CN108490069A - 两相流分布参数双模式超声可视化测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两相流分布参数双模式超声可视化测量装置，用于对流经管道被测截面内的两相流体相分布进行重建，包括超声传感器阵列、超声信号发生单元、超声发射单元、超声信号采集与处理单元、数据解调单元、工业总线数据传输单元，图像重建与显示单元；所述的超声传感器阵列由两组超声探头阵列组成，每组阵列由N个超声探头构成并在管道同一截面内沿管壁均匀分布，相邻传感器的夹角相同，每支探头可同时以超声收发模式工作，两组超声探头阵列分别安装于被测管道相距L的两个截面上，即截面1和截面2。

Description

两相流分布参数双模式超声可视化测量装置

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种基于超声波反射透射原理的多相流可视化测试装置，可实现多相流相分布的在线可视化与含率估计。本发明以油水、气液两相流为描述对象，但并不仅限于该应用，在其他工业过程和化学反应中存在的多相流动现象本发明的测量装置仍适用。

技术背景

多相流现象广泛存在于生物工程、油气开采、化工产业、冶金工业、食品加工等现代工程领域与设备中，在工业生产与科学研究中有着十分重要的作用，对其流动过程参数的准确检测对生产过程的监控、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。近年来，由于多相流动机理的复杂性和不确定性，使得流动过程信息的准确获取和分析存在着诸多难题；而对多相流动状态的研究推动了动态流体模型的建立和流动机理的研究，为促进工程设备的发展和创新，提高工业过程的生产效率起到了十分重要的作用。

多相流的测量参数有含率、流量、流型等，由于多相流各相间存在界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上均呈随机变化，特征参数也比单相流多，致使多相流的流动特性远比单相流复杂，难以用数学公式进行完全描述。多相流过程参数检测策略随着工况与对象属性变化，可以利用的物理现象与关系很多，因此检测手段也多种多样。在科学研究与工业应用中，多相流的检测手段需要对被测流体不产生任何扰动，而超声法由于其结构简单、非扰动、造价低而备受关注。

超声检测是一种应用较为广泛的技术，在医学监测、流体测量中有其独特的优势，超声波在流体中传播时不会破坏流体的流场，没有压力损失，且对于人体无害安全性较高。同时若将检测元件置于管道外壁，可以避免与流体直接接触，降低传感器的腐蚀程度。由于超声波在具有不同声阻抗介质中的传播速度不同，可以利用超声在多相流介质中的传播特性获取传播通路上的相介质分布信息，如介质的平均声阻抗或声速等。特别是气相与液相界面处声阻抗的巨大差异，使得超声在气液界面的反射特性极为明显(可达99％)，因此超声对气液分界面有极好的分辨能力。超声层析成像方法可通过安装于管道同一截面处的多个超声收发探头，以非扰动的形式获得被测截面内部不同声阻抗介质的分布信息，如能有效利用超声在多相流中的透射和反射效应，可准确、全面地实现多相流相分布的可视化重建以及分布参数的估计。

发明内容

本发明的目的是提供一种能精确地、非扰动的多相流参数可视化测量装置，利用超声探头对声阻抗变化敏感的测量原理获得油气水多相流声阻抗分布信息，进一步利用图像重建算法对幅值和渡越时间信息进行处理，重建出多相介质分布图像，实现进而估计各相截面相含率以及流型识别的在线识别。

本发明的技术方案如下：

一种两相流分布参数双模式超声可视化测量装置，用于对流经管道被测截面内的两相流体相分布进行重建，包括超声传感器阵列、超声信号发生单元、超声发射单元、超声信号采集与处理单元、数据解调单元、工业总线数据传输单元，图像重建与显示单元；所述的超声传感器阵列由两组超声探头阵列组成，每组阵列由N个超声探头构成并在管道同一截面内沿管壁均匀分布，相邻传感器的夹角相同，每支探头可同时以超声收发模式工作，两组超声探头阵列分别安装于被测管道相距L的两个截面上，即截面1和截面2。截面1内超声探头以与管壁呈θ₁角度的形式安装于管壁上，截面2处的超声探头以与管壁呈θ₂角度的形式安装于管壁上，安装角度θ₁与θ₂应保证截面1内超声探头i，i＝1,2,…,N发射超声的传播路径，经过管道中心后，透射到达截面2处的相对位置处的超声探头j，j＝1,2,…,N，以此方式，可在截面1和截面2的对应超声探头之间形成N对超声透射传播通路，用以获得超声透射信息，并在截面1的发射探头i与截面2的除与发射探头相对位置的探头j以外的其他接收探头间形成交叉的测量空间与超声反射路径，用以获得超声反射信息。

超声信号发生单元包括直接数字合成电路，利用FPGA向直接数字合成电路发送控制数据，从而实现脉冲幅值、频率的程控可调，得到初始信号；在超声发射单元中，初始信号经过滤波与放大环节，以滤掉高频噪声与直流偏置，得到激励信号，高带宽运算放大器电路对激励信号放大至需要的电压值；放大后的信号经过开关切换电路激励选定的超声传感器，通过开关逻辑控制脉冲信号重复频率，并通过控制导通时间确定截面1内每支超声探头发射声波的脉冲数量；逐一选通截面1中的超声探头i，i＝1,2,…,N发射超声波，并通过截面2中的N个超声探头并行采集超声波，每一路超声采集信号经过超声信号采集与处理单元的低噪声放大、可编程增益放大和抗混叠滤波处理后，将模拟信号转化为数字信号，通过高速数据通讯端口输出；将所获数字信号送入数据解调单元，计算出每一采集通路的超声衰减与反射频移信息，截面1内每一探头激励下，截面2可获得一组1×1维超声衰减向量和一组1×N维超声频移向量。当截面1中的超声探头全部依次激励，且截面2中的N个超声探头完成每次激励下的测量后，得到一组1×N维的超声衰减矩阵和一组N×(N-1)的超声频移矩阵，也即完成一幅截面数据扫描。将所述两个测量矩阵通过工业标准总线送往图像重建与显示单元，利用超声衰减数据重建出被测空间内两相介质分布，利用超声频移数据结合超声多普勒原理重建出被测空间内两相介质的流速分布。

本发明的有益效果及优点如下：

1、该装置利用分布在被测管道不同截面位置的超声阵列，分别结合超声衰减与超声频移信息，同时重建出两相流的相分布与流速分布，较已有的超声层析成像技术获得更丰富的两相流分布参数信息。

2、该方法为非接触、侵入的测量手段，不会对流体产生任何的扰动；

3、基于CPCI工业总线系统具备很强的抗震性与抗电磁干扰能力，保证了系统能够在复杂多变的环境中稳定工作；

附图说明

以下图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性图而非穷举或限制性，其中：

图1本发明装置整体结构图；其中，0-来流方向；1-管道；2-装置固定用法兰；3-超声探头组成的超声传感器阵列；4-超声透射反射双模式测量系统；5-图像重建与可视化单元；图1(b)为纵向A-A截面剖视图；

图2本发明装置双截面超声透射与反射路径示意图，其中a，b为超声波传播路径；

图3本发明装置的超声透射反射双模式测量系统结构示意图；

图4本发明装置超声信号发生与信号检测单元结构示意图；

具体实施方式

以下以每截面16超声探头的测量装置为例，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描述了本发明装置的整体结构图，包括被测管段1，一组双截面式超声传感器阵列3，超声透射反射双模式测量系统4，图像重建与显示单元5。超声传感器阵列3由两组以均匀间隔分布在被测管道相距L的两个截面内的超声探头阵列构成，定义其中一个截面为截面1，另一个截面为截面2；所述的超声传感器阵列每一截面共由16支超声探头组成；截面1处的超声探头i以与管壁呈45°角度的形式安装于管壁上，其超声传播路径穿过管道中心后，到达截面2处的相对位置处安装探头j。以此方式，可在截面1和截面2的对应超声探头之间形成N对超声传播通路。在被测管道上以一定的时间周期进行截面1中单探头的循环激励工作，并在每支探头激励后由截面2处的全部探头进行信号接收，组成一套超声透射反射双模式的传感器阵列，且对多相流动过程不造成任何干扰，因此所述的超声传感器阵列在管道任意截面位置并保持相对距离不变的情况下安装不影响测量结果。图1列举了本发明装置传感器布置的一个实例，并非唯一安装结构，实际应用中可根据需求调整安装顺序、阵列组数以及每组阵列探头的数量。图1描述了超声传感器阵列3的标准安装方式，超声传感器阵列3在测量截面1位置处进行单探头的循环激励，在测量截面2位置处采集透射衰减和反射频移信号，经超声透射反射双模式测量系统4后送往图像重建与显示单元5，利用超声衰减数据重建出被测空间内两相介质分布，利用超声频移数据结合超声多普勒原理，结合图像重建算法重建出被测空间内两相介质的流速分布。

本发明装置的超声传感器阵列同一截面内的超声探头尺寸与数目视应用条件可以改变，并可使用不同频率的探头获取不同尺寸液滴与气泡的信息用于重建。

图2描述了超声透射模式下管道中超声波的传播路径，仅以上下截面内的几个典型位置处的超声探头为例说明。安装在被测管段1上的超声传感器阵列3中的一支超声探头发射超声波，由相对的超声探头接收超声波，其中存在a，b两种不同的典型传播路径：

a路径为在超声波的透射路径，由于离散相与连续相的声阻抗不同，会造成透射路径上的超声强度衰减，衰减强度与该通路内的离散相含率相关。

b路径为超声波在连续相与离散相分界面处发生折射的反射路径。该路径为实际多相流测量中的典型路径，到达接收探头的超声信号频移与离散相流速相关。

图中接收超声探头的数量可以任意设置。在每次激励期间，接收截面处所有的超声探头均处于接收状态。发射截面超声探头在每一次发射标准超声波信号后进行工作状态切换。

图3描述了本发明装置的超声透射反射双模式测量系统结构图，包括超声传感器阵列、超声信号发生单元、超声发射单元、超声信号采集与处理单元、数据解调单元、工业总线数据传输单元，图像重建与显示单元，在工业标准总线平台下实现超声透射反射双模式测量信息获取。图像重建与显示单元向超声信号发生单元发送系统设置指令，超声信号发生单元根据系统设置信息生成超声波激励信号，并通过超声发射单元选通激励探头产生超声波，测量截面内的超声探头获得超声信号送入超声信号采集与处理单元，进行处理后数字化，送入解调单元分别提取超声的衰减与频移信息，再通过工业标准总线将数据送入图像重建与显示单元进行相分布和流速分布的重建。

图4描述了本发明装置超声信号发生与信号检测单元结构示意图。系统控制与设置信息由计算机中的图像重建与显示单元产生，并通过CPCI总线经由CPCI桥接电路和PCI接口传送至逻辑控制单元，完成对系统整体工作逻辑和参数进行控制和设定，根据系统设定要求在DDS(直接数字合成)接口和DDS技术模块配合工作下实现激励信号的产生。产生的初始激励信号通过滤波放大环节去除直流偏置和高频干扰，使之成为标准正弦信号。开关通道连接着超声传感器阵列对应的探头，通过逻辑控制单元的通用IO(GPIO)接口按一定规律选通激励/接收探头通道选择模块，使激励信号通过电声转换功能产生超声波，并通过超声探头的通道切换开关实现不同超声探头的激励与测量，获得被测场域内的超声透射与反射信号，并通过模拟前端对测量的信号进行整形、滤波后转换为数字信号，再送入数据解调单元，计算获得各测量通路内的超声的透射衰减与频移信息，之后通过工业标准总线及其驱动接口将解调后的数据送入工控机，利用图像重建算法分别重建出被测空间内相介质分布与介质的流速分布图像。

Claims (1)

1.一种两相流分布参数双模式超声可视化测量装置，用于对流经管道被测截面内的两相流体相分布进行重建，包括超声传感器阵列、超声信号发生单元、超声发射单元、超声信号采集与处理单元、数据解调单元、工业总线数据传输单元，图像重建与显示单元；所述的超声传感器阵列由两组超声探头阵列组成，每组阵列由N个超声探头构成并在管道同一截面内沿管壁均匀分布，相邻传感器的夹角相同，每支探头可同时以超声收发模式工作，两组超声探头阵列分别安装于被测管道相距L的两个截面上，即截面1和截面2。截面1内超声探头以与管壁呈θ₁角度的形式安装于管壁上，截面2处的超声探头以与管壁呈θ₂角度的形式安装于管壁上，安装角度θ₁与θ₂应保证截面1内超声探头i，i＝1,2,…,N发射超声的传播路径，经过管道中心后，透射到达截面2处的相对位置处的超声探头j，j＝1,2,…,N，以此方式，可在截面1和截面2的对应超声探头之间形成N对超声透射传播通路，用以获得超声透射信息，并在截面1的发射探头i与截面2的除与发射探头相对位置的探头j以外的其他接收探头间形成交叉的测量空间与超声反射路径，用以获得超声反射信息；超声信号发生单元包括直接数字合成电路，利用FPGA向直接数字合成电路发送控制数据，从而实现脉冲幅值、频率的程控可调，得到初始信号；在超声发射单元中，初始信号经过滤波与放大环节，以滤掉高频噪声与直流偏置，得到激励信号，高带宽运算放大器电路对激励信号放大至需要的电压值；放大后的信号经过开关切换电路激励选定的超声传感器，通过开关逻辑控制脉冲信号重复频率，并通过控制导通时间确定截面1内每支超声探头发射声波的脉冲数量；逐一选通截面1中的超声探头i，i＝1,2,…,N发射超声波，并通过截面2中的N个超声探头并行采集超声波，每一路超声采集信号经过超声信号采集与处理单元的低噪声放大、可编程增益放大和抗混叠滤波处理后，将模拟信号转化为数字信号，通过高速数据通讯端口输出；将所获数字信号送入数据解调单元，计算出每一采集通路的超声衰减与反射频移信息，截面1内每一探头激励下，截面2可获得一组1×1维超声衰减向量和一组1×N维超声频移向量。当截面1中的超声探头全部依次激励，且截面2中的N个超声探头完成每次激励下的测量后，得到一组1×N维的超声衰减矩阵和一组N×(N-1)的超声频移矩阵，也即完成一幅截面数据扫描。将所述两个测量矩阵通过工业标准总线送往图像重建与显示单元，利用超声衰减数据重建出被测空间内。