專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于超聲波的管道流速成像和流量測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息科學(xué)應(yīng)用于管道輸送系統(tǒng)中對(duì)內(nèi)部流體的流量進(jìn)行高精度測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于超聲波的管道流速成像和流量測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
利用流體流動(dòng)對(duì)超聲波脈沖或者超聲波束傳播時(shí)間的改變來(lái)測(cè)量流體的流速，進(jìn)而換算成體積流量的時(shí)差式超聲波流量計(jì)具有非接觸、無(wú)可動(dòng)部件、對(duì)流體特性不敏感、適合用于大口徑管道等優(yōu)點(diǎn)，可被廣泛應(yīng)用于大型水利樞紐、石油工業(yè)及天然氣工業(yè)中。然而，在很多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，一些特殊安裝條件會(huì)造成管道中流場(chǎng)的改變，形成復(fù)雜流速分布剖面。復(fù)雜流速剖面下進(jìn)行流量轉(zhuǎn)換的模型誤差是影響超聲波流量計(jì)精度最重要的因素之
O為了利用超聲波方法實(shí)時(shí)并精確地獲取復(fù)雜流態(tài)下的管道流量，需要建立合適的聲道布置方式，研究從各聲道平均流速出發(fā)精確獲取管道流量的方法，并使該方法針對(duì)不同的安裝條件亦即不同的流速分布剖面具有廣泛的適用性，從根本上減小超聲波法測(cè)流量的模型誤差。目前，工業(yè)生產(chǎn)中的多聲道流量計(jì)配置大多參照美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)于2002年制定的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用多聲道平行式變權(quán)系數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，詳見(jiàn)《The American Society of Mechanical Engineers. Hydraulic Turbines and Pump—turbines : Performance Test Codes. American national standard, 2002》,但此方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，卻需要在測(cè)量管段前后安排大于一定長(zhǎng)度的長(zhǎng)直管段以保證測(cè)量管段的流態(tài)平穩(wěn)。在不能滿足此安裝條件下的場(chǎng)合，流態(tài)常為不規(guī)則的復(fù)雜流態(tài)。此時(shí)，由于各聲道只對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行平行采樣，故無(wú)法全面反映整個(gè)管道截面上的流速分布情況，適應(yīng)性不好。2005年，Mandard等人設(shè)計(jì)了一種由12個(gè)探頭構(gòu)成18個(gè)聲道的流量計(jì)配置方案，這種配置混合了變權(quán)系數(shù)和等權(quán)系數(shù)方法，它能補(bǔ)償流場(chǎng)中漩渦的影響，方案的核心在于將三個(gè)發(fā)射單元集成在一個(gè)超聲波探頭中，這樣一個(gè)探頭能向三個(gè)不同方向發(fā)射超聲波，詳見(jiàn)《E. Mandard, D. Kouame, R. Battault, J. P. Remenieras, F. Patat, Transit time ultrasonic flowmeter Velocity profile estimation, Proc. IEEE Symp. Ultrasonics Symposium, 2005 :763_766》。2008 年，Mandard等人提出了這種配置方案下進(jìn)行流速分布剖面重構(gòu)的參數(shù)求解方法，并利用兩種流速分布剖面對(duì)重構(gòu)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，詳見(jiàn)《E Mandard, D Kouame, R Battault, J P Remenieras, F Patat, Methodology for developing a high-precision ultrasound flow meter and fluid velocity profile reconstruction, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2008, 55 (I) 161-172))對(duì)較復(fù)雜的流速分布剖面，這種方法效果變差。2006年，Kurniadi等人設(shè)計(jì)了一種與此類(lèi)似的聲道配置方法，它由安裝在上下游兩個(gè)橫截面上的16個(gè)探頭構(gòu)成了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)探頭均可以向位于另一橫截面上的8個(gè)探頭發(fā)射超聲波以構(gòu)成聲波傳播通道，故流量計(jì)內(nèi)總共有64個(gè)聲道。由于聲道的密集分布和層析成像方法的使用，該流量計(jì)理論上可以適應(yīng)各種復(fù)雜流速分布剖面，詳見(jiàn)《D Kurniadi, A Trisnobudi, A multi-path ultrasonictransit time flow meter using a tomography method for gas flow velocity prof ilemeasurement, Part. Part. Syst. Charact, 2006 (23) ,330-338》然而，由于流量計(jì)中心處存在無(wú)任何聲道穿過(guò)的空白區(qū)域，所以無(wú)法測(cè)知此處流速分布。此外，為了使另一橫截面上的8個(gè)接收探頭均接到從某一發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波，探頭頻率需要相對(duì)較低以獲得相對(duì)大的聲束擴(kuò)散角，而低頻的超聲波容易受到外界環(huán)境的干擾，影響各聲道飛行時(shí)間的測(cè)量，最終降低流量計(jì)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于超聲波的管道流速成像和流量測(cè)量方法，用以監(jiān)控管道截面上的流速分布，使得在多種復(fù)雜流態(tài)的情況下均測(cè)得較精確的流量數(shù)值。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于超聲波的管道流速成像和流量測(cè)量方法，包括以下步驟步驟一加工制作具有三個(gè)壓電單元組成的超聲波探頭，用于發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，每個(gè)壓電單元均可完成發(fā)射和接收超聲波任務(wù)，每個(gè)壓電單元均有一定的聲束角，聲束角滿足這樣的條件使得邊界壓電單元的聲束角分別涉及相鄰的四個(gè)探頭，中心單元的聲束角涉及正對(duì)面的三個(gè)探頭；步驟二 將超聲波探頭分別布置在與管道軸線成45°的兩個(gè)傾斜截面上，每個(gè)測(cè)量平面上均勻放置12個(gè)兼具發(fā)射和接收任務(wù)的超聲波探頭，探頭在每個(gè)測(cè)量平面上形成 66條聲道；步驟三分別測(cè)量各聲道上超聲波順流和逆流傳播的飛行時(shí)間，由下式計(jì)算管道流體在各聲道上的平均流速
權(quán)利要求
1.一種基于超聲波的管道流速成像和流量測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一加工制作具有三個(gè)壓電單元組成的超聲波探頭，用于發(fā)射和接收超聲波信號(hào)， 每個(gè)壓電單元均可完成發(fā)射和接收超聲波任務(wù)，每個(gè)壓電單元均有一定的聲束角，聲束角滿足這樣的條件使得邊界壓電單元的聲束角分別涉及相鄰的四個(gè)探頭，中心單元的聲束角涉及正對(duì)面的三個(gè)探頭；步驟二 將超聲波探頭分別布置在與管道軸線成45°的兩個(gè)傾斜截面上，每個(gè)測(cè)量平面上均勻放置12個(gè)兼具發(fā)射和接收任務(wù)的超聲波探頭，探頭在每個(gè)測(cè)量平面上形成66條聲道；步驟三分別測(cè)量各聲道上超聲波順流和逆流傳播的飛行時(shí)間，由下式計(jì)算管道流體在各聲道上的平均流速—L (t -t ΛVpath = —^― Β—Α Α—Β(I) cos ^y其中，tB —A和tA —B分別為超聲波順流和逆流的飛行時(shí)間，Φ為測(cè)量截面的傾角，L為聲傳播路徑長(zhǎng)度；步驟四將每個(gè)測(cè)量平面上的聲道分為12組，每組中的聲道相互平行，將每組聲道等間隔內(nèi)插，并按步驟三的公式獲取內(nèi)插后各聲道上的平均流速；步驟五基于平行束投影的濾波反投影方法從聲道的平均流速數(shù)據(jù)出發(fā)重建流速分布剖面，公式如下/W=J0" ( (σ,^)|σ|)SiwJCT __ φ(2)式中，ζ = ( ,X3)為任意一點(diǎn)ν = U代表過(guò)纟的任意直線L, r為原點(diǎn)到直線L的距離， Φ= (cos^Rsmp)為直線L的法向， (σ,爐)為平行束投影采樣關(guān)于第一個(gè)變量的傅里葉變換；該公式的具體實(shí)施過(guò)程為(1)對(duì)平行束投影采樣$[r,的關(guān)于r做傅里葉變換，得到 Φ).(2)進(jìn)行頻域?yàn)V波操作，濾波器傳遞函數(shù)為Iσ I ;(3)對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)關(guān)于σ做反傅里葉變換，得到;(4)對(duì)所有經(jīng)過(guò)點(diǎn)；的直線數(shù)據(jù)f(r,的積分求和，即為該點(diǎn)的速度值/(幻；步驟六基于重建得到的流速分布剖面圖等間隔選取流速點(diǎn)，由各點(diǎn)流速簡(jiǎn)單平均并與管道截面積相乘即為管道流量數(shù)值。
全文摘要
一種基于超聲波的管道流速成像和流量測(cè)量方法，加工制作具有三個(gè)壓電單元組成的超聲波探頭，用于發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，將超聲波探頭分別布置在與管道軸線成45°的兩個(gè)傾斜截面上，測(cè)量各聲道上超聲波順流和逆流傳播的飛行時(shí)間，計(jì)算管道流體在各聲道上的平均流速將每組聲道等間隔內(nèi)插，獲取內(nèi)插后各聲道上的平均流速；基于平行束投影的濾波反投影方法從聲道的平均流速數(shù)據(jù)出發(fā)重建流速分布剖面，基于重建得到的流速分布剖面圖等間隔選取流速點(diǎn)，由各點(diǎn)流速簡(jiǎn)單平均并與管道截面積相乘即為管道流量數(shù)值，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜流態(tài)下對(duì)管道內(nèi)部流場(chǎng)分布的監(jiān)控，減小超聲波流量計(jì)的模型誤差，最終獲取精確的流量數(shù)值。
文檔編號(hào)G01F1/66GK102607653SQ201210100169
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者崔園園, 柳建楠, 王伯雄, 羅秀芝 申請(qǐng)人:清華大學(xué)