CN107102166B - 超声多普勒多相流流速分布检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声多普勒多相流流速分布检测设备，用于对被测管道内流体的截面流速分布进行测量，包括超声传感器阵列和超声信号发生与检测单元，超声传感器阵列由多个均匀分布在被测管道同一截面位置的超声探头构成，超声探头由两个带声楔的超声换能器构成，两者中间放置隔声层隔声，其中一个作为超声发射换能器，固定在与管道轴向平行的透声楔块表面，一个作为超声接收换能器，固定在倾斜于管道轴向的透声楔块表面；测量时，按一定顺序依次激励超声探头中的发射换能器，在每次激励下所有接收换能器同时接收超声回波信号，在同一截面多方向激励下获得被测管道内流体流速的多方向合成超声多普勒频移投影信息。
Description
技术领域
本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种以超声多普勒效应为工作原理的多相流流速分布检测设备。
技术背景
多相流中的相定义为物质的存在形式，即气态、液态或固态，通常指同时存在两种或两种以上物质的流动。多相流广泛存在于工业生产与日常生活中，例如核能、油气开采与传输、化工、制冷、医药、食品等现代工程领域与设备中，对多相流动特征的深刻理解对生产过程的监控、管理、分析与设计，以及确保装置可靠运行、提高生产效率具有十分重要的意义。由于多相流动机理的复杂性和不确定性，使得对其流动过程信息的准确获取和分析十分困难，而多相流流动过程参数的准确检测对推动流体力学理论的研究、动态流体模型的建立和流动机理的研究，促进工业设备的发展以及提高工业过程的生产效率，加强工业过程的安全都起到了重要作用。
多相流的测量参数有含率、流速、流型等，由于多相流流动总是伴随着相间的质量、动量以及热量的传递，与单相流相比多相流的待测参数多、流动过程复杂，难以用数学公式完全描述，因而给测量带来困难。近几十年来，在多相流流动参数的测量问题上，国内外许多学者开展了大量的理论与实验研究，提出了许多检测方式，按测量方法可分为侵入式与非侵入式技术；按测量原理可分为电学法、射线法、超声法、核磁共振法和微波法等。
流体速度场作为描述多相流流动特征的基本物理量，它的精确测量具有尤为重要的意义。超声波检测方法由于其非侵入、成本低、易于实现、对流体透光性无要求等特点已经被广泛应用于流体测量中。基于超声波的流速测量技术主要是利用流速对超声信号的传播时间或频率的调制作用，即时差法和多普勒法。超声时差法基于超声沿流体顺逆两个方向传播时速度不同而引起的时差来计算流体沿声道上的线平均速度，通过获得较多条声道上的线平均速度，并使用层析成像等方式实现管道轴向的二维流场分布，缺点是需要使用较多的超声传感器与测量数据(双向的)实现流速分布测量，且安装角度与上下游传感器的对准都影响了结果的准确性。超声多普勒方法近几十年以来开始应用于多相流的流速测量，它是基于超声波在流体中运动的散射体上形成的多普勒效应而获得散射体的真实流动速度，物理意义明确。超声多普勒测速方法分为连续波超声多普勒和脉冲波超声多普勒，目前，大多数情况下基于连续波超声多普勒获得的是测量区域的平均散射体流动速度，而基于脉冲波超声多普勒如UVP(ultrasonic velocity profile)方法可获得超声测量线上的一维速度分布。目前对于多相流二维流速分布重建问题，目前仍缺乏有效、直观的手段。
发明内容
本发明提供一种基于超声多普勒效应的多相流流速分布检测设备。本发明在对多相流动状态不产生扰动的前提下，对超声传感器阵列采用逐次激励与并行测量方式，在同一截面多方向激励下检测被测管道内流体流速的多方向合成超声多普勒频移投影信息。利用本发明的分布检测设备所采集的超声多普勒频移投影信息，可以进一步下面的处理：利用频谱分析结合分布参数反演算法重建流体在被测截面内的流速分布，实现多相流截面流速分布的可视化重建。
本发明的技术方案如下：
一种超声多普勒多相流流速分布检测设备，用于对被测管道内流体的截面流速分布进行测量，包括超声传感器阵列和超声信号发生与检测单元，其特征在于，超声传感器阵列由多个均匀分布在被测管道同一截面位置的超声探头构成，所述超声探头由两个带声楔的超声换能器构成，两者中间放置隔声层隔声，其中一个作为超声发射换能器，固定在与管道轴向平行的透声楔块表面，一个作为超声接收换能器，固定在倾斜于管道轴向的透声楔块表面，超声接收换能器与管道轴向夹角在30°到60°的区间范围，夹角的取值和超声探头数量的选取使得完整测量场Ω0沿管道轴向的二维投影平面为管道内的整个横截面区域；测量时，按一定顺序依次激励超声探头中的发射换能器，在每次激励下所有接收换能器同时接收超声回波信号，在同一截面多方向激励下获得被测管道内流体流速的多方向合成超声多普勒频移投影信息。
本发明的有益效果及优点如下：
1、作为非侵入式的测量方式，对流场不产生扰动和破坏；
2、测量速度快，成本低；
3、结构简单；
4、所采集的超声多普勒频移投影信息，可以进一步下面的处理：利用频谱分析结合分布参数反演算法重建流体在被测截面内的流速分布，实现多相流截面流速分布的可视化重建。
附图说明
以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：
图1本发明设备整体结构示意图：其中，0-来流方向；1-管道；2-装置固定用法兰；3-由超声探头组成的超声传感器阵列；4-超声信号发生与检测单元；5-超声多普勒信号分析单元；6-流体速度场重建单元；7-输出与显示单元。
图2本发明设备超声探头结构示意图，3-1超声探头中超声发射换能器，3-2为超声探头中超声接收换能器，3-3为透声楔块，3-4为隔声层，3-5为吸声材料，3-6为外壳；3-7为接插座。
图3本发明设备超声探头中接收换能器接收的超声回波路径示意图及多普勒频率计算过程：其中，3-2为超声接收换能器，3-3为透声楔块，A透声楔块的入射表面，θ为入射到透声楔块的超声波与管道轴向夹角，v是散射体沿管道轴向运动速度，φ是超声入射角，φ1是折射角，c为流体混合声速，c1为透声楔块声速。
图4本发明设备超声测量场示意图，图4(a)中区域8为超声探头3的发射换能器3-1和接收换能器3-2在流场中构成的超声局部测量区域；图4(b)中9为超声局部测量场沿管道轴向投影平面示意图；图4(c)中10为超声完整测量场的投影平面即被测截面示意图，D为管道内径。
图5本发明设备超声传感器阵列结构示意图，其中图5(a)为超声传感器阵列结构侧视图，包括被测管道1，安装于管道截面处的超声传感器阵列3；图5(b)超声传感器阵列纵向B-B截面剖视图；图5(c)超声传感器阵列横向A-A截面剖视图。
图6本发明设备超声信号发生与信号检测单元结构示意图。
具体实施方式
以下详细描述制造和操作本发明的步骤，旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。
下面结合说明书附图详细说明本发明的实施例。
图1描述了本发明设备整体结构示意图，包括被测管道1，装置固定用法兰2，超声传感器阵列3和超声信号发生与检测单元4，超声多普勒信号分析单元5，流体速度场重建单元6和输出与显示单元7。超声传感器阵列由多组超声探头构成，每组超声探头包括一个超声发射换能器和一个超声接收换能器，超声探头均匀的分布在被测管道的同一截面位置，以超声多普勒方式工作，在同一截面多方向激励下获得被测管道内流体流速的多方向合成超声多普勒频移投影信息，测量过程不对多相流动过程产生扰动和破坏。
当被测多相流从来流方向0进入到被测管道1时，超声传感器阵列3通过超声信号发生与检测单元4获得被测流体的多方向合成多普勒频移信息，经过超声多普勒信号分析单元5对合成多普勒频移投影信号进行分析与处理，在流体速度场重建单元6中使用分布参数反演算法重建流体在被测截面内的速度分布，并通过输出与显示单元7显示重建的流体截面速度分布图。所述超声信号发生与检测单元4包括计算中心、总线、逻辑控制单元、激励发生单元、多路MOSFET驱动与切换单元、超声发射换能器阵列、超声接收换能器阵列、多路信号放大单元、参考信号发生单元、多路信号解调与滤波单元以及多路A/D变换单元。逐次激励各个超声探头中发射换能器发射超声波，同时所有探头中的接收换能器接收各路回波信号，沿被测管道同一截面激励与测量一周，获得的多方向合成多普勒频移投影信号与相应局部测量场内所有散射体的运动速度相关，所述合成多普勒频移投影信号通过换能器的压电效应转换为电信号，并经过A/D转换器阵列转换为数字信号，通过总线传输到计算中心，在流体速度场重建单元6中使用分布参数反演算法重建流体截面速度分布场，并通过输出与显示单元7显示流体截面速度分布图。
图2描述了本发明设备超声探头结构示意图，3-1超声探头中超声发射换能器，3-2为超声探头中超声接收换能器，3-3为透声楔块，3-4为隔声层，3-5为吸声材料，3-6为外壳；3-7为接插座。每个超声探头中包括一个超声发射换能器和一个接收超声发射换能器，分别固定在两个透声楔块3-3表面，两者中间放置隔声层3-4隔声。超声发射换能器3-1的压电晶片通过逆压电效应发射超声波，超声接收换能器3-2的压电晶片通过正压电效应接收超声波，并且两个换能器全周期或半周期均可激发。接插座3-7连接两个压电晶片电极以及外部配套的插头连线。
图3描述本发明设备超声探头中接收换能器接收的超声回波路径示意图及多普勒频率计算过程：其中，3-2为超声接收换能器，3-3为透声楔块，A为透声楔块的入射表面，v是散射体沿管道轴向运动速度及方向，θ为入射到透声楔块中的超声回波与管道轴向夹角，φ是超声入射角，φ1是折射角，c为流体混合声速，c1为透声楔块声速。
若超声探头无透声楔块，则接收换能器接收的多普勒频移可表示为 会受到流体混合声速c的影响，因此需进行流体声速变化的补偿。按图3在超声探头中加入透声楔块3-3，超声回波经过透声楔块A面入射到接收换能器，可以消除液体声速变化的影响，得到与流体混合声速c无关的多普勒频移fd：根据Snell定律以及sinφ＝cosθ，可以得到多普勒频移与散射体的运动速度成正比，由于超声回波入射角φ1是固定的，c1是楔块的声速，与流体的声速变化相比小得多，实际应用中可以忽略，此方式得到的多普勒频移fd不再受流体混合声速c的影响，减少了多普勒频移的测量误差。
图4描述了本发明设备超声测量场示意图，图4(a)中8为超声探头3中的发射换能器3-1的发射声束与接收换能器3-2的接收声束在流场中构成的超声局部测量场，其中D为管道内径；图4(b)中9为超声局部测量场8沿管道轴向的二维投影平面。如图4(c)所示，超声传感器阵列中所有发射与接收换能器在管道内形成的局部测量场的并集为超声完整测量场，其沿管道轴向的二维投影平面为管道内的整个横截面区域即，被测截面10。
图5描述了本发明设备超声传感器阵列结构示意图，其中图5(a)为超声传感器阵列结构侧视图，包括被测管道1，安装于管道同一截面处的超声传感器阵列3；图5(b)为超声传感器阵列纵向B-B截面剖视图；图5(c)为超声传感器阵列横向A-A截面剖视图。超声传感器阵列3由多组超声探头构成，超声探头均匀分布在被测管道1的同一截面上，探头数量和换能器的尺寸视应用条件而改变，与管道大小和超声收发换能器声束大小相关，以使超声完整测量场沿管道轴向的二维投影平面为管道内的整个横截面区域为依据。
在传感器阵列中，激励超声探头3中的发射换能器3-1产生超声波，其远场声束沿垂直于管道轴向方向发射到被测管道内形成超声敏感场，流经该超声敏感场的所有运动散射体将超声波向四周散射，超声探头3中接收换能器3-2接收其局部测量场8内所有散射体产生的合成超声回波，根据多普勒效应，发射声波和接收声波的频率差，即多普勒频移，与散射体流速成正比，因此得到该局部测量场8内由各散射体流速产生的合成多普勒频移投影信息。在该发射换能器3-1激励下，所有接收换能器同时接收各自局部测量场中运动散射体产生的合成多普勒频移投影信息，由此得到沿被测管道截面该激励方向所对应的多个局部测量场内流体流速的多路合成多普勒频移投影信息。同理，激励另一个发射换能器，所有接收换能器同时接收超声回波，得到这个激励方向所对应的多个局部测量场内流体流速的多路合成多普勒频移投影信息。如此，沿被测管道同一截面按顺序激励N个超声探头的发射换能器一周，在每次激励下N个接收换能器并行接收超声回波，可得到N个激励方向所对应的N个局部测量场内流体流速的N×N合成多普勒频移投影信息。由于N个激励方向对应的全部局部测量场的集合为完整测量场，且完整测量场沿管道轴向的投影平面为管道的整个横截面即，被测截面10，根据流体连续性定理，完整测量场内的流体流速分布可等效为被测截面10上的流速分布，因此，对超声传感器阵列采用逐次激励与并行测量方式获得N×N多方向合成多普勒频移投影信息，并进一步结合频谱分析与分布参数反演算法可重建流体在被测截面上的流速分布。
图6描述了本发明设备超声信号发生与信号检测单元结构示意图，包括计算中心、总线、逻辑控制单元、激励发生单元、多路MOSFET驱动与切换单元、超声发射换能器阵列、超声接收换能器阵列、多路信号放大单元、参考信号发生单元、多路信号解调与滤波单元以及多路A/D变换单元。系统的控制与参数设置等信息由计算机通过总线传输至系统逻辑控制单元，并通过系统逻辑控制单元对系统整体时序逻辑和参数进行设置，根据系统要求在激励信号发生单元实现激励信号的产生，通过逻辑控制单元设置多路MOSFET驱动与切换单元选通超声换能器阵列中超声探头的发射换能器，根据电声转换作用，压电晶片经过激励信号产生超声波，并发射到被测流体中。通过多路信号放大单元将各路超声回波信号放大后，送入多路信号解调与滤波单元；系统逻辑控制单元按要求控制参考信号发生单元产生参考信号，在多路信号解调与滤波单元中，将参考信号与各路超声回波信号进行混频解调，经过滤波处理得到多路合成多普勒频移信息，并经过A/D转换器阵列转换为数字信号，通过总线传输到计算中心。
本发明设备的超声多普勒多相流流速分布检测设备信号发生与采集步骤如下：
1、在超声信号发生与信号检测单元4的控制下采用逐次激励并行采集的方法对被测管道流场进行测量。首先经过逻辑控制单元的控制，激励发生单元产生信号激励第一个超声探头中的发射换能器，同时每个超声探头中的接收换能器接收超声回波信号；
2、将各路接收换能器接收的超声回波信号进行放大并经过多路信号解调与滤波单元等处理后得到的多路合成多普勒频移投影信号上传并记录到计算机中；其中每路的合成多普勒频移投影信号对应各自局部测量场内的流速分布信息；
3、按步骤1和2，经过逻辑控制单元的控制，按一定顺序依次激励其余超声探头中的发射换能器，在每次激励下所有接收换能器同时接收超声回波信号，并将处理后的多路合成多普勒频移投影信号上传并记录到计算机中。
通过上述步骤，可得到与超声完整测量场内流速分布信息相对应的多方向合成多普勒频移投影信号。综上，对超声传感器阵列采用逐次激励与并行测量方式，可在同一截面多方向激励下获得被测管道内流体流速的多方向合成超声多普勒频移投影信息，根据流体连续性定理，超声完整测量场内的流体流速分布可等效为被测截面内的流速分布，因此可进一步对检测数据进行频谱分析并结合分布参数反演算法重建流体在被测截面内的流速分布。
Claims (1)
1.一种超声多普勒多相流流速分布检测设备，用于对被测管道内流体的截面流速分布进行测量，包括超声传感器阵列和超声信号发生与检测单元，其特征在于，超声传感器阵列由多个均匀分布在被测管道同一截面位置的超声探头构成，所述超声探头由两个带声楔的超声换能器构成，以超声多普勒方式工作，两者中间放置隔声层隔声，其中一个作为超声发射换能器，固定在与管道轴向平行的透声楔块表面，将其远场声束沿垂直于管道轴向方向发射到被测管道内形成超声敏感场，一个作为超声接收换能器，固定在倾斜于管道轴向的透声楔块表面，接收超声回波信号；所述超声探头中发射换能器的发射声束与接收换能器的接收声束在流场中构成超声局部测量场，接收换能器接收其局部测量场内所有散射体产生的合成超声回波，获得局部测量场内由各散射体流速产生的合成多普勒频移投影信息；测量时，按一定顺序依次激励超声探头中的发射换能器，在每次激励下所有接收换能器同时接收超声回波信号，在同一截面多方向激励下获得被测管道内流体流速的多方向合成超声多普勒频移投影信息；所述超声传感器阵列中所有发射与接收换能器在管道内形成的局部测量场的并集为超声完整测量场；所述超声传感器阵列的超声接收换能器与管道轴向夹角在30°到60°的区间范围，接收换能器夹角的取值和超声探头数量、换能器尺寸的选取使得完整测量场沿管道轴向的二维投影平面为管道内的整个横截面区域；所述完整测量场内的流体流速分布可等效为被测截面上的流速分布，超声信号发生与检测单元获得的被测流体多方向合成多普勒频移信息经过超声多普勒信号分析单元，流体速度场重建单元和输出与显示单元得到流体截面速度分布图，实现多相流截面流速分布的可视化重建。
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