CN102788738A - 多相流体密度和浓度超声阵列检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的是提供一种高精度多相流体密度和浓度超声阵列检测方法，用于实时检测多相流液体的密度和浓度特性。在航空航天、工业机械、化工、水利和生物医学等多方领域都有广泛的应用。本发明的多相流体密度和浓度超声阵列检测方法包括：超声波束垂直入射到多相流体中，超声波换能器阵列接收来自于多相流体内部的反射或透射超声波信号。利用反射或透射声波信号，计算多相流体的声阻抗和声波在多相流体中传播的速度，得到并实时显示多相流体的密度和浓度等特性参数。

Description

多相流体密度和浓度超声阵列检测方法

一、技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及多相流体和超声换能器阵列检测技术，是一种实时高精度检测多相流体密度、浓度等特性的方法。 

二、背景技术

多相流体密度和浓度超声阵列检测方法是一种可以实时检测多相流体密度和浓度的无损检测技术，它利用高频超声波和被测多相流体相互作用，获取多相流体的浓度、密度等特性参数，在航空航天、工业机械、生物医学、化工和水利学等多方领域都有广泛的应用，如石油钻井时泥浆颗粒的浓度以及油井内油气水三相流中气、水两相的含量，河流泥沙的含量，选矿和洗煤时矿浆和煤浆的浓度等，因此对多相流特性的检测具有重要的现实意义。 

多相流体密度和浓度超声阵列检测方法使用频段为0.1MHz-100MHz的超声波，测量多相流体密度、浓度等。因为超声波的频率越高，分辨率越高，但穿透能力就越差，射入物体后引起的散射效应也就越严重，由此导致接收的透射声波信号较小，因此检测时需合理选择相应频率的换能器。通过计算各频率换能器发射的超声波入射被测多相流体中声场的变化，有效调整换能器阵列的相对位置，获取透射声波信号，计算多相流体的密度、浓度等特性参数，得到高精度的流体特性参数。 

法国巴黎皮埃尔和玛丽·居里大学Jean Le Rond D’Alembert国际联合实验室Michael Baudoin教授等根据声波幅度的扰动和颗粒的散射建立Burgers模型，研究声冲击波在硅纳米颗粒悬浮液中传播，悬浮液浓度的变化以及颗粒与液体间流速的变化等均会引起散射场的变化。上海理工大学苏明旭、蔡小舒等使用多次回波反射法测量两相流的密度和浓度等。东北大学孙远广等使用两发两收超声法检测液固两相流固相浓度及沉降速度，两路接收信号存在较强的干扰信号。尚未发现使用一发多收的超声阵列检测多相流体的密度和浓度。 

三、发明内容

本发明目的是提供一种高精度多相流体密度和浓度超声阵列检测方法，用于实时检测多相流体的浓度、密度等特性参数。 

本发明的多相流体密度和浓度超声阵列检测方法包括：超声波束垂直入射到多相流体中，超声波换能器阵列接收来自于多相流体内部的反射或透射超声波信号。利用反射或透射声波信号，计算多相流体的声阻抗和声波在多相流体中传播的速度，得到并实时显示多相流体的密度和浓度等特性参数。 

四、附图说明

图1多相流液体密度和浓度检测装置示意图。 

图2多相流液体透射系数检测示意图。 

五、具体实施方式

根据多相流密度、浓度等参数选择相应的超声波换能器，将换能器安装在步骤一所述的超声阵列检测装置上，所有可用于更换的超声波换能器均为水浸式换能器。多相流位于样品池内。图1为检测装置示意 图，各部分为：样品池、高频超声波换能器、高频超声收发卡、数据处理装置等。 

多相流的声阻抗： 

Z＝ρc    （1） 

式中：ρ——多相流体的密度； 

c——超声波在多相流体中的传播速度。 

依据测量得到阻抗和声速即可得到多相流的密度。当超声波由测量样品池的一侧垂直入射到多相流时，利用声波的透射和反射特性，在样品池另一侧使用高频超声换能器接收透射波信号（示意图2），换能器接收声压幅值和换能器发射声压幅值为：。 

$P_3=P_0{t}_1{t}_2{e}^{-2\mathrm{\α}{L}_1}{e}^{-{\mathrm{\α}}_a{L}_2}---\left(2\right)$

式中：t₁——从多相流入射到铝棒时的透射率，t₁=2Z_α/Z+Z_α； 

t₂——从铝棒入射到多相流时的透射率，t₂=2Z/Z+Z_α。 

P₀——超声波换能器发生声压幅值； 

P₃——超声波换能器接收声压幅值； 

α_a——铝棒的声衰减系数； 

α——多相流声衰减系数； 

Z_a——铝棒的声阻抗； 

Z——多相流的声阻抗。 

令： 

$x=\frac{P_3}{P_0{e}^{-2\mathrm{\α}{L}_1}{e}^{-{\mathrm{\α}}_a{L}_2}}---\left(3\right)$

$y=Z_a-\frac{2Z_a}{x}---\left(4\right)$

由此可得到多相流的声阻抗为： 

$Z=-x+\sqrt{x^2-1}---\left(5\right)$

由此得到多相流的密度为： 

ρ＝Z/c    （6） 

多相流浓度 

为： 

式中：ρ_p——已知颗粒相的密度； 

ρ_f——已知液体相的密度。 

Claims (6)

1.一种多相流体密度和浓度超声阵列检测方法，其特征在于：超声波垂直入射到被测多相流体中，超声换能器阵列接收经过多相流体反射或透射的声波信号，利用接收与发射的声波信号计算多相流体的密度和浓度等特性参数，可实时检测流体的密度和浓度。

2.根据权利要求1所述的多相流体密度和浓度超声阵列检测方法，其特征在于：超声阵列由16个高频超声换能器组成环形阵列，其中一个换能器发射声波信号，其余15个换能器形成接收阵列，高频超声波换能器频率为0.1MHz-100MHz。

3.根据权利要求1所述的多相流体密度超声阵列检测方法，其特征在于：超声波在多相流体中传播，系统的声阻抗为流体密度和声速的乘积，依据测量的声阻抗和超声在多相流体中的传播速度可计算多相流体的密度。

4.根据权利要求3所述的多相流体密度超声阵列检测方法，声阻抗测量方法为：当超声波从样品池一侧垂直入射到多相流中，声波在传播过程中发生透射或反射，在样品池另一侧使用高频超声换能器接收透射波信号，根据透射声波幅值、透射系数与声阻抗之间的关系，反推出多相流体的声阻抗。

5.根据权利要求3所述的多相流体密度超声阵列检测方法，声速的测量方法为：当超声波从样品池一侧垂直入射到多相流体中时，在样品池另一侧使用高频超声换能器接收透射声波信号，对超声波换能器发射声波信号和接收的透射声波信号进行相关分析，其峰值为声波在多相流体中的传播时间，由发射换能器和接收换能器之间的距离和传播时间可计算超声波在多相流体中传播的速度。

6.根据权利要求1所述的多相流体浓度超声阵列检测方法，其特征在于：利用权力5中所测多相流体密度，其中已知液体相的密度和颗粒相的密度，利用两相流体液体相和颗粒相的质量浓度关系计算多相流浓度。

2．根据权利要求1所述的多相流体密度和浓度超声阵列检测方法，其特征在于：密度测量精度误差不超过2%；浓度测量精度误差不超过5%。

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