CN101614569B - 基于超声导波技术的管道液体流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于超声导波技术的管道液体流量测量方法，属于测试计量及无损检测技术领域。本发明选取激励频率处的群速度随频率变化率的绝对值低于0.002m，轴向位移在管中液体分布的平均值为在管壁中分布的平均值的30％以上，且群速度随管中液体流速呈单调增加或减小的超声导波纵向模态用于管道液体流量的测量。本发明可以对管道尤其是小管径管道中液体流量的大小进行快速、有效地测量。

Description

基于超声导波技术的管道液体流量测量方法

技术领域

本发明涉及基于超声导波技术的管道液体流量测量方法，属于测试计量及无损检测技术领域。

背景技术

在航空航天、核工业、电力、制冷、食品以及制药等行业，广泛使用小管径(小于100mm，甚至小于10mm)管路用于传输液体。而流量作为一个重要参数，是工艺流程中的必控参数之一。如何实现其实时、准确、方便的测量，这是流量测量领域面临的难题之一。根据不同工况，采用不同类型的流量计(诸如，差压式流量计、电磁式流量计、科氏质量流量计等等)进行流量测量是现今工业界常常使用的方法，已经得到了较为广泛的应用。而基于现场管路工况的复杂性、传输介质的多样性，以及管路安装的限制，对流量计的技术指标的要求越来越高，适应范围越来越广，很难有一种流量计能满足不同场合的需求。现有流量计的种类繁多，其工作原理多达10余种，类型多达200多种，但仍不能完全满足各领域提出的新课题。近年来，人们仍然致力于创新，不断推出新技术、新产品。

超声波流量计，与电磁流量计和科氏质量流量计等相同，是近来发展最快，使用范围较广的流量计之一。但是，超声流量计，由于其原理上的原因，也存在一些不足。在某些情况下，测量精度低，且很难有较大的提高；甚至在一些特殊情况下，不能进行测量。如当管路的管径等于或小于超声波的波长时，由于声程较短、声束旁瓣的干扰等因素，声波不可能以体波的形式传播，因此，从原理上讲，已经不能采用常规超声体波流量计进行测量。而其他形式的小孔径流量计，如电磁流量计，由于其本身测量原理的原因，对于输送非导磁介质的小管径管路，也不能完全代替超声流量计。因此，发展一种新型的，适合管道尤其是小管径管道中液体流量测量方法显得十分重要。

目前，利用超声导波对管道中液体流量测量的研究已取得一定进展，证实超声导波技术用于管道中液体流量测量的可行性和应用潜力。但目前取得的研究成果较少且较为初步，仅见Haruminchi Sato等在2007年46卷第7B期Japanese Journal of Applied Physics中发表的“Theoretical investigation of guide wave flowmeter”，对超声导波技术用于充液管道液体流量测量进行了报道。但该文中没有考虑超声导波的频散、能量分布等传播特性，对用于液体流量检测的超声导波模态没有进行优化选取。文中选取的纵向模态对液体流量变化不太敏感且频散严重，影响了超声导波技术对液体流量测量的准确性和超声导波技术对液体流量测量的应用潜力，并且没有考虑超声导波纵向模态的激励方式，文中采用的非轴对称激励方式无法有效地产生所选取的轴对称纵向模态。

目前，对用于管道液体流量测量的超声导波纵向模态及其激励方式的优化选取迄今国内外尚未见相关报道。

发明内容

本发明提出了一种基于超声导波技术的管道液体流量测量方法，该方法可以对管道尤其是小管径管道中液体流量的大小进行快速、有效地测量。

该方法基于对超声导波纵向模态的理论分析，选取激励频率处的群速度随频率变化率的绝对值低于0.002m，轴向位移在管中液体分布的平均值为在管壁中分布的平均值的30％以上，且群速度随管中液体流速呈单调增加或减小的超声导波纵向模态用于管道液体流量的测量。

本发明所采用的装置包括：充液管道、两个分别用于激励和接收超声导波纵向模态的轴对称分布的传感器组(环)、功率放大器、转换装置、函数发生器、示波器和计算机等。其中一个传感器组(环)安装于充液管道某一位置，另一传感器组(环)安装于充液管道另一位置。两个传感器组(环)与转换装置的两个端口连接，功率放大器、示波器分别与转换装置的另外两个端口连接，计算机和示波器连接，函数发生器分别与功率放大器、示波器连接。

本发明的基于超声导波技术的管道液体流量测量方法包括以下步骤：

1)在管道1的位置A处安装轴对称分布的第一传感器组(环)2，在管道1的另一位置B处安装轴对称分布的第二传感器组(环)3，设位置A和位置B的轴向间距为L；

2)由函数发生器5产生一个具有一定中心频率的单音频信号，该中心频率为所选取超声导波纵向模态的频率点；在该频率点处，超声导波纵向模态的群速度随频率变化率的绝对值低于0.002m，轴向位移在管中液体分布的平均值为在管壁中分布的平均值的30％以上，且群速度随管中液体流速呈单调增加或减小；

3)将转换装置8的C端和E端连接，D端和F端连接，即第一传感器组(环)2与功率放大器4连接，用来激励超声导波纵向模态，将第二传感器组(环)3与示波器6连接，用来接收超声导波纵向模态的信号；

4)函数发生器5产生一激励信号，该激励信号经功率放大器4进行功率放大；通过第一传感器组(环)2，在管道1中激励所选取的超声导波纵向模态；

5)激励的超声导波纵向模态信号在管道1中从第一传感器组(环)2传播至第二传感器组(环)3，即在管道中传播距离L后，第二传感器组(环)3接收信号a，在示波器6上显示，并通过数据端口存储到计算机7中；

6)将转换装置8的C端和F端连接，D端和E端连接，即将第二传感器组(环3与功率放大器4连接，用来激励超声导波纵向模态，将第一传感器组(环)2与示波器6连接，用来接收超声导波纵向模态的信号；

7)由函数发生器5产生与步骤4)相同的激励信号，经功率放大器4进行功率放大；通过第二传感器组(环)3，在管道1中激励与步骤4)相同的超声导波纵向模态；

8)再次激励的超声导波纵向模态信号在管道1中从第二传感器组(环)3传播至第一传感器组(环)2，即在管道中传播了距离L后，第一传感器组(环)2接收信号b，在示波器6上显示，并通过数据端口存储到计算机7中；

9)确定所得到的超声导波纵向模态信号a和信号b传播距离L所需的时间分别为t₁和t₂，从而得到超声导波纵向模态的传播时间差为Δt＝t₁-t₂；

10)将管道中的液体流速v代入考虑液体流速的充液管道中超声导波纵向模态的频散方程，通过数值求解得到不同液体流速v时的相速度c_p频散曲线，进而利用

其中：ω为圆频率，即得到超声导波纵向模态的群速度c_g频散曲线，通过分析所激励的超声导波纵向模态在不同液体流速v下的群速度频散曲线，可以得到某一频率点的一组液体流速v-超声导波纵向模态群速度c_g的数据点，通过线性拟合，得到超声导波纵向模态的群速度c_g随液体流速v的变化率

和液体流速为0即液体静止时该频率点的超声导波纵向模态的群速度c_g0；

11)利用式

即可计算得到管道中液体流速v。当计算得到的液

体流速v大于零时，表示液体流向为从A流向B，当液体流速v小于零时，表示液体流向为从B流向A；

12)利用式U＝πvr₁ ²，即可求得充液管道中液体的体积流量U，进而可以确定充液管道中液体的质量流量M＝ρU＝πρvr₁ ²。其中，r₁为管道的内半径，ρ为管道中液体密度。

与现有管道液体流量的测量方法相比，本发明具有以下优点：1)可以对管道尤其是小管径管道中液体流量的大小进行快速、有效地测量；2)不需改变管道的结构，只需将传感器安装在管道外壁即可实行在线、无损测量；3)可充分利用超声导波的多模态特性，优化选取群速度对液体流速敏感的超声导波纵向模态用于管道中液体流量大小的测量，检测方便，测量可靠性高，效率高，劳动强度低。

附图说明

图1基于超声导波技术的管道液体流量测量装置原理图；

图2水的流速v为0即水静止时充水钢管中超声导波纵向模态的群速度频散曲线；

图3水的流速v不同时充水钢管中超声导波最低阶纵向模态α_L的群速度频散曲线；其中，水的流速v变化范围为-100～100m/s，步长为10m/s；

图4充水钢管中频率50kHz的超声导波最低阶纵向模态α_L的群速度与水的流速v之间的变化关系图。

图中：1、充液管道，2、传感器组(环)，3、传感器组(环)，4、功率放大器，5、函数发生器，6、示波器，7、计算机，8、转换装置，9、水的流速v为0即水静止时充水钢管中超声导波最低阶纵向模态α_L的群速度频散曲线，10、充水钢管中频率50kHz的超声导波最低阶纵向模态α_L的群速度与水的流速v之间的线性拟合关系直线。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下数值仿真得到的实施例：

(1)将沿充液管道的轴线对称分布的第一传感器组(环)2和第二传感组(环)3安装在同一充水钢管1中，两者相距L。本实施例中充水钢管的内半径r₁＝4mm和外半径r₂＝5mm；

(2)理论分析得到考虑管中水的流速v的充水钢管中超声导波纵向模态的相速度c_p频散方程

通过数值求解得到不同水的流速v时充水钢管中超声导波纵向模态的相速度c_p频散曲线，进而利用得到不同水的流速v时充水钢管中超声导波纵向模态的群速度c_g频散曲线；

其中， $D_{11}=\mathrm{\μ}[(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_p^2}-{\mathrm{\β}}^2)H_0^1\left({\mathrm{\αr}}_2\right)+2\frac{\mathrm{\α}}{r_2}{H}_1^1\left({\mathrm{\αr}}_2\right)],$

$D_{12}=\mathrm{\μ}[(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_p^2}-{\mathrm{\β}}^2)H_0^2\left({\mathrm{\αr}}_2\right)+2\frac{\mathrm{\α}}{r_2}{H}_1^2\left({\mathrm{\αr}}_2\right)],$ $D_{13}=\frac{2\mathrm{\μ\ω}}{c_p}[{\mathrm{\βH}}_0^1\left({\mathrm{\βr}}_2\right)-\frac{H_1^1\left({\mathrm{\βr}}_2\right)}{r_2}],$

$D_{14}=\frac{2\mathrm{\μ\ω}}{c_p}[{\mathrm{\βH}}_0^2\left({\mathrm{\βr}}_2\right)-\frac{H_1^2\left({\mathrm{\βr}}_2\right)}{r_2}],$ $D_{15}=0,D_{21}=-\frac{2\mathrm{\μ\ω\α}{H}_1^1\left({\mathrm{\αr}}_2\right)}{c_p},$

$D_{22}=-\frac{2\mathrm{\μ\ω\α}{H}_1^2\left({\mathrm{\αr}}_2\right)}{c_p},$ $D_{23}=\mathrm{\μ}(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_p^2}-{\mathrm{\β}}^2)H_1^1\left({\mathrm{\βr}}_2\right),$ $D_{24}=\mathrm{\μ}(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_p^2}-{\mathrm{\β}}^2)H_1^2\left({\mathrm{\βr}}_2\right),$

D₂₅＝0， $D_{31}=-\frac{2\mathrm{\μ\ω\α}{H}_1^1\left({\mathrm{\αr}}_1\right)}{c_p},$ $D_{32}=-\frac{2\mathrm{\μ\ω\α}{H}_1^2\left({\mathrm{\αr}}_1\right)}{c_p},$

$D_{33}=\mathrm{\μ}(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_p^2}-{\mathrm{\β}}^2)H_1^1\left({\mathrm{\βr}}_1\right),$ $D_{34}=\mathrm{\μ}(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_p^2}-{\mathrm{\β}}^2)H_1^2\left({\mathrm{\βr}}_1\right),$ D₃₅＝0，

D₄₁＝-αH₁ ¹(αr₁)，D₄₂＝-αH₁ ²(αr₁)， $D_{43}=\frac{\mathrm{\ω}{H}_1^1\left({\mathrm{\βr}}_1\right)}{c_p},$ $D_{44}=\frac{\mathrm{\ω}{H}_1^2\left({\mathrm{\βr}}_1\right)}{c_p},$

D₄₅＝α_wJ₁(α_wr₁)， $D_{51}=\mathrm{\μ}[(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_p^2}-{\mathrm{\β}}^2)H_0^1\left({\mathrm{\αr}}_1\right)+2\frac{\mathrm{\α}}{r_1}{H}_1^1\left({\mathrm{\αr}}_1\right)],$

$D_{52}=\mathrm{\μ}[(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_p^2}-{\mathrm{\β}}^2)H_0^2\left({\mathrm{\αr}}_1\right)+2\frac{\mathrm{\α}}{r_1}{H}_1^2\left({\mathrm{\αr}}_1\right)],$ $D_{53}=\frac{2\mathrm{\μ\ω}}{c_p}[{\mathrm{\βH}}_0^1\left({\mathrm{\βr}}_1\right)-\frac{H_1^1\left({\mathrm{\βr}}_1\right)}{r_1}],$

$D_{54}=\frac{2\mathrm{\μ\ω}}{c_p}[{\mathrm{\βH}}_0^2\left({\mathrm{\βr}}_1\right)-\frac{H_1^2\left({\mathrm{\βr}}_1\right)}{r_1}],$ $D_{55}={\mathrm{\λ}}_w[{\mathrm{\α}}_w^2+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{(c_p-v)}^2}]J_0\left({\mathrm{\α}}_w{r}_1\right),$

${\mathrm{\α}}^2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_1^2}-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_p^2},$ ${\mathrm{\β}}^2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_2^2}-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_p^2},$ 和

为汉克尔函数(z为任意值)，且 $\left\{\begin{array}{c}{H}_{\left(v\right)}^1\left(z\right)=J_{\left(v\right)}\left(z\right)+i\·Y_{\left(v\right)}\left(z\right)\\ H_{\left(v\right)}^2\left(z\right)=J_{\left(v\right)}\left(z\right)-i\·Y_{\left(v\right)}\left(z\right)\end{array}\right.$ (v＝0，1)，J₀(z)和J₁(z)分别为0阶和1阶第一类贝塞尔函数，Y₀(z)和Y₁(z)分别为0阶和1阶第二类贝塞尔函数，c₁＝5960m/s和c₂＝3260m/s分别为钢的纵波波速和横波波速，μ＝ρc₂ ²为钢的Lame常数，ρ＝7932kg/m³为钢的密度，

c_w＝1500m/s为水的纵波波速，

为水的Lame常数，ρ_w＝1000kg/m³为水的密度；

(3)图2给出了频带0-2.0MHz范围内，水的流速v为0即水静止时充水钢管中超声导波纵向模态的群速度频散曲线，选取频率50kHz的超声导波最低阶纵向模态α_L用于钢管中水的流量v测量，在该频率点处，纵向模态α_L的群速度随频率变化率的绝对值低于0.002m，轴向位移在管中液体分布的平均值为在管壁中分布的平均值的30％以上，且群速度随管中液体流速呈单调增加或减小；

(4)图3给出了充水钢管中超声导波最低阶纵向模态α_L在不同水的流速v下的群速度频散曲线，频带为0-0.5MHz。图4给出了充水钢管中频率50kHz的超声导波最低阶纵向模态α_L的群速度与水的流速v之间的变化关系图。通过线性拟合，可以确定频率50kHz的纵向模态α_L的群速度c_g随水的流速v的变化率

和水的流速v为0即水静止时该频率点的超声导波纵向模态的群速度c_g0＝1413.08m/s；

(5)由函数发生器5产生一个具有一定中心频率的单音频信号。在本实施中，该单音频信号的中心频率为50kHz。将转换装置8的C端和E端连接，D端和F端连接，即第一传感器组(环)2与功率放大器4连接，用来激励超声导波纵向模态，将第二传感器组(环)3与示波器6连接，用来接收超声导波纵向模态的信号；

(6)函数发生器5产生的单音频信号经功率放大器4放大，由第一传感器组(环)2激励中心频率50kHz的超声导波纵向模态α_L。在该频率点处，纵向模态α_L的群速度随频率变化率的绝对值低于0.002m，轴向位移在管中液体分布的平均值为在管壁中分布的平均值的30％以上，且群速度随管中液体流速呈单调增加或减小。经传播距离L后，第二传感器组(环)3接收信号A₁，在示波器6显示，并通过以太网端口存储到计算机7；

(7)将转换装置8的C端和F端连接，D端和E端连接，即将第二传感器组(环)3与功率传感器4连接，用来激励超声导波纵向模态，将第一传感器组(环)2与示波器6连接，用来接收超声导波纵向模态的信号。由函数发生器5产生同一激励信号，即中心频率50kHz的单音频信号。经功率放大器4放大，由第二传感器组(环)3激励相同的中心频率50kHz的超声导波纵向模态α_L，经传播距离L后，第一传感器组(环)2接收信号A₂，在示波器6显示，并通过以太网端口存储到计算机7；

(8)数据分析得到接收的超声导波最低阶纵向模态α_L的信号A₁和A₂在传播同一距离L的时间t₁和t₂，确定两者之间的传播时间差为Δt＝t₁-t₂；

(9)可以确定充水钢管中水的流速

(10)钢管中水的体积流量

水的质量流量

从而实现管道中液体流量的测量。

Claims (2)

1.基于超声导波技术的管道液体流量测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)在管道(1)的位置A处安装轴对称分布的第一传感器组(2)，在管道(1)的另一位置B处安装轴对称分布的第二传感器组(3)，设位置A和位置B的轴向间距为L；

2)由函数发生器(5)产生一个具有一定中心频率的单音频信号，该中心频率为所选取超声导波纵向模态的频率点，在该频率点处，超声导波纵向模态的群速度随频率变化率的绝对值低于0.002m，轴向位移在管中液体分布的平均值为在管壁中分布的平均值的30％以上，且群速度随管中液体流速呈单调增加或减小；

3)调整转换装置，使第一传感器组(2)与功率放大器(4)连接，用来激励超声导波纵向模态，将第二传感器组(3)与示波器(6)连接，用来接收超声导波纵向模态的信号；

4)函数发生器(5)产生一激励信号，该激励信号经功率放大器(4)进行功率放大，通过第一传感器组(2)在管道(1)中激励步骤2)所选取的超声导波纵向模态；

5)激励的超声导波纵向模态信号在管道(1)中从第一传感器组(2)传播至第二传感器组(3)，即在管道中传播距离L后，第二传感器组(3)接收信号a，在示波器(6)上显示，并通过数据端口存储到计算机(7)中；

6)调整转换装置，使第二传感器组(3)与功率放大器(4)连接，用来激励超声导波纵向模态，将第一传感器组(2)与示波器(6)连接，用来接收超声导波纵向模态的信号；

7)由函数发生器(5)产生与步骤4)中相同的激励信号，该激励信号经功率放大器(4)进行功率放大，通过第二传感器组(3)在管道(1)中激励与步骤4)相同的超声导波纵向模态；

8)再次激励的超声导波纵向模态信号在管道(1)中从第二传感器组(3)传播至第一传感器组(2)，即在管道中传播了距离L后，第一传感器组(2)接收信号b，在示波器(6)上显示，并通过数据端口存储到计算机(7)中；

9)确定所得到的超声导波纵向模态信号a和信号b传播距离L所需的时间分别为t₁和t₂，从而得到超声导波纵向模态的传播时间差为Δt＝t₁-t₂；

10)将管道中的液体流速v代入考虑液体流速的充液管道中超声导波纵向模态的频散方程，通过数值求解得到不同液体流速v时的相速度c_p频散曲线，进而利用公式

其中：ω为圆频率，即得到超声导波纵向模态的群速度c_g频散曲线，通过分析所激励的超声导波纵向模态在不同液体流速v下的群速度频散曲线，得到某一频率点的一组该超声导波纵向模态的液体流速v和超声导波纵向模态群速度c_g的数据点，通过线性拟合，得到超声导波纵向模态的群速度c_g随液体流速v的变化率和液体流速为0即液体静止时该频率点的超声导波纵向模态的群速度c_g0；

11)利用公式计算得到管道中液体流速v；当计算得到的液体流速v大于零时，表示液体流向为从A流向B，当液体流速v小于零时，表示液体流向为从B流向A；

12)利用式U＝πvr₁ ²，求得充液管道中液体的体积流量U，进而确定充液管道中液体的质量流量M＝ρU＝πρvr₁ ²，其中，r₁为管道的内半径，ρ为管道中液体密度。

2.根据权利要求1所述的基于超声导波技术的管道液体流量测量方法，其特征在于：所述的第一传感器组和第二传感器组能够由传感器环代替。

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