CN105222861B - 一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法。超声波收发装置安装在装有气液两相流的管道管壁上；超声波换能器向气液两相流中发射超声波脉冲，回波信号通过二极管峰值包络检波器调制后得到回波包络信号，进而得到回波包络信号图；对回波包络信号图进行处理得到包络信号数据；对包络信号数据采用基二快速傅里叶变换算法计算得到速度谱；速度谱峰值对应的斜直线与回波包络信号的交点的横坐标为超声波换能器与反射物之间的距离，即气液两相流相分界面位置。本发明方法准确性和可靠性较高，能够有效地测得气液两相流相分界面位置，可应用于管道和流体均不透明的情况，不会干扰管道中流体的分布，成本低且无环境危害。

Description

一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法

技术领域

本发明涉及了一种气液界面测量的方法，尤其是涉及了一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法。

背景技术

在目前的气液两相流相分界面位置的测量方法中，光学法、高速摄影法、电阻抗(电导)法以及超声波法应用较为广泛。光学法和高速摄影法都是通过光学元件得到气液两相流内部信息，要求气液两相流(某些情况下包括管壁)具有良好的光学透明特性，这一点极大地限制了此类方法在工业上的应用。射线法通过向介质内部发射由放射性物质产生的射线来探测气液两相流的内部构成，因射线具有直线传播、穿透性好、能量衰减与路径上的介质密度分布有近似线性关系等特点，这类方法往往可以得到较好的测量效果，但射线对操作人员有潜在的危险。电阻抗(电导)法通过一组电极探测两相流内部的电阻抗(或电导率)分布来去确定两相流内部的组分构成，这是一类接触式测量方法，缺点之一是电极可能对介质造成污染或影响两相流原有特性，缺点之二是要求连续相介质必须具有良好的导电性。

超声波法用于气液两相流流量测量有诸多优点：超声波对容器或管道的材质无特殊要求，对介质的导电性、介电常数、透光性无特殊要求，可实现非接触测量，安全性好。

发明内容

为了克服上述方法的不足，本发明提出了一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法，这种方法准确性和可靠性较高。

本发明所采用的技术方案是：

本发明是将一套或者若干套带有收发一体式超声波换能器的超声波收发装置固定安装在装有气液两相流的管道管壁上；超声波换能器向气液两相流中发射超声波脉冲，超声波脉冲遇到反射物在气液两相流的相分界面位置发生反射，回波信号通过二极管峰值包络检波器调制后得到回波包络信号，进而得到回波包络信号图，对回波包络信号图进行处理得到包络信号数据；对包络信号数据采用基二快速傅里叶变换计算方法计算得到速度谱；速度谱上各个峰值连接成一条斜直线，将斜直线与各个回波包络信号的交点的横坐标为超声波换能器与反射物之间的距离，即得到气液两相流相分界面位置。

所述对回波包络信号图进行处理得到包络信号数据具体如下：连接所有回波包络信号的曲线的中间数据点作一条直线作为基准线，以最中间回波包络信号的曲线的中间数据点为旋转中心，将基准线向左或向右旋转固定角度；旋转后的直线与回波包络信号曲线之间的交点处的数据为包络信号数据。

所述的超声波收发装置包括计算机、高密度数字化仪、脉冲发生及接收器、收发一体式超声波换能器，收发一体式超声波换能器依次经脉冲发生及接收器、高密度数字化仪连接到计算机。

所述的若干套超声波收发装置沿同一圆周等间隔固定安装在管道管壁上。

所述的二极管峰值包络检波器包括二极管D、电容C和电阻R，电容C和电阻R并联在输入端和输出端之间，输入端的正极与电容C之间连接有二极管D，电阻R和电容C的取值满足：

f_h＜＜RC＜＜f_c

其中，f_h为二极管峰值包络检波器调制后信号的最高频率，f_c为二极管峰值包络检波器调制载波信号频率。

所述回波信号在二极管峰值包络检波器中采用以下方式进行调制：

u_s(t)＝U_m0(1+m_acosΩt)cosω_ct

其中，Ω和ω_c分别为调制信号和载波信号的角频率，U_m0为输入信号的直流分量，m_a为调制系数，t表示时间。

本发明得到的速度谱如图5的下半部分所示，横轴表示速度，纵轴表示幅度。其中一条斜直线与包络信号产生k个交点，将k个点看成一个信号序列，对其进行基二快速傅里叶变换，得到的基二傅里叶变换结果的初次项系数表示速度谱上的一个数据点，对其他斜率的直线作同样的处理，得到速度谱上的其他数据点，从而得到了速度谱。

本发明具有的有益效果是：

本发明方法对容器或管道的材质无特殊要求，对介质的导电性、介电常数、透光性无特殊要求。

本发明方法是一种非接触式测量方法，它不会干扰管道中流体的分布。

本发明方法与射线法相比，它不会对环境造成危害，并且成本较低，安全性好，能够在工业领域得到广泛的应用。

附图说明

图1是本发明超声波收发装置结构图。

图2是本发明超声波收发过程示意图。

图3是本发明管道截面示意图。

图4是本发明二极管峰值包络检波器原理图。

图5是本发明回波包络信号及速度谱的原理图。

图6是本发明实施例得到的回波包络信号及速度谱的示意图。

具体实施方式

下面介绍一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的具体实例。

本发明方法是将一套或者若干套带有收发一体式超声波换能器的超声波收发装置固定安装在装有气液两相流的管道管壁上；超声波换能器向气液两相流中发射超声波脉冲，反射物一直处于移动状态，超声波脉冲遇到反射物在气液两相流的相分界面位置发生反射，回波信号通过二极管峰值包络检波器调制后得到回波包络信号，进而得到回波包络信号图，对回波包络信号图进行处理得到包络信号数据：回波包络信号图为将各个回波包络信号的曲线以超声波换能器1与反射物之间的距离为横坐标由时间顺序沿纵坐标依次间隔排布上下依次平行排列作图，选取反射物在总飞行时间内移动的距离作为回波包络信号图的横坐标长度；连接所有回波包络信号的曲线的中间数据点作一条直线作为基准线，以最中间回波包络信号的曲线的中间数据点为旋转中心，将基准线向左或向右旋转固定角度，优选的旋转固定角度的范围是0～1°，向左和向右旋转不超过回波包络信号图的左边界和右边界，回波包络信号图中的左边界和右边界均表示超声波脉冲遇到反射物后发生反射的临界位置；旋转后的直线与回波包络信号曲线之间的交点处的数据为包络信号数据，旋转后的直线并未全部画出，仅仅画出了向左和向右各旋转20°后的直线。

对包络信号数据采用基二快速傅里叶变换计算方法计算得到速度谱；速度谱峰值对应的斜直线与回波包络信号的交点的横坐标为超声波换能器与反射物之间的距离，即气液两相流相分界面位置。

超声波收发装置结构图如图1所示，超声波收发装置包括计算机、高密度数字化仪、脉冲发生及接收器、收发一体式超声波换能器，收发一体式超声波换能器依次经脉冲发生及接收器、高密度数字化仪连接到计算机。

超声波的收发过程如图2所示，超声波换能器1、气泡2、液体3、管道4组成超声波收发过程的示意图。超声波换能器1集发射和接收信号于一体。超声波换能器1向管道内部发射超声波，由于在超声波的传播路径中存在反射物，反射物可以是气泡2和容器4壁，也有可能是液体3中的颗粒，所以当超声波在传播的过程中，遇到反射物会产生回波，回波包括：在气泡2与液体3的分界面位置上产生的回波，在管道4的管壁上产生的回波以及由颗粒产生的回波，产生的回波通过超声波换能器1接收。

管道截面示意图如图3所示，若干套超声波收发装置沿同一圆周等间隔均布固定安装在管道管壁上。

超声波收发装置用以下方式安装：取圆管道的某一横截面，将两个半圆形铁箍通过螺丝夹装在管道截面上，将管道和铁箍以间隔角度θ，一起打上与超声波换能器螺纹相匹配的螺孔，将管壁打通，把超声波换能器安装到螺孔中固定。若干套超声波收发装置之间的间隔角度与超声波换能器的数量存在关系，假设超声波换能器数量为n，间隔角度为θ，两者之间满足θ＝360°/n。

二极管峰值包络检波器如图4所示，包括：二极管D、电容C和电阻R，电容C和电阻R并联在输入端和输出端之间，输入端的正极与电容C之间连接二极管D，电阻R和电容C的取值满足：

f_h＜＜RC＜＜f_c

其中，f_h为二极管峰值包络检波器调制后信号的最高频率，f_c为二极管峰值包络检波器调制载波信号频率。

本发明的包络检波原理：u_s为输入信号，u_o为输出信号，二极管D的导通电压为u_D；当u_s>u_D时，二极管D导通，立即对电容C进行充电。由于二极管的正向电阻很小，因此电容C很快被充电到接近输入信号的峰值。电容C上的电压建立起来后，二极管D就形成了反向偏压，这时二极管D的导通与否将由电容C两端的电压u_o与输入信号电压u_s共同决定，只有高频信号的峰值附近的一部分时间内才能导通。

回波信号在二极管峰值包络检波器中采用以下方式进行调制：

u_s(t)＝U_m0(1+m_acosΩt)cosω_ct

其中，Ω和ω_c分别为调制信号和载波信号的角频率，U_m0为输入信号的直流分量，m_a为调制系数，t表示时间。

本发明得到的回波包络图如图5的上半部分图所示，纵轴表示超声波换能器1发射k次脉冲经历的总飞行时间t为：

t＝k*T_prf

其中，k表示脉冲发射次数，T_prf表示脉冲重复周期。

横轴d表示超声波换能器1与反射物之间的距离为：

d＝ct/2

其中，c表示超声波在液体中的传播速度，t表示所有脉冲的总飞行时间。

本发明回波包络信号及速度谱的原理示意图如图5所示，图5中纵坐标代表由下向上依次编号为1，2，…，k的波形为连续k个周期内的回波包络信号且已经数字化，横坐标代表超声波换能器1与反射物之间的距离，沿图中直线与回波包络信号的交点取数据并对得到的数据进行基二快速傅里叶变换，得到的基二傅里叶变换结果的初次项系数表示速度谱上的一个数据点，其他斜率的直线与包络信号的交点作相同的处理，得到速度谱上的其他数据点，所有数据点共同形成了速度谱。在速度谱中，纵坐标表示反射物所产生的回波幅值大小，横坐标表示反射物沿超声换能器轴线方向移动的速度。

本发明采用基二快速傅里叶变换算法获取速度谱，基二快速傅里叶变换算法要求N为2的幂。设一个信号序列x(n)，采样点数为N＝2^M，M是正整数。基二快速傅里叶变换算法的出发点把N点离散傅里叶变换(DFT)运算分解为两组N/2点的DFT运算。基二快速傅里叶变换的表达式为：

式(12)和(13)中，N为采样点数，0≤k≤N-1；G(k)和H(k)可分别看成是序列x(2r)和x(2r+1)的N/2点DFT，r＝0,1,2,…,(N/2-1)；的下标N表示取N点DFT计算，W＝e^-j(2π/N)；e表示复数。

本发明的实施例及其工作过程如下：

脉冲发生及接收器产生电压信号来激励超声波换能器，超声波换能器将电压信号转换成超声波发射到管道内部，当超声波遇到自由上升的气泡时，在气泡与液体的分界面上发生反射，回波信号经超声波换能器转换成电压信号输出至脉冲发生及接收器，由于回波在管道内部发生衰减，转换的电压信号需经过脉冲发生及接收器进行信号放大，然后输出到高密度数字化仪中，高密度数字化仪再对放大后的模拟信号进行数字化处理，经过转换的数字信号被传输至计算机中，利用Labview软件编程来控制数据的采集，利用Matlab软件编程对采集得到的信号进行数据处理，得到回波包络信号图和速度谱。

实施例的回波包络信号图为将八条回波包络信号的曲线以超声波换能器1与反射物之间的距离为横坐标由时间顺序沿纵坐标依次间隔排布上下依次平行排列作图，反射物为气泡，选取反射物在脉冲总飞行时间内移动的距离作为回波包络信号图的横坐标长度，具体长度为2mm；连接所有回波包络信号的曲线的中间数据点作一条直线作为基准线，以最中间回波包络信号的曲线的中间数据点为旋转中心，将基准线向左或向右旋转0.5度，进而得到交点。

具体实施中，高密度数字化仪可选择美国国家仪器公司生产的仪表，其型号为PXI-5105。脉冲发生及接收器可选择一套由Panametric生产的仪表，其模型为5077PR，工作模式选择为脉冲回波模式，脉冲重复频率为2kHz。收发一体式超声换能器的中心频率为8MHz。

通过实验得到的回波包络信号图和速度谱如图6所示，其结果如下表1所示，单位：时间(μs)，气液相分界面位置(mm)：

表1

时间	1	2	3	4	5	6	7	8
									气液相分界面位置	24.45	24.35	24.30	24.20	24.13	24.05	23.95	23.87

由此可见，本发明采用非接触式测量不会干扰管道中流体的分布，并与射线法相比，它不会对环境造成危害，并且成本较低，安全性好，具有突出显著的技术效果。

Claims (6)

1.一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法，其特征是：将一套或者若干套带有收发一体式超声波换能器的超声波收发装置固定安装在装有气液两相流的管道管壁上；超声波换能器向气液两相流中发射超声波脉冲，超声波脉冲遇到反射物在气液两相流的相分界面位置发生反射，回波信号通过二极管峰值包络检波器调制后得到回波包络信号，进而得到回波包络信号图，对回波包络信号图进行处理得到包络信号数据；对包络信号数据采用基二快速傅里叶变换计算方法计算得到速度谱；速度谱上峰值对应的斜直线与各个回波包络信号的交点的横坐标为超声波换能器与反射物之间的距离，即气液两相流相分界面位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法，其特征是：所述对回波包络信号图进行处理得到包络信号数据具体如下：连接所有回波包络信号的曲线的中间数据点作一条直线作为基准线，以最中间回波包络信号的曲线的中间数据点为旋转中心，将基准线向左或向右旋转固定角度；旋转后的直线与回波包络信号曲线之间的交点处的数据为包络信号数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法，其特征是：所述的带有收发一体式超声波换能器的超声波收发装置包括计算机、高密度数字化仪、脉冲发生及接收器、收发一体式超声波换能器，收发一体式超声波换能器依次经脉冲发生及接收器、高密度数字化仪连接到计算机。

4.根据权利要求1所述的一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法，其特征是：所述的若干套超声波收发装置沿同一圆周等间隔固定安装在管道管壁上。

5.根据权利要求1所述的一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法，其特征是：所述的二极管峰值包络检波器包括二极管D、电容C和电阻R，电容C和电阻R并联在输入端和输出端之间，输入端的正极与电容C之间连接有二极管D，电阻R和电容C的取值满足：

f_h＜＜RC＜＜f_c

其中，f_h为二极管峰值包络检波器调制后信号的最高频率，f_c为二极管峰值包络检波器调制载波信号频率。

6.根据权利要求1所述的一种基于速度匹配谱测量气液两相流相分界面位置的方法，其特征是：所述回波信号在二极管峰值包络检波器中采用以下方式进行调制：

u_s(t)＝U_m0(1+m_acosΩt)cosω_ct

其中，Ω和ω_c分别为调制信号和载波信号的角频率，U_m0为输入信号的直流分量，m_a为调制系数，t表示时间。