CN109059815B - 一种基于超声测量气液两相流液膜厚度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声准确测量气液两相流液膜厚度的方法，步骤如下：利用超声换能器实验采样获得超声反射波和入射波，对两者进行快速傅里叶变换(FFT)得到频域信号，获得频域内的反射系数频谱图；将步骤一中的反射系数频谱图再做快速傅里叶变换FFT，得到反射系数频谱图波形主频对应的点数K，得到点数K对应的频率，即反射系数频谱图的主频Δf，求得液膜厚度；求得工况下的平均液膜厚度。

Description

一种基于超声测量气液两相流液膜厚度的方法
技术领域
本发明属于流量测量技术领域。
背景技术
气液流动是两相流中最常见的一种流动形态，也是工程领域需要研究和处理的最重要的多相流动之一。分层流和环状流是其中较重要的流型，由于这两种流型存在很宽的气、液流速范围，因而普遍存在于各种气液混输管路工业过程中，其液膜厚度作为重要特征参数之一，已成为科学与工程界一个十分活跃的研究领域。目前，常用的测量气液两相流液膜厚度的方法有电导探针法、光学法等，但是这些方法均存在一定的局限性，例如电导探针法对流场有一定干扰且仅适用于非导电的管道，而光学法要求实验管道必须是完全透明且对实验现场要求严格，导致其只能局限在实验室研究阶段。
相比以上液膜厚度测量方法，超声波测量方法具有传播距离大，穿透性强，对待检测结构要求低，受检测环境影响小等优点。国内外学者利用超声回波法测得的气液两相流膜厚大部分都是基于1mm以上膜厚的分层流，甚至更厚，而测量更薄液膜时，液膜两个表面的超声反射回波将会叠加在一起，从时域波形无法获得超声波通过液体层两侧界面的传播时间，因此无法实现利用脉冲反射法测量液膜厚度，所以利用超声测量气液环状流液膜厚度的方法和实验很少。而在多层介质机械设备的油膜测量中，国内外学者针对脉冲回波法的缺陷，提出了基于超声波反射系数的弹簧法和薄膜谐振法[1]，来测量微米级的油膜厚度，但是该方法仅适用于油膜两侧界面无波动，液体较稳定的情况。而管道中气液两相流界面波随时间变化较大，信噪比较小，已有方法不能直接用来解决准确测量气液两相流液膜厚度的问题。
[1]T Reddyhoff,S Kasolang,R S Dwyer-Joyce,et al.The phase shift ofanultrasonic pulse at an oil layer and determination offilm thickness[J].Proceedings ofthe Institution ofMechanical Engineers.PartJ:JournalofEngineeringTribology,2005,219(6),387-400.
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于气液两相流液膜厚度的超声准确测量方法，可以达到超声测量气液两相流微米级液膜厚度，提高超声流量计测量精度的目的。技术方案如下：
一种超声准确测量气液两相流液膜厚度的方法，步骤如下：
步骤一：利用超声换能器实验采样获得超声反射波和入射波，对两者进行快速傅里叶变换(FFT)得到频域信号，获得频域内的反射系数频谱图。
步骤二：将步骤一中的反射系数频谱图再做快速傅里叶变换FFT，得到反射系数频谱图波形主频对应的点数K，得到点数K对应的频率，即反射系数频谱图的主频Δf，带入下列液膜厚度计算公式，求得液膜厚度：
Figure BDA0001724687120000021
式中，fs为时域信号的采样频率，c2为介质声速；
步骤三：求得工况下的平均液膜厚度。
回波谐振主频法在经典的薄膜谐振法的反射系数频谱图上又进行了第二次FFT，解决了由多次回波、噪声以及液膜波动引起的半谐振频率fm和阶数m难以确定的问题，保证了液膜厚度求解的准确性。
附图说明
图1二维液膜厚度检测结构仿真模型
图2液膜超声检测装置示意图
图3反射系数频谱图(h＝0.4mm)
图4有机玻璃-空气界面反射信号
图5有机玻璃-水-空气界面的反射信号
图6反射系数频谱图
具体实施方式
以下将以前述实流实验获得的超声接收信号为目标对象，结合技术方案中的步骤方法，给出各步的参数设置和实施方法：
步骤一：实验测试视窗采用有机玻璃材料，厚度为18mm，视窗外壁削平，内径为50mm。实验采用SIUI 5Z6N超声压电换能器发射接收信号，实际测量其带宽范围为2.822MHz-4.539MHz，中心频率为3.68MHz。脉冲收发器采用Olympus 5077型号，其发射频率设置为500Hz。数字采集卡采用阿尔泰PCI8512型号，其采样频率fs设置为80MHz，采样时间为3s。
薄膜谐振法的原理为在多层介质的反射系数频谱图，找到反射系数幅值极小值点对应的谐振频率，然后利用谐振频率和液膜厚度关系式，便能求出液膜厚度。机械设备中三层介质为钢-油-钢，测试视窗为有机玻璃材料，所以三层介质为有机玻璃-水-空气。各介质的声学参数如表1所示。
表1各介质声学特性
Figure BDA0001724687120000022
Figure BDA0001724687120000031
薄膜谐振法的反射系数为反射波幅值与入射波幅值的比值，假设入射波幅值At1＝1，则反射系数R在数值上等于反射波幅值Ar1，如下所示：
Figure BDA0001724687120000032
式中，Zi、ci、Ati、Ari(i＝1～3)分别表示介质1～3的声阻抗、声速、入射波幅值、反射波幅值，ω为声波角频率，h为液膜厚度。则反射系数频谱图如图3所示。
由图3可知，两种情况下的第一阶谐振频率均为1.85MHz，第一阶半谐振频率均为0.925MHz，但三层介质为钢-油-钢的情况下，谐振频率处的反射系数为极小值，由谐振频率的定义可得：
Figure BDA0001724687120000037
而三层介质为有机玻璃-水-空气的情况下，半谐振频率处的反射系数为极小值，由半谐振的含义可得：
Figure BDA0001724687120000033
即
Figure BDA0001724687120000034
其中，fm和m分别为半谐振频率和阶数。所以当中间层介质声速c2已知时，便可以利用薄膜谐振法的原理求得中间层介质的厚度h，如式5所示。
Figure BDA0001724687120000035
值得注意的是，利用薄膜谐振法测量液膜厚度时，超声反射系数是通过反射波幅值和入射波幅值之比来计算的，在实验中，入射波一般很难直接获得，而有机玻璃和空气的声阻抗相差非常大，导致超声波在两者界面处几乎发生全反射，即Rref≈1。因此可以将有机玻璃-空气界面的反射信号作为求解反射系数的入射信号即参考信号，如式6所示。
Figure BDA0001724687120000036
其中，At1(f)和Ar1(f)分别为入射波和反射波幅值，A(f)和Aref(f)分别是相同频率的入射波下，换能器所接收到的有机玻璃-水-空气和有机玻璃-空气介质中反射波幅值。
步骤二：根据步骤一分别将时域内有机玻璃-空气界面反射信号(如图4所示)以及有机玻璃-水-空气界面的反射信号(如图5所示)进行快速傅里叶变换(FFT)得到频域反射信号Aref(f)和A(f)，带入(6)式，便可以得到反射系数频谱图，如图6所示。可以看出，在超声探头频带范围内，反射系数频谱图中除了有机玻璃-水-空气界面的反射信号以外，还存在许多纹波，这是由于多次回波和噪声的干扰所引起，加上液膜厚度随时间快速波动等特点，导致反射系数幅值的极小值点对应的半谐振频率fm以及阶数m难以确定。因此在利用经典的薄膜谐振的同时，并对其进行了改进，提出了回波谐振主频法。
将Δf＝fm+1-fm代入式(5)，得到式(7)，如下所示。
Figure BDA0001724687120000041
为了求得Δf，将反射系数频谱图进行FFT，由于反射系数频谱图已经是频域信号，故将频域信号做FFT变化做了公式推导，具体过程如下：
将图6反射系数频谱图的横轴频率刻度freq转换成信号点数n(n＝0,1,…,N-1)，如式(8)所示，即得到时域信号xn，然后消除直流分量xD得到x(n)，如式(9)所示。
Figure BDA0001724687120000042
Figure BDA0001724687120000043
其中xD为时域信号xn的平均值。然后将该时域信号x(n)进行FFT转换成频域信号X(k)，如式(10)所示，
Figure BDA0001724687120000044
其中，k,n＝0,1,…,N-1。此时可以求得频域图峰值X(K)所对应的点数K，利用式(11)便可求得反射系数频谱图中主要成分波形每周期内点数NT。
Figure BDA0001724687120000045
其中，Tn、fn、Tns和fns分别为信号x(n)的周期、频率、采样时间间隔和采样频率。
此时，便可以利用式(12)求得反射系数频谱图的主频Δf。
Figure BDA0001724687120000046
带入液膜厚度计算公式，如式(1)所示：
Figure BDA0001724687120000051
步骤三：液膜厚度随时间变化的波动情况记为h(t)，则平均液膜厚度
Figure BDA0001724687120000052
由式(13)得到，
Figure BDA0001724687120000053
其中，T为总时间，本发明中T和采样时间相同，即为3s。
脉冲收发器的激励频率为500Hz，采样时间为3s，可以获得3s/(1/500Hz)＝1500个时刻的液膜厚度。根据(1)式得到的所有时刻的液膜厚度h(t)，计算得到某一工况下的液膜厚度平均值
Figure BDA0001724687120000054
为验证本发明提供的超声测量气液两相流液膜厚度的准确性首先开展了仿真实验，如图1所示，液膜中心位置厚度为h0，有机玻璃管道厚度L为18mm，仿真液膜厚度为hcomsol，仿真误差为εcomsol。仿真结果如表2所示。
表2仿真液膜厚度计算结果
Figure BDA0001724687120000055
可以看出，通过COMSOL仿真所测得液膜厚度的误差均在5％以内，精度较高，验证了本发明方法在气液两相流静态下超声测量液膜厚度的可行性。
为了进一步验证本发明，开展了气液两相流超声测量液膜厚度的实流实验，如图2，并将本发明提供的回波谐振主频法与超声脉冲回波法和经典的薄膜谐振法进行对比，回波谐振主频法求得的液膜厚度hg，超声脉冲回波法求得液膜厚度he以及经典的薄膜谐振法求得的液膜厚度hc和经验公式液膜厚度hf之间的误差εg，εe以及εc，如表3所示。
表3各方法与经验公式对比结果
Figure BDA0001724687120000056
Figure BDA0001724687120000061
可见，由于气液两相流液膜波动较大，信噪比较小，经典的薄膜谐振法所得的液膜厚度误差非常大，说明此方法不适用。而脉冲回波法所得的液膜厚度在厚液膜时误差较小，大都在50％左右，在薄液膜时误差较大，大都在100％以上，说明在薄液膜时液膜两个表面的超声反射回波叠加在一起，从时域波形无法获得超声波通过液体层两侧界面的传播时间，此时脉冲回波法已不适用。而本发明提供的回波谐振主频法克服了两者的缺陷，无论是在厚液膜还是薄液膜情况下，其结果均与经验公式结果呈现出一致的趋势，且误差大都在50％以内，尤其解决了超声测量气液两相流薄液膜厚度的问题。实流实验结果再次表明本发明方法用于测量气液两相流液膜厚度的优越性。

Claims (1)

1.一种基于超声测量气液两相流液膜厚度的方法，步骤如下：
步骤一：利用超声换能器通过实验采样获得时域内超声反射波和入射波，通过反射波幅值与入射波幅值的比值得到反射系数R，其中有机玻璃和空气的声阻抗相差非常大，导致超声波在两者界面处几乎发生全反射，即Rref≈1，将有机玻璃-空气界面的反射信号作为求解反射系数的入射信号，反射系数R的求解公式如下所示：
Figure FDA0002309129260000011
式中，At1(f)和Ar1(f)分别为入射波和反射波幅值，A(f)和Aref(f)分别是相同频率的入射波下，换能器所接收到的有机玻璃-水-空气和有机玻璃-空气介质中反射波幅值；
步骤二：分别将时域内有机玻璃-空气界面反射信号以及有机玻璃-水-空气界面的反射信号进行快速傅里叶变换得到频域反射信号Aref(f)和A(f)，带入步骤一中反射系数R求解公式，便可以得到反射系数频谱图，在静态液膜下，根据下式计算液膜厚度：
Figure FDA0002309129260000012
式中，fm和m分别为半谐振频率和阶数，c2为中间层介质声速；
将反射系数频谱图的主频Δf＝fm+1-fm代入上式，得到下式：
Figure FDA0002309129260000013
为求得Δf，将反射系数频谱图进行快速傅里叶变换，由于反射系数频谱图已经是频域信号，故需要将反射系数频谱图中的横轴频率刻度freq转换成信号点数，进而得到时域信号xn，对xn消除直流分量，得到时域信号x(n)；然后将该时域信号x(n)进行快速傅里叶变换转换成频域信号X(k)；此时可以求得频域图峰值X(K)所对应的点数K，利用下式求得反射系数频谱图中主要成分每周期内点数NT：
Figure FDA0002309129260000014
式中，Tn、fn、Tns和fns分别为信号x(n)的周期、频率、采样时间间隔和采样频率，N为反射系数频谱图中的总点数；
此时，利用下式求得反射系数频谱图的主频Δf：
Figure FDA0002309129260000015
式中，NT为反射系数频谱图中主要成分波形每周期内点数，fs为原始时域信号的采样频率；
将反射系数频谱图的主频Δf带入液膜厚度计算公式，求得液膜厚度h：
Figure FDA0002309129260000016
步骤三：求得工况下的平均液膜厚度。
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