CN107607158A - 声学法测量管内轴向流速分布及流量的系统 - Google Patents

Abstract

本发明采用声波传感器组测量管道内轴向流速沿横断面的分布和总体流量。主要仪器硬件包括测量所需要的沿轴向相隔一定距离的两横断面上布置的声波传感器，每组包括四个至八个声波传感器，两个断面上声波传感器数目相等；要求两端面间为直管，流场相对稳定。每个声波传感器具有收发一体功能；各声传感器依次发射脉冲声信号，并由其它各传感器接收；同一横断面上的各传感器之间不相互接受声波信号，另外，不计两断面间近似贴壁传播的声路径。基于此，传感器之间共形成12条有效声路径。管内轴向速度场重建算法采用高斯基函数函数法，本测量方法不受介质温度和颗粒、液雾等的影响。

Description

声学法测量管内轴向流速分布及流量的系统

技术领域

本专利属于管道内流体技术领域，涉及一种声波时差法检测流体流速分布及流量的装置。

背景技术

声波流速及流量测量装置原理：声波在流体介质中传播时会带有流体流动的信息：声速与流速直接叠加，它具有非接触式、精度高、且成本较低、安装维护方便等特点。目前声波流量检测装置大致可分为时差法、频差法、波束偏移法、多普勒法等类型，而在众多声波流量检测方法中，时差法基于其自身特点，属于应用最广泛的检测方法。

声波在管道流体介质中传播时，会携带流体流动的信息。具体为，声传播速度与介质流速为线性矢量叠加关系，即声波传播方向与流体流动方向一致时，声波传播速度增大，在传播距离一定时，传播时间将会缩小；而当声波在流体介质中传播的方向与流体流动方向相反时，声波在此介质中的实际传播速度相当于声波在此流体介质静止时的传播速度与流体流动速度的差值，实际传播速度减小，传播时间将会增加。声波时差法就是根据测量声波在流体介质中顺流传播的时间与逆流传播的时间，得到相应的时间差，其中几乎去掉了声速的因素而保留了介质流速的因素。这样由穿过流场交错分布的若干声传播路径的相对方向传播时间数据，即可通过一定算法重建相应流场分布，进而求出管道流体流量。本测量方法不受均匀分布的介质温度和颗粒、液雾等的影响。

此方法选取测量管段流体流动相对稳定，要求在该区间内各处横断面上轴向速度分布近似相同。在得到测量区间内断面上流速分布的基础上，通过面积分计算即可得到测量管段的流体流量。对于流场重建过程来说，环境因素如温度、流体成分不均匀等都会对重建流场具有一定的影响。因这些因素均会造成介质中传播的声波的变化，进而形成一定的声波路径弯曲，所以该方法要求这些因素对应参数分布相对均匀，以确保测量的准确性。

发明内容

本专利用于解决管道流体轴向流速分布和流量的测量重建，例如锅炉尾部烟气管道等工业管道中烟气速度和流量的测量。

将两组声波传感器分别均匀布置在管道上下游断面，两个断面上的声波传感器数目相等，各4~8个，且两两对应，图1中给出4×2个声波传感器的声波法测量系统；不计同一断面间传播及断面间同侧对应传感器间的传播，共构成12条有效声波传播路径。

其中，每一个声波传感器兼具声波信号收发功能，作为声波发射装置发射声波信号时，其它各传感器作为声波接收装置，用于接收声波信号。

其中，测出声波信号沿图1所示各有效路径上相对方向的传播所用的时间。基于该所测量的声传播时间，采用所开发的轴向流场重建算法计算得到测量管段的断面轴向速度分布。

其中，由上一步测量计算得到的断面轴向速度分布，通过积分计算得到管内流量。

其中，测量管道属于轴向管道，圆柱形状。声波收发传感器安装在所测轴向管道外侧管壁的上、下游声波测量断面。

附图说明

图1是一种声学法测量管内轴向流速分布及流量的系统装置示意图。

图2是一种声学法测量管内轴向流速分布及流量的系统端面示意图。

具体实施方式

本专利提供的基于声波时差法测量轴向管道内流体轴向速度分布流量的测量方法具体实施步骤包括将声波传感器布置在需要测量的管道截面上，分为两组，每组4个收发传感器，等间隔布置在管道上下截面外侧管壁。

上游断面/下游断面的各传感器作为发射端，依次发射声波信号；上游断面/下游断面上的传感器做为接收端，用于接收声波信号。分别测量12条声道上的声波传播时间t _aj ，其中j为1，2，3，…，12。

改变步骤2中声波传感器的收发状态，上游/下游断面传感器接收，下游/上游断面传感器发射。分别测得对应12条声道上的声波传播时间 t _bj ，其中j为1，2，3，…，12。

根据步骤2和3测得的顺、逆流传播时间，通过下一步的算法求得断面轴向流速分布。

根据公式 ，，可重建流体流速分布，得到流体轴向流速分布v(x, y)。其中L _j 表示每条声道传播路径，表示二维高斯基函数，，其中。为静止介质中的声速，由公式决定。

由管道流体轴向流速分布沿管道截面积分可得到所测管道流体流量，即。

Claims (8)

1.声波时差法测量轴向流速分布及流体流量的系统主要包括4×2~8×2个声波传感器、数据采集卡一个和数模转换卡一个，以及用于对声信号处理的算法软件和断面轴向声速重建算法软件。

2.根据权利1所述的测量装置中，声波传感器分为数量相等的两组，每组有4~8个，两组传感器装置分别均匀布置在待测管道上下游的两个截面上；两个布置声波传感器的断面设置于内部流场相对稳定的管段，相互离开尽可能大的距离，且均垂直于待测管道轴线，管段内不同位置垂直于轴向的断面上的流场趋势近似相同。

3.根据权利1、2所述的测量装置中，声波传感器轴线大致对准于另一测量截面的中心；声波传感器为收发一体，可以用来发射声波，也可用来接收声波；通过交替发射与接收声波来测量顺流与逆流传播时间，得到顺逆流传播时间差。

4.根据权利1所述的测量装置，待测管内温度、压力、流体组分等参数均保持相对稳定，且对本测量方法不产生影响；测量出图1所示各有效声波传播路径上相对两方向的传播时间，作为场内横断面内轴向速度分布测量重建的测量数据。

5.根据权利1所述的测量装置，管内轴向速度沿横断面分布的重建算法只考虑与管道呈锐角的声波路径，不考虑同一断面内传感器间的声波路径，不考虑两断面间对应两传感器其连线与管轴夹角小于10°的声波路径，这样对于每个断面4个声波传感器的系统，所形成的有效路径为12个。

6.根据权利1所述的测量装置，软件算法包括四个部分：1）声波信号的产生和接收端的有效去噪和辨识，2）各路径相对方向声传播时间的计算，3）轴向速度场的重建，得到两测量断面间平均的断面轴向速度分布，4）通过断面内速度场的积分计算断面的流量。

7.根据权利1和6所述的测量装置，声波信号采用编程实现，通过数模转换器产生出声波信号，并由声波传感器发出。

8.根据权利1和6所述的测量装置，断面内轴向速度分量场重建采用高斯基函数序列展开方法，求解基函数系数进而得到连续的轴向速度分量场分布。