CN102607653B - 一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法，加工制作具有三个压电单元组成的超声波探头，用于发射和接收超声波信号，将超声波探头分别布置在与管道轴线成45°的两个倾斜截面上，测量各声道上超声波顺流和逆流传播的飞行时间，计算管道流体在各声道上的平均流速：将每组声道等间隔内插，获取内插后各声道上的平均流速；基于平行束投影的滤波反投影方法从声道的平均流速数据出发重建流速分布剖面，基于重建得到的流速分布剖面图等间隔选取流速点，由各点流速简单平均并与管道截面积相乘即为管道流量数值，本发明可以实现在复杂流态下对管道内部流场分布的监控，减小超声波流量计的模型误差，最终获取精确的流量数值。

Description

一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法

技术领域

本发明涉及信息科学应用于管道输送系统中对内部流体的流量进行高精度测量的技术领域，特别涉及一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法。

背景技术

利用流体流动对超声波脉冲或者超声波束传播时间的改变来测量流体的流速，进而换算成体积流量的时差式超声波流量计具有非接触、无可动部件、对流体特性不敏感、适合用于大口径管道等优点，可被广泛应用于大型水利枢纽、石油工业及天然气工业中。然而，在很多实际应用场合，一些特殊安装条件会造成管道中流场的改变，形成复杂流速分布剖面。复杂流速剖面下进行流量转换的模型误差是影响超声波流量计精度最重要的因素之一。

为了利用超声波方法实时并精确地获取复杂流态下的管道流量，需要建立合适的声道布置方式，研究从各声道平均流速出发精确获取管道流量的方法，并使该方法针对不同的安装条件亦即不同的流速分布剖面具有广泛的适用性，从根本上减小超声波法测流量的模型误差。目前，工业生产中的多声道流量计配置大多参照美国机械工程师协会于2002年制定的美国国家标准，采用多声道平行式变权系数的设计准则，详见《The American Society of Mechanical Engineers.Hydraulic Turbines and Pump-turbines：Performance Test Codes.American national standard，2002》，但此方式实现简单，却需要在测量管段前后安排大于一定长度的长直管段以保证测量管段的流态平稳。在不能满足此安装条件下的场合，流态常为不规则的复杂流态。此时，由于各声道只对流场进行平行采样，故无法全面反映整个管道截面上的流速分布情况，适应性不好。2005年，Mandard等人设计了一种由12个探头构成18个声道的流量计配置方案，这种配置混合了变权系数和等权系数方法，它能补偿流场中漩涡的影响，方案的核心在于将三个发射单元集成在一个超声波探头中，这样一个探头能向三个不同方向发射超声波，详见《E.Mandard，D.Kouamé，R.Battault，J.P.Remenieras，F.Patat，Transit time ultrasonicflowmeter：Velocity profile estimation，Proc.IEEE Symp.Ultrasonics Symposium，2005：763-766》。2008年，Mandard等人提出了这种配置方案下进行流速分布剖面重构的参数求解方法，并利用两种流速分布剖面对重构方法进行了验证，详见《E Mandard，DKouame，R Battault，J P Remenieras，F Patat，Methodology fordeveloping a high-precision ultrasound flow meter and fluidvelocity profile reconstruction，IEEE Transactions onUltrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，2008，55(1)：161-172》对较复杂的流速分布剖面，这种方法效果变差。2006年，Kurniadi等人设计了一种与此类似的声道配置方法，它由安装在上下游两个横截面上的16个探头构成了一个传感器网络，每个探头均可以向位于另一横截面上的8个探头发射超声波以构成声波传播通道，故流量计内总共有64个声道。由于声道的密集分布和层析成像方法的使用，该流量计理论上可以适应各种复杂流速分布剖面，详见《D Kurniadi，A Trisnobudi，A multi-path ultrasonic transittime flow meter using a tomography method for gas flow velocityprofilemeasurement，Part.Part.Syst.Charact，2006(23)，330-338》然而，由于流量计中心处存在无任何声道穿过的空白区域，所以无法测知此处流速分布。此外，为了使另一横截面上的8个接收探头均接到从某一发射探头发射的超声波，探头频率需要相对较低以获得相对大的声束扩散角，而低频的超声波容易受到外界环境的干扰，影响各声道飞行时间的测量，最终降低流量计量精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法，用以监控管道截面上的流速分布，使得在多种复杂流态的情况下均测得较精确的流量数值。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法，包括以下步骤：

步骤一：加工制作具有三个压电单元组成的超声波探头，用于发射和接收超声波信号，每个压电单元均可完成发射和接收超声波任务，每个压电单元均有一定的声束角，声束角满足这样的条件：使得边界压电单元的声束角分别涉及相邻的四个探头，中心单元的声束角涉及正对面的三个探头；

步骤二：将超声波探头分别布置在与管道轴线成45°的两个倾斜截面上，每个测量平面上均匀放置12个兼具发射和接收任务的超声波探头，探头在每个测量平面上形成66条声道；

步骤三：分别测量各声道上超声波顺流和逆流传播的飞行时间，由下式计算管道流体在各声道上的平均流速：

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{path}}=\frac{L}{2\cos \mathrm{\φ}}\left(\frac{t_{B\→A}-t_{A\→B}}{t_{A\→B}{t}_{B\→A}}\right)---\left(1\right)$

其中，T_B→A和t_A→B分别为超声波顺流和逆流的飞行时间，φ为测量截面的倾角，L为声传播路径长度；

步骤四：将每个测量平面上的声道分为12组，每组中的声道相互平行，将每组声道等间隔内插，并按步骤三的公式获取内插后各声道上的平均流速；

步骤五：基于平行束投影的滤波反投影方法从声道的平均流速数据出发重建流速分布剖面，公式如下：

式中，

为任意一点，

代表过

的任意直线L，r为原点到直线L的距离，为直线L的法向，

为平行束投影采样关于第一个变量的傅里叶变换；

该公式的具体实施过程为：

(1)对平行束投影采样关于r做傅里叶变换，得到

(2)进行频域滤波操作，滤波器传递函数为|σ|；

(3)对滤波后的数据关于σ做反傅里叶变换，得到

(4)对所有经过点

的直线数据

积分求和，即为该点的速度值

步骤六：基于重建得到的流速分布剖面图等间隔选取流速点，由各点流速简单平均并与管道截面积相乘即为管道流量数值。

本发明旨在建立合适的方法，传感器探头分别布置在相互交叉的两个测量平面上，与传统方法不同，在本项目的声道布置方法中，每个探头不再对应一条声道，而是向位于同一测量平面上的所有其它探头发射声波，故由探头构成的声道数大大扩展。每个平面内的声道成网格状分布，且构成声道的两探头均互相发送并接收沿该声道传播的超声波信号。

为实现探头向位于同一测量平面上的所有其它探头发射声波的目的，探头与传统方式不同，而是由若干压电单元组成，每个单元均可完成发射和接收超声波任务。单元均有一定的声束角，调整个单元的放置方位以保证每个单元的声束角覆盖一定数目的其余探头。多单元的设计使得探头可向所在测量平面内的其余探头发射和接收超声波信号。这种特殊的探头设计使得网格状的声道布置方法得以实现。

这种方法可以实现在复杂流态下对管道内部流场分布的监控，减小超声波流量计的模型误差，最终获取精确的流量数值。

附图说明

图1是双平面网格状声道布置方法示意图，其中图1a中为探头和声道在管道横截面上的投影，图1b是将超声波探头分别布置在与管道轴线成45°的两个倾斜截面上的示意图。

图2是探头设计方法示意图，其中图2b为超声波探头中三个压电单元的放置形式，图2a中示出了探头中每个压电单元的声束角覆盖范围内的其它超声波探头。

图3是声道的重新组合和内插示意图，其中图3a是6声道示意图，图3b是5声道示意图，图3c是6声道内插示意图，图3d是5声道内插示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行必要的说明。

一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法，包括以下步骤：

步骤一：加工制作具有三个压电单元组成的超声波探头，用于发射和接收超声波信号，每个压电单元均可完成发射和接收超声波任务，每个压电单元均有一定的声束角，声束角满足这样的条件：使得边界压电单元的声束角分别涉及相邻的四个探头，中心单元的声束角涉及正对面的三个探头；

图2b为超声波探头中三个压电单元的放置形式，α、β、γ分别为每个单元的声束角，图2a中示出了探头中每个压电单元的声束角覆盖范围内的其它超声波探头，这种新型探头设计使得网格状的声道布置方法得以实现。压电单元的个数和覆盖范围不是固定的，可根据实际应用场合进行变动。

步骤二：参照图1b，将超声波探头分别布置在与管道轴线成45°的两个倾斜截面上，每个测量平面上均匀放置12个兼具发射和接收任务的超声波探头，探头在每个测量平面上形成66条声道；

图1a中为探头和声道在管道横截面上的投影。出于折中考虑，图示的声道布置方法在每个测量平面上安装12个兼具发射和接收任务的超声波探头，探头在每个测量平面上形成66条声道。该布置方法下探头的个数可以增删，具体数目结合实际应用场合下的管道直径和后续层析成像方法进行改动。

步骤三：分别测量各声道上超声波顺流和逆流传播的飞行时间，由下式计算管道流体在各声道上的平均流速：

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{path}}=\frac{L}{2\cos \mathrm{\φ}}\left(\frac{t_{B\→A}-t_{A\→B}}{t_{A\→B}{t}_{B\→A}}\right)---\left(1\right)$

其中，t_B→A和t_A→B分别为超声波顺流和逆流的飞行时间，φ为测量截面的倾角，L为声传播路径长度；

步骤四：将每个测量平面上的声道分为12组，每组中的声道相互平行，将每组声道等间隔内插，并按步骤三的公式获取内插后各声道上的平均流速；

图3表示出了对声道数据进行重新组合和内插的示意图。声道被重新分为12组，图3a和图3b为该12种组合中的两种具有代表性的组合，图3a是6声道示意图，图3b是5声道示意图，图3中下图为对上图所示两种组合图的一种等间隔内插方式。

步骤五：基于平行束投影的滤波反投影方法从声道的平均流速数据出发重建流速分布剖面，公式如下：

式中，

为任意一点，

代表过

的任意直线L，r为原点到直线L的距离，为直线L的法向，

为平行束投影采样

关于第一个变量的傅里叶变换。

该公式的具体实施过程为：

(1)对平行束投影采样

关于r做傅里叶变换，得到

(2)进行频域滤波操作，滤波器传递函数为|σ|；

(3)对滤波后的数据关于σ做反傅里叶变换，得到

(4)对所有经过点

的直线数据

积分求和，即为该点的速度值

步骤六：基于重建得到的流速分布剖面图等间隔选取流速点，由各点流速简单平均并与管道截面积相乘即为管道流量数值。

Claims (1)

1.一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：加工制作具有三个压电单元组成的超声波探头，用于发射和接收超声波信号，每个压电单元均可完成发射和接收超声波任务，每个压电单元均有一定的声束角，声束角满足这样的条件：使得边界压电单元的声束角分别涉及相邻的四个探头，中心单元的声束角涉及正对面的三个探头；

步骤二：将超声波探头分别布置在与管道轴线成45°的两个倾斜截面上，每个测量平面上均匀放置12个兼具发射和接收任务的超声波探头，探头在每个测量平面上形成66条声道；

步骤三：分别测量各声道上超声波顺流和逆流传播的飞行时间，由下式计算管道流体在各声道上的平均流速：

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{path}}=\frac{L}{2\cos \mathrm{\φ}}\left(\frac{t_{B\→A}-t_{A\→B}}{t_{A\→B}{t}_{B\→A}}\right)---\left(1\right)$

其中，t_B→A和t_A→B分别为超声波顺流和逆流的飞行时间，

为测量截面的倾角，L为声传播路径长度；

步骤四：将每个测量平面上的声道分为12组，每组中的声道相互平行，将每组声道等间隔内插，并按步骤三的公式获取内插后各声道上的平均流速；

步骤五：基于平行束投影的滤波反投影方法从声道的平均流速数据出发重建流速分布剖面，公式如下：

式中，

为任意一点，

代表过

的任意直线L，r为原点到直线L的距离，

为直线L的法向，

为平行束投影采样

关于第一个变量的傅里叶变换；

该公式的具体实施过程为：

（1）对平行束投影采样

关于r做傅里叶变换，得到

（2）进行频域滤波操作，滤波器传递函数为|σ|；

（3）对滤波后的数据关于σ做反傅里叶变换，得到

（4）对所有经过点

的直线数据

积分求和，即为该点的速度值

步骤六：基于重建得到的流速分布剖面图等间隔选取流速点，由各点流速简单平均并与管道截面积相乘即为管道流量数值。

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