CN105181793B

CN105181793B - 基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法

Info

Publication number: CN105181793B
Application number: CN201510244409.2A
Authority: CN
Inventors: 黄奕勇; 郑崇光; 陈勇; 陈小前
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2035-05-14
Also published as: CN105181793A

Abstract

本发明公开了一种基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，该方法包括如下步骤：在一段需要进行两相流含气率测量的直管道的两端分别设置超声波发射探头和超声波接收探头；通过超声波发射探头产生沿直管道内流体传播的激励频率分别为第一激励频率和第二激励频率的两个超声波信号；通过超声波接收探头检测接收到的两个超声波信号的特征参数；根据第一激励频率、第二激励频率、纯液体传播速度、两相流中气泡的共振频率、气泡的振动阻尼和两个超声波信号的特征参数计算含气率。超声波探头装设于直管道的外壁，不需要设置于管道内的两相流体中，实现了两相流含气率的非接触性测量，数据处理量非常小，测量过程中不会阻碍管道内两相流的流动。

Description

基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法

技术领域

本发明涉及两相流含气率测量领域，特别地，涉及一种基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法。

背景技术

两相流是自然界与工业过程中十分常见的流动形态，由于流态的复杂性，如何实现对气液两相流含气率的准确测量一直是科学研究和工业过程中亟待解决的重要课题。

现有技术记载的几种气液两相流含气率的测量方法及其缺点如下：

1、Li提出了基于γ-射线测量两相流含气率的方法，工作原理是γ-射线穿透流体时，其幅值会发生衰减，且衰减程度与两相中流含气率相关，通过检测γ-射线幅值的衰减程度，即可得知相应的两相流含气率。

但是，基于γ-射线测量两相流含气率的方法所测得的含气率精确度受流型影响很大，虽然采用多射线束的技术能够克服这个问题，但其系统结构复杂，造价昂贵。

2、丛键生等人利用共振声谱法实现了气液两相流含气率的检测。该方法根据共振声谱原理，通过实验测量气液两相介质中圆柱共振腔的共振声谱，得到了不同含气率对共振声谱的幅度和共振频率的定量影响，根据现场检测过程中，共振声谱的实际幅度和实际共振频率，即可获知相应的两相流含气率。

但是，基于共振声谱原理测量两相流含气率的方法，在测量过程中，水听器必须容置于管道内的两相流中，为接触性检测，此种检测方式会影响管道内流体流动，并且无法测量具有辐射性的流体。

3、基于高速摄影法测量两相流含气率。高速摄影法是在含有两相流的透明待测段上，首先高速摄取照片，然后根据照片上显现的气泡数目和气泡半径大小，直接算出截面含气率。

但是，高速摄影法中，光线会在复杂多变的两相流相界面间产生多种反射或折射，极大影响了成像的清晰度。另外，高速摄影法采集的图像信息量过多，给后期两相流含气率的计算带来了极大的困难，甚至难以对其进行有效分析和处理。

4、快速截止阀法测量两相流含气率。快速截止阀法是在待测段的两端安装两个截止阀，并且两个阀同时动作，在测量过程中，首先同时快速关闭两个截止阀，然后充分分离内部两相流体，再测量液面的高度，根据待测段总体积大小，算出两相流含气率。

但是，快速截止阀法在测量时要暂时截停管道内两相流体的正常流动，难以实现两相流含气率的实时在线测量。

由此可见，现有的两相流含气率的测试方法都存在诸多缺陷，故亟需开设一种新的测试方法。

发明内容

本发明提供了一种基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，以解决现有两相流含气率测量技术采用阻碍两相流体流动的接触检测方式、检测原理复杂和数据处理量大的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，包括如下步骤：

在一段需要进行两相流含气率测量的直管道的两端分别设置超声波发射探头和超声波接收探头；

通过超声波发射探头产生沿直管道内流体传播的激励频率分别为第一激励频率和第二激励频率的两个超声波信号；

通过超声波接收探头检测接收到的两个超声波信号的特征参数；

根据第一激励频率、第二激励频率、纯液体传播速度、两相流中气泡的共振频率、气泡的振动阻尼和两个超声波信号的特征参数计算含气率。

进一步地，特征参数包括超声波信号的发射初始幅值和接收衰减幅值；

计算含气率的步骤包括：

步骤一，根据超声波信号在两相流中的等效传播速度c_m和纯液体中的纯液体传播速度c，确定如下传播速度比方程：

其中，u和v是复数域参数，u是实部参数，v是虚部参数，i为虚数单位；

步骤二，通过超声波接收探头检测与第一激励频率对应的第一发射初始幅值和第一接收衰减幅值，以及与第二激励频率对应的第二发射初始幅值和第二接收衰减幅值；

步骤三，根据第一发射初始幅值、第一接收衰减幅值、第二发射初始幅值和第二接收衰减幅值计算复数域参数；

步骤四，根据复数域参数计算气体体积分数和气泡平均半径；

步骤五，根据气体体积分数和气泡平均半径计算复数域参数；

步骤六，重复执行步骤四及步骤五，当所求得的气体体积分数与上一个循环所求得的气体体积分数的误差在1％以内时，取此时求得的气体体积分数为最终结果；

步骤七，根据气体体积分数计算含气率。

进一步地，计算气体体积分数的步骤具体包括：

步骤一，根据第一发射初始幅值和第一接收衰减幅值计算第一虚部参数，根据第二发射初始幅值和第二接收衰减幅值计算第二虚部参数；

步骤二，预设分别与第一虚部参数对应的第一实部参数和与第二虚部参数对应的第二实部参数；

步骤三，根据第一虚部参数、第二虚部参数、第一实部参数和第二实部参数，计算气体体积分数和气泡平均半径；

步骤四，根据气体体积分数、气泡平均半径、第一虚部参数和第二虚部参数，计算第一实部参数和第二实部参数；

步骤五，重复执行步骤三及步骤四，当所求得的气体体积分数与上一个循环所求得的气体体积分数的误差在1％以内时，取此时求得的气体体积分数为最终结果。

进一步地，根据第一虚部参数、第二虚部参数、第一实部参数和第二实部参数计算气体体积分数和气泡平均半径的步骤包括：

根据第一虚部参数、第二虚部参数、第一实部参数和第二实部参数，基于第一公式，计算气体体积分数和气泡平均半径；

计算第一实部参数和第二实部参数的步骤包括：

根据气体体积分数、气泡平均半径、第一虚部参数和第二虚部参数，基于第二公式，计算第一实部参数和第二实部参数。

进一步地，第一公式和第二公式根据声波的振动方程、声波在两相流中的传播方程和传播速度比方程确定。

进一步地，第一公式如下：

第二公式如下：

其中，β是含气率，ω是激励频率，δ是振动阻尼，ω₀是共振频率，R是气泡平均半径。

进一步地，接收衰减幅值包括在气液两相流中的实际接收衰减幅值A和在纯液体条件下的理论接收衰减幅值A_ref；

虚部参数的计算公式如下：

其中，f是超声波信号的频率，L是超声波发射探头与超声波接收探头之间的距离。

进一步地，在气液两相流中的实际接收衰减幅值A的计算公式如下：

其中，p₀是超声波发射探头处的发射初始幅值。

本发明具有以下有益效果：

本发明基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，在一段直管道的两端设置超声波探头，因为超声波信号具备穿透能力强的特性，所以超声波探头可装设于直管道的外壁，而不需要设置于管道内的两相流体中，实现了两相流含气率的非接触性测量，且测量不会阻碍管道内两相流的流动。

另外，超声波探头的安装方式简便，并且仅需超声波信号的激励频率、超声波信号在纯液体中的纯液体传播速度、两相流中气泡的共振频率等少数几个参数即可实现测量，检测原理简单，数据处理量非常小，能有效实现管道内两相流含气率的在线实时测量。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法流程示意图；

图2是图1所示计算含气率步骤的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，包括如下步骤：

步骤S100，在一段需要进行两相流含气率测量的直管道的两端分别设置超声波发射探头和超声波接收探头；

步骤S200，通过超声波发射探头产生沿直管道内流体传播的激励频率分别为第一激励频率和第二激励频率的两个超声波信号；

步骤S300，通过超声波接收探头检测接收到的两个超声波信号的特征参数；

步骤S400，根据第一激励频率、第二激励频率、纯液体传播速度、两相流中气泡的共振频率、气泡的振动阻尼和两个超声波信号的特征参数计算含气率。

可选地，特征参数包括超声波信号的发射初始幅值和接收衰减幅值，参照图2，步骤S400，计算含气率的步骤包括：

步骤S410，根据超声波信号在两相流中的等效传播速度c_m和纯液体中的纯液体传播速度c，确定如下传播速度比方程：

步骤S420，通过超声波接收探头检测与第一激励频率对应的第一发射初始幅值和第一接收衰减幅值，以及与第二激励频率对应的第二发射初始幅值和第二接收衰减幅值；

步骤S430，根据第一发射初始幅值、第一接收衰减幅值、第二发射初始幅值和第二接收衰减幅值计算复数域参数；

步骤S440，根据复数域参数计算气体体积分数和气泡平均半径；

步骤S450，根据气体体积分数和气泡平均半径计算复数域参数；

步骤S460，重复执行步骤S440及步骤S450，当所求得的气体体积分数与上一个循环所求得的气体体积分数的误差在1％以内时，取此时求得的气体体积分数为最终结果；

步骤S470，根据气体体积分数计算含气率。

可选地，求得气体体积分数的步骤具体包括：

可选地，根据第一虚部参数、第二虚部参数、第一实部参数和第二实部参数计算气体体积分数和气泡平均半径的步骤包括：

计算第一实部参数和第二实部参数的步骤包括：

可选地，第一公式和第二公式根据声波的振动方程、声波在两相流中的传播方程和传播速度比方程确定。

具体地，声波在两相流中的传播方程为：

其中，c是超声波在纯液体中的纯液体传播速度，p是声波传播压强，ρ是液体密度，β是气体体积分数，t超声波信号传播时间。

超声波的振动方程为：p_a(t,x)＝p_ae^i(ωt-kx)，代入上述传播方程可得：

其中，x是声波传播距离，k_m是等效波数，ω是超声波信号的激励频率，ω₀是两相流中气泡的共振频率，r是两相流中气泡半径，δ是气泡的振动阻尼，β是气体体积分数，k_m是等效波数。

又k_m＝ω/c_m，所以，对于单个气泡，可得：

对于气泡群，可得：

其中，N(r)是气泡的分布函数，r_max是两相流中最大气泡半径，r_min是两相流中最小气泡半径。

因为只需要对含气率进行测量，则假定气泡为相同的平均半径R，可得：

取代入上式中，利用复数域等式两边实部与虚部对应相等的关系，可得第一公式和第二公式。

其中，第一公式如下：

第二公式如下：

已知平面波方程为将代入平面波方程中可得：

其中，即为平面波的幅度，超声波发射探头处的超声波信号幅值为p₀。

所以，超声波接收探头处超声波信号的幅值又ω＝2πf，其中f是超声波信号的频率。

可选地，接收衰减幅值包括在气液两相流中的实际接收衰减幅值A和在纯液体条件下的理论接收衰减幅值A_ref；

虚部参数v可通过超声波信号发射初始幅值相对实际接收衰减幅值之比求得，所以虚部参数v的计算公式为：其中，A_ref是在纯液体条件下对应频率超声波信号的理论接收衰减幅值，L是超声波发射探头与超声波接收探头之间的距离。

另外，特征参数包括超声波信号的等效传播速度，则可根据等效传播速度c_m和纯液体传播速度c计算实部参数u；

具体地，其中等效传播速度c_m＝L/t_s，t_s是超声波在两相流中从超声波发射探头传播至超声波接收探头的时间。

超声波发射探头同时发射两个不同激励频率的超声波信号，具体地，计算含气率的实施步骤如下：

第一步，根据超声波接收探头检测得出的第一发射初始幅值和第一接收衰减幅值，基于公式：计算得到第一虚部参数v₁，根据超声波探头检测得出的第二发射初始幅值和第二接收衰减幅值，求得第二虚部参数v₂；

第二步，然后预设实部参数u₁＝1，u₂＝1；

第三步，再将参数v₁、v₂、u₁、u₂代入第一公式，求得β、R；

第四步，再将求得的β、R以及参数v₁、v₂代入到第二公式，求出与之对应的u₁、u₂；

第五步，重复以上第三步和第四步，当此次计算得出的β值与上一个循环所求得的β值的误差在1％以内时，取此β值为最终结果；

第六步，根据求得的β计算两相流含气率。

另外，超声波发射探头同时发射两个不同激励频率的超声波信号，能测得第一超声波信号的第一传播时间和第二超声波信号的第二传播时间，运用迭代法计算含气率亦能分为如下步骤：

第一步，根据第一传播时间计算第一等效传播速度，基于公式：求得第一实部参数u₁，根据第二传播时间计算得出的第二等效传播速度，基于公式：求得第二实部参数u₂；

第二步，然后预设实部参数v₁＝1，v₂＝1；

第四步，再将求得的β、R以及参数u₁、u₂代入到第二公式，求出与之对应的v₁、v₂；

第六步，根据求得的β计算两相流含气率。

然而，在实际测量的过程中，超声波信号均采用正弦信号，在含气泡的气液两相流中，信号的信噪比很差，所以针对超声波信号从发射探头传播至接收探头所测得的时间会产生较大误差，相比之下，接收衰减幅度的测量要精确得多，v的测量也更为精确，所以优选后者。

另外，因为高频超声波信号的波长较短，绝对测量精度高，而空气对其吸收较大，测量距离短。但是，低频超声波信号的波长较长，虽然绝对测量精度稍差，但空气对其吸收很小，测量距离长。本发明优先实施例同时发射一个高频超声波信号和低频超声波信号，既保证了绝对测量精度高，又提高了测量距离。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S200，通过所述超声波发射探头产生沿直管道内流体传播的激励频率分别为第一激励频率和第二激励频率的两个超声波信号；

步骤S300，通过所述超声波接收探头检测接收到的两个所述超声波信号的特征参数；

步骤S400，根据所述第一激励频率、所述第二激励频率、纯液体传播速度、两相流中气泡的共振频率、气泡的振动阻尼和两个所述超声波信号的所述特征参数计算含气率；

所述特征参数包括所述超声波信号的发射初始幅值和接收衰减幅值；

所述步骤S400包括：

步骤S410，根据所述超声波信号在两相流中的等效传播速度c_m和纯液体中的纯液体传播速度c，确定如下传播速度比方程：

步骤S420，通过所述超声波接收探头检测与所述第一激励频率对应的第一发射初始幅值和第一接收衰减幅值，以及与所述第二激励频率对应的第二发射初始幅值和第二接收衰减幅值；

步骤S430，根据所述第一发射初始幅值、所述第一接收衰减幅值、所述第二发射初始幅值和所述第二接收衰减幅值计算所述复数域参数；具体地，根据所述第一发射初始幅值和所述第一接收衰减幅值计算第一虚部参数，根据所述第二发射初始幅值和所述第二接收衰减幅值计算第二虚部参数；预设分别与所述第一虚部参数对应的第一实部参数和与所述第二虚部参数对应的第二实部参数；

步骤S440，根据所述复数域参数计算气体体积分数和气泡平均半径；具体地，根据所述第一虚部参数、所述第二虚部参数、所述第一实部参数和所述第二实部参数，计算所述气体体积分数和所述气泡平均半径；

步骤S450，根据所述气体体积分数和所述气泡平均半径计算所述复数域参数；具体地，根据所述气体体积分数、所述气泡平均半径、所述第一虚部参数和所述第二虚部参数，计算所述第一实部参数和所述第二实部参数；

步骤S460，重复执行步骤S440及步骤S450，当所求得的所述气体体积分数与上一个循环所求得的所述气体体积分数的误差在1％以内时，取此时求得的所述气体体积分数为最终结果；

步骤S470，根据所述气体体积分数计算所述含气率；

所述根据所述第一虚部参数、所述第二虚部参数、所述第一实部参数和所述第二实部参数计算所述气体体积分数和所述气泡平均半径的步骤包括：

根据所述第一虚部参数、所述第二虚部参数、所述第一实部参数和所述第二实部参数，基于第一公式，计算所述气体体积分数和气泡平均半径；

所述计算所述第一实部参数和所述第二实部参数的步骤包括：

根据所述气体体积分数、所述气泡平均半径、所述第一虚部参数和所述第二虚部参数，基于第二公式，计算所述第一实部参数和所述第二实部参数；

所述第一公式如下：

所述第二公式如下：

其中，β是所述含气率，ω是所述激励频率，δ是所述振动阻尼，ω₀是所述共振频率，R是所述气泡平均半径。

2.根据权利要求1所述的基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，其特征在于，

所述接收衰减幅值包括在气液两相流中的实际接收衰减幅值A和在纯液体条件下的理论接收衰减幅值A_ref；

虚部参数的计算公式如下：

其中，f是超声波信号的频率，L是所述超声波发射探头与所述超声波接收探头之间的距离。

3.根据权利要求2所述的基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，其特征在于，

在气液两相流中的实际接收衰减幅值A的计算公式如下：

其中，p₀是所述超声波发射探头处的所述发射初始幅值。