中激勵產(chǎn)生的，需要求 解一個滿流場問題才能得到E的分布，滿足：
[0071]
(7)
[0072] 其中U是由于電荷積累引起的電標量位;A可W近似為激勵線圈在真空中激勵磁場 的磁矢量位。
[0073] 在油和水的電導率都比較低的情況下，油和水中的電場強度E可W用線圈在真空 中激勵的渦旋由場近似的表示，也就是忽略上式中的電標量位，可得：
[0074]
媒
[0075] 由此可見，只要得到了一次磁場的磁矢量位即可求出電場強度的近似值。而一次 磁場的磁矢量位可W通過在無窮大自由空間中求解下列定解問題得到：
[0076]
(9)
[0077] 其中S(r)是二維Dirac函數(shù)，rcir表示激勵線圈上的點，e(r)是激勵線圈上每點的 切向單位向量。
[0078] 綜上所述，我們給出了求解電導率梯度的全部計算公式。如果在已知電導率梯度 和邊界條件的情況下，利用有限差分或有限元等數(shù)值算法可W獲得油水兩相流中電導率的 相間分布。
【主權(quán)項】
1. 一種基于電磁-聲耦合的油水兩相流過程層析成像方法，其特征在于在油水兩相流 的管道中構(gòu)造一個方向沿著流體流向的靜磁場Bo;同時在靜磁場區(qū)域所處的管道外纏繞一 組多匝激勵線圈，并在線圈中通入雙極性電流窄脈沖;利用環(huán)繞在管道外、激勵線圈附近的 多個超聲探頭檢測流體內(nèi)激發(fā)出的超聲波信號。2. 根據(jù)權(quán)利1所述的基于電磁-聲耦合的油水兩相流過程層析成像方法，其特征在于在 瞬態(tài)電流激勵的情況下，在油水兩相流體中激發(fā)出渦電流J，使流體在靜磁場Bo中受到洛侖 茲力f = JXBo的作用，引起流體的振動，并發(fā)出超聲波;超聲探頭測量的超聲信號的幅度和 相位能夠反映油水兩相流交界面的大小和位置信息，可用于重建油水兩相流的相間界面分 布。3. 根據(jù)權(quán)利1或2所述的基于電磁-聲耦合的油水兩相流過程層析成像方法，其特征在 于用若干個扇形的永磁體圍繞成兩個永磁圓環(huán)，環(huán)繞在圓形管道的外周，用于激勵沿著流 體流向的靜磁場Bo;每個扇形永磁體的磁化方向為永磁圓環(huán)的徑向，也就是半徑r的方向； 其中第一個永磁圓環(huán)的磁化方向為沿著r方向并指向圓環(huán)的圓心，第二個永磁圓環(huán)的磁化 方向與第一個永磁圓環(huán)的磁化方向相反，也就是沿著r方向并由圓心指向圓環(huán)的外周;在兩 個永磁圓環(huán)中間位置處的管道橫截面中將產(chǎn)生一個沿著流體流向的靜磁場Bo。4. 根據(jù)權(quán)利1或2或3所述的基于電磁-聲耦合的油水兩相流過程層析成像方法，其特征 在于硬件系統(tǒng)分為激勵系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和主控系統(tǒng)三大部分。激勵系統(tǒng)的設備主要有:永磁 體、兩組多匝線圈、瞬態(tài)強脈沖電流發(fā)生器;檢測系統(tǒng)的主要設備有:若干超聲探頭（8-12 個）、微弱超聲信號放大器、同步數(shù)據(jù)采集器;激勵和檢測系統(tǒng)均在主控系統(tǒng)的控制下同步 工作;永磁體、激勵線圈和超聲探頭均放置在非導電的流體管壁外側(cè)，采取非侵入式的激勵 和測量方法。5. 根據(jù)權(quán)利1或2或3或4所述的基于電磁-聲耦合的油水兩相流過程層析成像方法，其 特征在于激勵和檢測流程如下所述:第1步，在主控系統(tǒng)的控制下，在兩個線圈中通入脈沖 電流激勵信號，激發(fā)流體中的磁聲波;第2步，經(jīng)過固定的超聲傳播時間以后，同步采集多個 超聲探頭接收到的超聲信號；第3步，主控系統(tǒng)將多路同步采集到的數(shù)據(jù)代入成像算法，重 建油水兩相流邊界圖像;第4步，重復1-3步，循環(huán)構(gòu)建油水兩相流的邊界圖像，并進行實施 顯示刷新。6. 根據(jù)權(quán)利1或2或3或4或5所述的基于電磁-聲耦合的油水兩相流過程層析成像方法， 其特征在于，由于油和水的電導率差異較大，油和水中感應的渦電流以及受到的洛侖茲力 也有較大差異;油、水交界面處激發(fā)的振動遠大于在油相和水相內(nèi)部激發(fā)的振動，由于振動 量級的差異，所測得的超聲聲壓信號僅能反映油水兩相流交界面的振動;與油水交界面激 發(fā)聲場相對應的超聲波滿足的波動方程為：其中，P為聲壓，E為感應電場強度，σ為電導率，▽〇表示電導率在二維層析平面內(nèi)的梯 度;它在油水兩相流交界面處具有很大的值。7. 據(jù)權(quán)利1或2或3或4或5或6所述的基于電磁-聲耦合的油水兩相流過程層析成像方 法，其特征在于，假設油水兩相流為近似均勻的聲學介質(zhì)，即油、水兩相流體中油和水的超 聲傳播速度近似相同；在上述假設下，可利用探測到的超聲信號重建電導率在二維層析平 面內(nèi)的梯度圖像，用于表征油水交界面的位置信息;W重建公式為：當流體邊界處的電導率已知時，可以根據(jù)電導率梯度值▽>，在二維層析平面能重建電 導率的絕對值σ。
【文檔編號】G01N27/74GK105954351SQ201610220468
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】郭亮, 姜文聰, 朱赫, 劉廣孚
【申請人】中國石油大學(華東)