CN105044205A - 一种基于概率算法的气液两相流超声柔性阵列检测方法 - Google Patents

一种基于概率算法的气液两相流超声柔性阵列检测方法 Download PDF

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本发明涉及一种基于概率算法的气液两相流超声柔性阵列检测方法,该方法适用于气液两相流中气泡的形态和位置分布测量,能够对多个气泡的形态和位置分布进行声学图像的重建。该方法包括用于检测数据提取的配套硬件和检测算法两部分。配套硬件包括控制器、柔性超声换能器阵列(如附图2所示)、多通道脉冲收发装置和数据采集装置(连接方式如附图1所示),检测算法基于概率统计原理实现。检测过程是:首先采集没有被测气泡时的阵列背景数据,然后采集通入气泡时的阵列检测数据,利用局部检测信号和局部背景信号之间的概率对比,重建气液两相流的图像。图像中的像素点表示声波所经过物质的声衰减属性,从而区分出气泡形态和位置。

Description

一种基于概率算法的气液两相流超声柔性阵列检测方法 一、
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于观察气液两相流的阵列检测方法,该方法基于透射法概率统 计原理,实现气液两相流中气泡形态和位置分布的检测。 二、
背景技术
[0002] 超声层析技术通过从不同角度发射声波照射被测物,并接收和被测物相互作用之 后的散射波,经过一定的算法来重建被测物的结构。该技术在工业多相流检测、固体材料缺 陷检测、医学健康检测等多方领域都有涉及。
[0003] 气液两相流是某种或某几种气体与某种液体的混合溶液,在产品制造工业,比如 油漆、涂料、洗涤剂、食品、化妆品、制药等的填充过程中广泛存在,而气泡的存在会严重影 响这些领域的产品质量;在石油化工行业对气液两相流气泡的检测也有也有巨大的需求, 因为在地下高压情况下油井中的气泡是溶解在原油中的,但是当油液被提升至地表的时 候,气泡和油液产生离溶,这时在井孔中对气泡的检测能够预警高压气窝的存在;在水电站 行业,气泡检测可以给出设备中气蚀现象的预警;在压力容器行业,能够完成压力测量和监 测;在医学领域也有望运用到减压病的检测中。因此,对气液两相流中的气泡检测具有非常 重要的现实意义。
[0004] 由中国知网检索到的期刊论文"气液两相流含气率超声测试方法研究[J].仪器 仪表学报"采用最直接的超声衰减法来测量气液两相流中的气含率气泡尺寸,但是这种方 法只能给出气泡尺寸的预测值,不能完成显示重建图像;期刊文献"非完整ERT数据的两相 层状流分布图像重[J].仪器仪表学报"指出了电阻层析成像在气液两相层状流测量中会 有电极被气相覆盖,无法正常重建图像的问题。期刊文献"气液两相泡状流体监测用超声 层析成象系统的研究[J].仪器仪表学报"采用二值逻辑滤波反投影算法实现了气液两相 流中的气泡截面分布重建,但是这种方法只考虑了声束路径上的归一化投影来反求气泡分 布,没有考虑与特定声束路径相近的路径中存在的气泡也会对投影数据造成影响,缺少"存 在概率"的估计。
[0005] 由国家专利局网站专利检索与服务系统检索到中国专利"基于电阻层析成像的气 液两相流分相含率的检测器及方法[P].公开号:CN1414382"根据检测电压值和与分相含 率相关的特征值得到气液两相流的分相含率;中国专利"基于电容层析成像系统的油气两 相流测量方法及其装置[P].公开号:CN1538168"采用基于Tikhonov正则化原理和代数重 建技术的组合型新型图像重建算法重建出反映油气两相流介质分布的图像;中国专利"一 种气液两相流流型快速在线识别方法[P].公开号:CN1635369"也是利用电容层析成像装 置采集反映气液两相流介质分布的电容信息中国专利"基于截面测量的气液两相流测量方 法及装置[P].公开号:CN1963403"通过在计量管道上的电学层析成像传感器阵列完成气 液两相流的界面图像重建。以上专利的共同点是都采用电学相关的层析检测方法,这类方 法需要将检测传感器伸入被测液体中,否则金属管道的电学属性会影响检测效果,这样就 限制了对封闭的管道内气液两相流的检测能力。
[0006] 由国家专利局网站专利检索与服务系统检索到的中国专利"基于超声成像技术的 微通道内气液两相流流型检测方法[P].公开号:CN104155362A"中采用了在多相流管道 中散布示踪粒子的方法获取超声波的散射信号,生成灰度模式的粒子图像表征两相流的流 型,但是这种方式需要在被测两相流中加入示踪粒子,从而对两相流本身造成污染,而通常 的工业生产用两相流或多相流中是不宜加入其他物质的。
[0007] 采用基于概率算法的超声柔性阵列检测方法不需要在两相流体中添加其他物质, 阵列阵元也不会因为气相的影响而失效,还能适应多种形状的两相流管道,是一种具有独 特优势的气液两相流检测方法。 三、
发明内容
[0008] 本发明的目的是提供一种基于透射式概率算法的气液两相流超声柔性阵列检测 方法,实现气液两相流中气泡形态和位置分布的检测。
[0009] 欲达到对气液两相流中气相部分的检测目的,本发明提出的超声柔性阵列检测方 法包括用于检测数据提取的配套硬件和检测算法两部分。配套硬件包括控制器、柔性超声 换能器阵列(如附图2所示)、多通道脉冲收发装置和数据采集装置(连接方式如附图1所 示),检测算法基于概率统计原理来实现。
[0010] 所述控制器负责控制多通道脉冲收发设备发射超声波和采集相应通道的回波数 据。所述柔性超声换能器阵列是一个拥有多个通道的线柔性换能器阵列,阵列中的阵元为 长宽比大于5的矩形超声换能器,此种设计可以增大超声波的声束扩散角,阵元沿自身宽 度方向顺序排列。该柔性超声换能器阵列可以根据气液两相流的管道形状,环绕在管道外 壁组成封闭的环形阵列,通过各个通道收发超声波完成数据采集。所述多通道脉冲收发 装置是一个拥有与柔性超声换能器阵列阵元数相当或更多通道数的超声脉冲信号收发装 置,收发装置中的通道与柔性超声换能器阵列的阵元一一对应(如果通道数有余量可以忽 略),每一个通道都能单独完成发射脉冲信号和接收脉冲信号的功能。所述数据采集装置能 够对多通道脉冲收发装置收到的波形信号分通道进行存储。所述的基于概率算法的处理过 程则能够对获取的透射波形信号经过概率算法完成两相流中气泡形态和位置分布的检测。 [0011] 一次收发测量的过程是:由多通道脉冲收发装置的一个通道发射脉冲,激发换能 器阵列中的一个阵元发射超声波,此后所有的阵元接收超声波,数据采集装置自动存储在 发射换能器对侧的透射超声波信号,从而完成一次收发过程。
[0012] 在没有被测气泡的情况下(未通气体时)对阵列中的每一个阵元重复上述收发过 程,将得到多组背景信号数据,然后在被测气泡存在的情况下(通气体时)也重复收发过 程,将遍历得到的检测信号分别与对应收发换能器测得的背景信号作比较,通过声学能量 的衰减判断相应检测路径中气泡出现的概率,完成重建图像。
[0013] 本发明提出的基于概率算法的气液两相流超声柔性阵列检测方法,很好地满足了 气液两相流中气相个体位置分布的检测需求,对于实现无辐射的工业两相流监测具有重要 意义。 四、
附图说明
[0014] 图1柔性阵列气液两相流超声检测装置框图
[0015] 图2柔性换能器阵列图
[0016] 图3环形阵列概率检测的透射波路径示意图
[0017] 图4概率检测算法单次收发换能器对的反涂抹范围图
[0018] 图5变化β值的求取图
[0019] 图6三个被测气泡的检测模型截面图
[0020] 图7三个被测气泡的概率法重建图像 五、具体实施方式
[0021] 将柔性换能器阵列环绕在有流体通过的管道中,首先在不通气体只有液体的情况 下进行信号收发,这时候的信号称为背景信号。由多通道脉冲收发装置控制阵列中的一个 超声波换能器发射超声波,在发射换能器对侧的换能器接收超声波,附图3所示为36个阵 元组成的柔性阵列环绕在多相流管道外壁,Tl~Τ36表示阵列中的换能器,图中Tl为发射 换能器,虚线所示为接收透射声波的换能器范围,Tl到T14或Tl到T18的声波没有经过被 测气泡,Tl到T15的声波部分穿透被测气泡,Tl到T20的声波完全穿透被测气泡。接收声 波的同时,数据采集装置将收到的信号按照对应通道序号存储。这个过程依次顺序进行,直 到所有换能器都发射过超声波为止。完成后会获得多组背景信号。
[0022] 接下来在通入气体的情况下,使用柔性阵列检测装置实施与获得背景信号相同的 操作,依次遍历阵列中的换能器发射和接收超声波。这时候采集到的信号称为检测信号。
[0023] 由收发换能器对之间一一对应的背景信号和检测信号作为计算对象,通过透射式 概率算法重建气液两相流的图像。
[0024] 概率重建的过程有信号对比和图像重建两个步骤。信号对比过程是找到有被测物 存在时的信号(称检测信号)和用于对照的背景信号,再截取其中和检测路径声时对应的 局部信号,两者做统计比值。图像重建过程是根据被测物存在的概率反涂抹重建矩阵中的 像素值。
[0025] 信号对比的过程第一步需要得局部信号差系数:
Figure CN105044205AD00051
[0030] 分别是局部截取后的检测信号和背景信号,辰和Ϊ分别是局部检测信号和局部背 景信号的平均值,k的值从NjIjN2表示离散后的信号采样点,w(t)表示窗函数,而f是一 个时移:
Figure CN105044205AD00052
[0032] 上式中cB(;是背景介质中的声速。波形时间轴上的窗函数宽度和特定的时移相当。 (X,y)、(X1, Y1)和U,,y,)分别是某重建像素点坐标,发射换能器坐标和接收换能器坐标,具 体见附图4。设定椭圆虚线内的部分为一次超声收发的概率重建范围,每一个像素点在检测 范围内的相对距离可以用Mx,y)表示为:
Figure CN105044205AD00061
[0036] 表示椭圆虚线内部的计算值,这里K
Figure CN105044205AD00062
表示相对距离,于是由(½(x,y)作为自 变量的权重函数可以表示为:
Figure CN105044205AD00063
[0038] 式中β是一个尺度参数,控制着椭圆检测区域的大小,不同换能器对可以有不同 的β值来调整相应声传播路径上被测物存在的概率作用范围。附图5中的点(x,y)和附 图4中处于被测物边缘的点意义相同,( Xl,yi)和(X],y])意义也和附图4 一样,而1^,_表 示声束与被测物相互作用的最大范围,这个范围就可以作为β值:
[0039] Pij=Rijnax (8)
[0040] i和j分别表示发射换能器和接收换能器,这里β值是一个经验值,其范围通常选 择小于1.05比较合适,减小β值能探测尺度更小的被测物,但是太小的β值会给重建带 来伪像。
[0041] 上述概率算法中用到的所有参变量都能得到之后,由信号差系数和权重函数便可 得出重建图像的像素值:
Figure CN105044205AD00064
[0043] 式中的PROBlj(Xj)表示每一个收发换能器对在重建矩阵中的概率像素贡献,而 最后的重建结果就是所有换能器对的概率重建叠加。
[0044] 六、应用示例
[0045] 为了验证算法的正确性,采用三个浸于液相中的空气泡作为被测物,气液两相流 的管道外半径为R = 45mm,柔性阵列阵元的数量为36,超声波中心频率为5MHz,声束扩散角 为60度。附图6给出了三个空气泡纵向排列于管道中的截面图,液相为水,以管道中心点 为原点建立坐标系,三个空气泡的位置分别为:20mm),(0, 0),(_20mm,0)。
[0046] 如附图3所示将36阵元的柔性阵列换能器贴于管道外壁,依次利用阵列中的阵元 激发和接收超声波,采用概率算法检测得到的重建图像如附图7所示。

Claims (9)

1. 一种基于概率算法的气液两相流超声柔性阵列检测方法,其特征在于:使用线柔性 阵列环绕多相流管道获取超声波数据,通过概率算法完成管道内气液两相流的截面图形检 测。
2. 权利要求1中所述的柔性换能器阵列可以沿阵元宽度方向弯曲任意角度(包括弯曲 成环状),从而适应多种形状的两相流容器(管道)。
3. 权利要求2中所述的阵元均发射柱面波。
4. 权利要求2中所述的阵元其超声收发特征在于:采用单个阵元激发、多个阵元分别 接收的方式,阵元之间的收发互不影响。
5. 权利要求1中所述的概率算法特征在于:需要没有被测气泡只有液体存在时的背景 超声信号作参考,在测得通有气泡的两相流透射声波信号之后,使用局部信号差系数和概 率权重函数共同完成两相流截面图重建。
6. 权利要求5中所述的局部信号差系数特征在于:在背景信号超声直达波的时间点, 采用窗函数截取波形信号,和在检测信号中截取的波形信号作对比,得出局部信号差系数。
7. 权利要求5中所述的概率权重函数特征在于:可以根据声束路径上的被测物尺度进 行相应的调整,即每个换能器对之间的收发组合都可以有不同的P值(尺度参数)。
8. 权利要求7中所述的P值是一个经验值,通常不大于1. 05。
9. 权利要求7中所述的P值特征在于:减小P值能够检测尺度对更小的被测物,但 是太小的P值会给重建图像带来伪像。
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