CN114252117A - 一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置。定义特征参数mmin，其为仪器对穿过流场后的超声脉冲连续采样，输出常量平均信号时所需的最少采样次数；所述雷诺数的超声感测方法，使用所述特征参数mmin表征流速脉动强度，对于特定形状的试验管道的单相流，基于实验测量构建雷诺数Re和所述mmin的拟合函数
所述函数
适用于和试验管道几何相似管道的单相流；所述装置，取得的新技术效果，主要在于通过测量特征参数mmin，代入所述函数
便可输出被测流场的雷诺数Re；同时，根据流体雷诺数的定义，所述装置也具备管道流量计量功能。
Description
技术领域
本发明属于超声传感技术领域，涉及一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置，也涉及超声一种流量计。
背景技术
当今世界，人们对高精度测量的需求越来越广泛，例如管道系统的自动化控制，离不开无数个流量计量节点的精确测量。同时，管道流体测量精度的微小偏差，就会导致巨大经济代价。
自上世纪六十年代以来，流量传感技术飞速发展，已被广泛应用。如今，相对传统流量计，在以物联网、AI技术为核心的新工业革命大背景下，流量传感器优越性越发显著。
目前，超声流量计的测量原理，主要有时差法、频差法(多普勒)两种，他们的缺点如下：1)适用流体范围较窄：时差法超声流量计，只能用于清洁(单相)流体；多普勒超声流量计，只能用于流体含一定颗粒或气泡；(3)超声流量计的测量电子系统较复杂，成本较高：工业计量液体流速(单位m/s)，一般为～101的量级，其带给声速的变化最大也是10-3数量级，这意味着若测量精度达±1％，则仪器对于声速分辨率小于10-6量级，必须有完善的测量电子系统才能实现。
根据雷诺数Re的定义，在几何相似管道，流体的雷诺数相同意味着流场几何相似。因此，雷诺数可以表征几何相似管道的流场结构的几何特征，但是目前缺少传感技术可以感测雷诺数。
旨在克服或改善现有技术缺点，丰富流体传感技术类型，本发明提出一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置，实现超声感测管道流体雷诺数的技术效果，至少可应用于超声流量计量领域。
发明内容
本发明公开一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置，实现一种以超声脉冲为感测信号的流场雷诺数Re和流量值的传感技术。
首先，对于所述本发明方法的核心理念，即所述特征参数mmin、表征流场几何特征的雷诺数Re，构建两者的单变量函数的可行性，对此从理论研究、实验研究两方面，说明如下：
所述恒定的超声信号(进入流场前)，记作E0；由于实际流体有粘性，只要流动就有紊乱度(速度脉动)；超声脉冲穿过脉动流场后，成为幅值波动的脉动信号，连续m个所述脉动信号
的平均信号
上式中，
的脉动幅度，随m增加而减小。问题是：m至少要多大(mmin)，才完全抑制
的脉动。
根据各态遍历的假说、系综统计理论：
上式说明，对于超声脉冲E0经充分发展湍流后的随机信号
理论上充分发展湍流只有连续采样m趋于无穷，
才等于
的系综平均<E>。需要无穷多采样，意味着本发明将不可实现。
根据Kolmogorov的湍流统计理论：
湍流中湍流动能EK的传递是一种级联过程，由大涡传递给小涡再传递给更小涡，这样逐级地传递，当一个涡刚好能将从上一级传递给它的能量全部耗散成热时，这个涡就是最小尺度的涡。所述最小旋涡，其Kolmogorov长度尺寸记作η，其Kolmogorov时间尺寸(周期)记作τη，则使用有限元方法数值求解非稳态的三维有旋流场需要的最少网格数目N∑＝N3×NT，其中N3为计算空间节点数，NT为计算时间节点数，
其中，L、U为最大旋涡的特征长度、特征速度，v为流体运动粘度，符号
代表″数量级″相同；则根据Kolmogorov的湍流统计理论，数值计算湍流场的最少计算节点数量
这需要的测量次数，也是难以实现。
根据实验研究：
考虑到仪器有检测阈值，只要
脉动幅度小于仪器检测阈值，即为常量输出。对于本发明所述，实际超声感测仪器，都具有最小检测阈值，定义最小可检测旋涡，其特征长度η*＝K1×η，其特征时间τη *＝K2×τη，则理论上所述mmin，其数量级满足：
其中K1、K2为比例系数。
基于多装置(管道)、多流体介质的系列实验：1、在确定的管道，所述
为常量输出，所需要连续采样m的最小值mmin，与测量流体的雷诺数Re正相关；2、在Re大约处于0～750000范围，mmin在0～200范围，可有
为常量输出，满足下式：
实验表明，考虑到仪器有检测阈值，实际仪器输出
为常量信号，所需mmin的数值远小于理论值，仪器有稳定输出，这使得基于实验标定，构建经验函数(拟合函数)成为可能。
基于上述，理论和实验研究，本发明提出所述的一种管道流体雷诺数的超声感测方法，其特征在于：第一，定义一个特征参数mmin，超声发射探头的周期性重复脉冲，在待测流体等距传输后到达接收探头的为脉动信号，连续m个所述脉动信号
(1≤i≤m)的平均信号为
要使
为常量信号，所需m的最小值即为mmin；第二，基于实验测量流经″试验管道″的一种单相流，利用可连续采样输出平均信号的超声收发仪器(信号强度的可检测阈值ε)，在n个Re的流态下，分别测量所述特征参数mmin；由n个离散的数对(Re，mmin)，使用公知数值方法构建拟合函数
；第三，对于流经所述″试验管道″的几何相似管道的任意单相流体的雷诺数Re的超声感测问题，使用一种超声仪器可连续采样输出平均信号的超声收发仪器(信号强度的可检测阈值ε)，测量所述平均信号为
为常量信号(
的脉动分量小于ε)条件的所述特征参数mmin的值，由所述函数
转换输出雷诺数Re。
所述函数
虽然是基于对于特定的″试验管道″和″单相流″的试验数据所构建。但是，在理论上，几何相似管道，不同单相流体的流体边界几何相似时(几何相似管道，流过几何相似物体等)，若雷诺数Re相等，则流体流动状态也是几何相似的，几流场结构几何相似，流体动力学相似；因此，理论上所述函数
可用于几何相似的不同单相流；在系列实验中，所测的″试验管道″包括几何相似的圆管、方管、含阻流体的圆管、含阻流体的方管，使用流体除了纯净水、氯化钠溶液、乙醇溶液，验证了所述函数
可描述几何相似管道的单相流的mmin和Re的数值关系。
一种流体雷诺数的超声感测装置，实施了所述的一种管道流体雷诺数的超声感测方法，其结构至少包含：超声脉冲收发模块、数据处理模块、通讯模块、人机交互模块、计量管道；所述超声脉冲收发模块，包含超声脉冲发生器、超声收发探头(单探头或双探头)、数据采集器、AD转换器；所述人机交互模块，包含显示器、输入装置；所述计量管道，与所述″试验管道″几何相似；所述流体雷诺数的超声感测装置，连续采样m次输出平均信号
以大于等于1的步长，逐步增加m值，当为
常量时输出此时m的值，即为特征参数mmin，mmin代入所述计量管道对应的函数
转换输出雷诺数Re。
所述的一种流体雷诺数的超声感测装置，也是一种管道流体流量计：所述装置，利用被测量管道对应的函数
感测输出雷诺数Re，根据管道流体雷诺数Re＝<V>d/v，可得流体的特征速度<V>，<V>乘以管道截面积S，得到体积流量Q；所述v、d分别为流体运动粘度和计量管道水力直径。
综上，本发明公开了一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置；所述雷诺数的超声感测方法，使用所述特征参数mmin表征流速脉动强度，对于特定形状的试验管道的单相流，基于实验测量构建雷诺数Re和所述mmin的拟合函数
所述函数
适用于和试验管道几何相似管道的单相流；所述超声感测装置，实现了传感测量雷诺数的新技术效果，主要在于通过测量特征参数mmin，代入所述函数
得到流场雷诺数Re；同时，根据流体雷诺数的定义，所述装置也具备管道流量计量功能。
附图说明
图1为本发明一个实施例的管道流体雷诺数超声感测装置结构示意图。
图2本发明所述管道流体雷诺数表征流场几何特征的说明图。
图3本发明所述管道流体雷诺数超声感测方法的原理说明图。
图4本发明的同种单相流在3种管径圆管的Re，mmin的实验数据的散点连线图。
图5本发明在两种单相流在相同方形管的Re，mmin的实验数据的散点连线图。
图6为图4和图5的所述实验的实验装置系统的结构图。
图7为图5的所述实验的实验现场图。
图1中：11为稳流孔板，12为独立电源，13为人机交互模块的人机交互界面，14为人机交互模块的数据处理子模块，15为装置的数据存储和数据处理模块，16为超声收发探头，17为通讯模块(含扩展插口)；图6中：61为″试验管道″，621为超声仪器(脉冲发射、探测功能)，622为超声收发探头，623为超声仪器(621)连接的计算机，64为阀门，65为被测流体介质的储存容器，66为放置于65的″潜水型″输液泵。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详述：
本发明所述的一种管道流体雷诺数的超声感测方法，其特征在于：第一，定义一个特征参数mmin，超声发射探头的周期性重复脉冲，在待测流体等距传输后到达接收探头的为脉动信号，连续m个所述脉动信号
(1≤i≤m)的平均信号为
要使
为常量信号，所需m的最小值即为mmin；第二，基于实验测量流经″试验管道″的一种单相流，利用可连续采样输出平均信号的超声收发仪器(信号强度的可检测阈值ε)，在n个Re的流态下，分别测量所述特征参数mmin；由n个离散的数对(Re，mmin)，使用公知数值方法构建拟合函数
第三，对于流经所述″试验管道″的几何相似管道的任意单相流体的雷诺数Re的超声感测问题，使用一种超声仪器可连续采样输出平均信号的超声收发仪器(信号强度的可检测阈值ε)，测量所述平均信号为
为常量信号(
的脉动分量小于ε)条件的所述特征参数mmin的值，由所述函数
转换输出雷诺数Re。
所述函数
虽然是基于对于特定的″试验管道″和″单相流″的试验数据所构建。但是，流体边界几何相似时，若雷诺数Re相等，则流体流动状态也是几何相似的，流场结构、流体动力学均相似；因此，所述函数
可用于几何相似的不同单相流，可描述几何相似管道的单相流的mmin和Re的数值关系。
图1为本发明一个实施例的管道流体雷诺数超声感测装置结构示意图。图1中的装置，其结构至少包括：人机交互模块(包含人机交互界面13、数据处理子模/14)、数据存储和数据处理模块15、超声收发探头16；优选地，其结构还可以包括：稳流结构(例如11)、独立电源12、通讯模块17。所述人机交互模块，用于显示测量数据(指雷诺数或流量)、输入设置和控制命令；所述数据存储和数据处理模块，除了常规处理器功能，还集成了超声脉冲发生，接收脉冲信号的转换、存储和处理功能；所述超声收发探头，属于常用的超声探头类型，同时具备发射、探测超声脉冲信号的功能；所述稳流结构，如稳流孔板11，可以抑制环境、水锤效应、壁面反射等因素造成的流场震动，提高装置精度；所述独立电源，为一种可蓄电装置；所述通讯模块17，除了局域通讯功能，还可优选地带有远程(或无线)通讯装置的扩展插槽。在图1中的装置，其实施了本发明的所述的一种管道流体雷诺数的超声感测方法，是一种超声雷诺数感测装置，也是一种超声流量计装置。
图2本发明所述管道流体雷诺数表征流场几何特征的说明图。图2所示，即为经典的雷诺实验，在不同雷诺数下，流场几何特征不同；如雷诺实验表明的，雷诺数Re可以表征几何相似管道的流体流场的几何特征；图2示意，随着雷诺数Re增加，流场的脉动频率也随之增加，流场线高频摆动的部分变多，这和Kolmogorov湍流统计理论的结论一致。
图3本发明所述管道流体雷诺数超声感测方法的原理说明图。图3与图2中，3条脉动的流场线相同；图3表明，随着雷诺数Re增加，流场的脉动频率也随之增加，为了获得仪器定量输出信号(脉动成分小于检测阈值)，需要连续采样次数的最小值也随Re增加；对于这一现象，我们的理解如下：根据采样定理，流场线高频脉动的部分，至少需要两倍与脉动频率的采样频率才能完整获得信号特征。因此，随着雷诺数增加，流场脉动的高频部分频率也增加，响应的需要采样的频率(连续采样次数)也增加。
基于多装置(管道)、多流体介质的系列实验：1、在确定的管道，所述E为常量输出，所需要连续采样m的最小值mmin，与测量流体的雷诺数Re正相关；2、在Re处于0-750000范围，mmin在0～200范围，可有
为常量输出。
图4本发明的同种单相流在3种管径圆管的Re，mmin的实验数据的散点连线图，所述3种管径圆管，为一组几何相似的″试验管道″。图4实验，几何相似″试验管道″，同种单相流的实验数据的散点折线图几乎重叠，这是本发明方法可行性的反映。
图5本发明在两种单相流在相同方形管的Re，mmin的实验数据的散点连线图，所述2种单相流是自来水、工业酒精(以质量计，80％乙醇和20％水)。
根据图5所示的实验数据，优选″二阶高斯拟合法″的数值方法，构建所述的拟合函数
结果如下，
上式，
为Re的对数，
适于和其构建实验的″试验管道″本身或与其几何相似管道的单相流体，可以描述所述mmin和雷诺数的数值关系。
图6为图4和图5的所述实验的实验装置系统的结构图。图6中：61为″试验管道″，621为超声仪器(脉冲发射、探测功能)，622为超声收发探头，623为超声仪器(621)连接的计算机，64为阀门，65为被测流体介质的储存容器，66为放置于65的″潜水型″输液泵。图6装置中，″试验管道″(61)可更换，储存容器(65)的储存介质也可更换，该装置系统可测试不同″试验管道″、不同流体介质；选用潜水泵，由于运转处于较大量的液体之中，有效隔离震动，降低对实验平台的影响。
图7为图5的所述实验的实验现场图。图7所示的实验装置系统，为图6系统的实物。图7所示，所使用超声设备为美国Ultratek公司的.USB-UT350超声测量仪，具备单探头收发功能，具备高速采集能力，可输出实时信号或最多200个脉冲的平均信号，通过USB数据线连接PC，通过控制软件进行人机交互，实现信号输出显示、命令输入。因此，如何实现所述连续采样m个超声脉冲、并且输出平均信号的这部分的相关技术，属于本领域公知、现有成熟技术。
以上所述仅为本发明的有限数量的实施例，实施例及优选方案的描述，仅旨在展示本发明思想，不应视为对权利要求范围或含义的限制。
本发明要求保护范围由所附权利要求书及其等同物界定。在发明申请书内容基础上，所作的等同变化，均应无条件地落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种管道流体雷诺数的超声感测方法，其特征在于：
第一，定义一个特征参数mmin，超声发射探头的周期性重复脉冲，在待测流体等距传输后到达接收探头的为脉动信号，连续m个所述脉动信号
的平均信号为
要使
为常量信号，所需m的最小值即为mmin；
第二，基于实验测量流经″试验管道″的一种单相流，利用可连续采样输出平均信号的超声收发仪器(信号强度的可检测阈值ε)，在n个Re的流态下，分别测量所述特征参数mmin；由n个离散的数对(Re，mmin)，使用公知数值方法构建拟合函数
第三，对于流经所述″试验管道″的几何相似管道的任意单相流体的雷诺数Re的超声感测问题，使用一种超声仪器可连续采样输出平均信号的超声收发仪器(信号强度的可检测阈值ε)，测量所述平均信号为
为常量信号(
的脉动分量小于ε)条件的所述特征参数mmin的值，由所述函数
转换输出雷诺数Re。
2.根据权利要求1所述的一种管道流体雷诺数的超声感测方法，其特征在于：其还是超声流量感测方法；由权利要求1所述管道流体雷诺数的超声感测方法，感测流体雷诺数Re，根据雷诺数公式Re＝<V>d/v，获得计量管道的流体的特征速度<V>，<V>乘以测量点管道横截面积S，得到所述管道的体积流量Q；所述v、d分别为流体运动粘度和计量管道水力直径。
3.一种流体雷诺数的超声感测装置，其实施了权利要求1所述的管道流体雷诺数的超声感测方法，其特征在于：其结构至少包含超声脉冲收发模块、数据处理模块、通讯模块、人机交互模块、计量管道；所述超声脉冲收发模块，包含超声脉冲发生器、超声收发探头(单探头或双探头)、数据采集器、AD转换器；所述人机交互模块，包含显示器、输入装置；所述计量管道，与所述″试验管道″几何相似；所述流体雷诺数的超声感测装置，连续采样m次输出平均信号
变量m从1或其它设定起始值，以固定步长Δm(Δm≥1)，逐步增加m值，当为
常量时输出此时m的值，即为特征参数mmin，mmin代入所述计量管道对应的函数
转换输出雷诺数Re。
4.根据权利要求3所述的一种流体雷诺数的超声感测装置，其特征在于：其还有超声流量计功能，其根据雷诺数公式Re＝<V>d/v，获得计量管道的流体的特征速度<V>，<V>乘以测量点管道横截面积S，得到所述管道的体积流量Q；所述v、d分别为流体运动粘度和计量管道水力直径；在所述超声感测装置的所述人机交互模块，输出显示所述Q的数值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220329 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |