本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用超聲回波法測量氣液兩相流相含率的測試方法，可實現(xiàn)兩相流分相含率的準確獲取。

技術(shù)背景

兩相流現(xiàn)象廣泛存在于石油、化工以及醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域。兩相流由于存在著相間相互作用使得兩相流的參數(shù)測量相比于單向流更為復雜。然而兩相流參數(shù)的準確測量對于提高產(chǎn)量、生產(chǎn)安全等至關(guān)重要。相含率作為兩相流的關(guān)鍵參數(shù)，其獲取方法多種多樣，目前最常用的方法有電學法和超聲法。

超聲波在液位測量、金屬探傷以及流體測量領(lǐng)域的應用越來越廣泛。超聲波相比于其他的一些接觸和非接觸測量方式有非侵入、傳播速度快、對被測介質(zhì)幾乎不產(chǎn)生影響、方向性好、穿透能力強、在水中傳播距離遠等優(yōu)勢，因此在流體測量領(lǐng)域受到了越來越多研究人員的關(guān)注。

超聲波作為一種機械波以機械振動的形式向外傳播，通常表現(xiàn)為縱波的形式，同時又作為一種聲波具有反射、折射、散射、衍射等特性，目前超聲波被應用于流體測量領(lǐng)域主要體現(xiàn)在兩種方法上，即脈沖回波法和超聲多普勒。超聲的脈沖回波法根據(jù)一定條件下超聲在同一介質(zhì)內(nèi)的速度一定，傳播的時間和距離成正比這一原理提取時間或距離這兩個變量，或為直接變量或被用來體現(xiàn)其他變量。超聲多普勒根據(jù)多普勒效應提取速度這一變量。

超聲波經(jīng)過兩種聲阻抗相差大的介質(zhì)界面時會發(fā)生反射現(xiàn)象(99％以上能量被返回)，在一定條件下超聲波在同一介質(zhì)內(nèi)的傳播速度不變，故通過傳播時間即可算出截面相含率，即超聲脈沖回波法測截面相含率。該方法只有在介質(zhì)交界面為平面的前提下才較為準確，然而實際測量中，由于表面張力的作用，液體界面常呈曲面形狀，造成測量誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，針對上述不足提出一種修正方法，可修正當界面由平面變?yōu)榍鏁r相應的含率變化，使得測量結(jié)果更為準確。本發(fā)明利用單一超聲傳感器測量兩相流截面含率，不對兩相流動產(chǎn)生擾動且無需對測量流體進行預分離或混合，實現(xiàn)兩相流過程分相含率快速準確獲取。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種兩相流相含率超聲回波測量方法，用于對流經(jīng)被測管道的兩相流體的過程參數(shù)進行測量，該測量方法將采用單一超聲探頭的超聲傳感器置于被測管道底端且與被測介質(zhì)不接觸，超聲信號發(fā)生與檢測單元由同一超聲探頭實現(xiàn)，超聲探頭的收發(fā)狀態(tài)由兩個單刀雙擲開關(guān)來實現(xiàn)切換；此開關(guān)組合同時可控制發(fā)射信號與回聲信號的采集時序；利用超聲經(jīng)過聲阻抗相差巨大的介質(zhì)交界面會產(chǎn)生強反射來獲取被測兩相流體分界面的位置，并結(jié)合超聲強度衰減率，對氣液界面曲率進行補償，計算出準確的兩相流截面相含率,測量方法如下：

1).采集超聲傳感器信號，獲取超聲回波時間t₁和回波強度P_b；

2).計算超聲波從探頭經(jīng)管壁進入被測流體的時間其中s為超聲探頭與管道內(nèi)壁的距離，c_g為超聲波在管壁中的傳播速度。

3).計算超聲在液相中的往返時間t＝t₁-2t₂，進而計算管道截面氣液分界面的位置h＝1/2c_Wt，即液相在管道截面的高度，其中c_W為超聲波在水中的速度，h為氣液分界面的高度；

4).計算超聲回波參照強度P_h＝ah+b，其中P_h為在高度h下的參照強度，單位為Pa，a為強度-高度比例系數(shù)，b為修正參數(shù)；

5).帶入液面高度h，計算交界面為平面時的氣相含率α_gf＝dh+e，d為含率-高度比例系數(shù)，e為修正參數(shù)；

6).計算隨氣液界面高度變化的含率系數(shù)k＝fh²+gh+i，其中，f為二次擬合系數(shù)，g為一次擬合系數(shù)，i為修正系數(shù)，含率系數(shù)k表征氣相含率隨超聲回波參照強度回聲實際強度與比的變化速率；

7).代入超聲回波參照強度P_h、參照氣相含率α_gf、回聲實際強度P_b以及k值，利用公式計算實際氣相含率α_gb，當界面為平面時即回聲強度比為1時氣相實際含率與氣相理論含率相等，以上參數(shù)a、b、d、e、f、g、h通過實驗獲得。

發(fā)明的有益效果及優(yōu)點如下：

1、單一超聲探頭自發(fā)自收，具有傳感器安裝便捷、占用空間少，測量速度快，成本低等優(yōu)點；

2、具有非侵入無輻射特點，不會對流體產(chǎn)生任何的擾動；

3、該方法不僅局限于水平界面下的含率測量，還可計算管道截面氣液界面曲率變化引起的含率變化。

附圖說明

以下圖描述了本發(fā)明所選擇的實施例，均為示例性圖而非窮舉或限制性，其中：

圖1本發(fā)明管道截面超聲傳感器安裝示意圖；

圖2本發(fā)明的相含率計算方法流程圖。

具體實施方式

以下詳細描述制造和操作本發(fā)明的步驟，旨在作為本發(fā)明的實施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，對其他可實現(xiàn)相同功能的實施例也應包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。下面結(jié)合說明書圖詳細說明本發(fā)明的實施例。

圖1本發(fā)明裝置管道截面超聲傳感器安裝示意圖。該管道為內(nèi)徑1寸的標準有機玻璃管，包括管壁5以及管路內(nèi)區(qū)域2和3，收發(fā)兩用超聲探頭1安裝于管道底部，區(qū)域2流體介質(zhì)為空氣，區(qū)域3為水，4為空氣和水的交界面。s為超聲探頭與管道內(nèi)壁的距離在本示例中為4mm，根據(jù)公式可算出超聲波由探頭發(fā)出傳播到管道內(nèi)壁的時間t₂為1.465us，其中c_g為超聲波在有機玻璃中的傳播速度常溫常壓下為2730m/s，超聲波在水中傳播時間t可根據(jù)公式(1)得出

t＝t₁-2t₂ (1)

其中t₁為超聲波的返回時間，可由采集數(shù)據(jù)得出。根據(jù)公式(2)即可算出如圖1中所示管道底端內(nèi)壁與氣液界面的距離h

h＝1/2c_Wt (2)

式中c_W為超聲波在水中的速度，t為超聲波在水中傳播的時間，h為水的高度。，根據(jù)公式

α_gf＝dh+e (3)

計算出不同液位高度下截面的參照氣相含率α_gf。d為含率-高度比例系數(shù)，e為修正參數(shù)。再根據(jù)公式

P_h＝ah+b (4)

計算出不同液位高度下的參照回聲強度P_h。a為強度-高度比例系數(shù)，b為修正參數(shù)。

在實際流動中，氣水交界面常為圖中曲線6所示形態(tài)，當氣水交界面由平面變?yōu)榍鏁r引起了圖中區(qū)域7和13的變化，氣相所占的區(qū)域由2、7、8縮小為了2進而使得氣相含率變小，根據(jù)公式

k＝fh²+gh+i (5)

計算出含率系數(shù)k，f為二次擬合系數(shù)，g為一次擬合系數(shù)，i為修正系數(shù)。計算出的k值反應氣水交界面在當前高度下氣相含率隨回聲實際強度與回聲參照強度比的變化速率。在一定的實驗條件下可由h唯一得出。

最后將超聲探頭采集到的超聲實際回聲強度P_b、含率系數(shù)k、回聲參照強度P_h、參照氣相含率α_gf帶入式

${\mathrm{\α}}_{gb}=-k\frac{P_h}{P_b}+k+{\mathrm{\α}}_{gf}---\left(6\right)$

即可推算出界面為曲面時的實際氣相含率α_gb。當界面保持為平面時氣相實際含率α_gb與氣相參照含率α_gf相等。

由于在本示例的條件下管道內(nèi)徑為1寸且在常溫常壓下進行的即超聲波在空氣、水以及有機玻璃中傳播的速度為定值故以上參數(shù)a、b、d、e、f、g、h可唯一確定。a＝-2483、b＝84341、d＝-4.7、e＝110、f＝-0.23、g＝3.95、i＝17.87。

圖2為本發(fā)明的截面相含率計算流程圖。

具體的實施方法如下：

1)對管路進行標定實驗該條件下可認為在截面上氣水交界面為平面，將附圖1所示的管道內(nèi)部水抽干并堵住兩個開口用一可讀容量的注射器向管道里注水，每注入一定容量的水進行一次測量，得到一組回波強度隨交界面高度變化的數(shù)據(jù)，在本發(fā)明的條件下其規(guī)律符合式(4)。同時得到一組截面氣相含率隨交界面高度變化的數(shù)據(jù)，本發(fā)明條件下符合式(3)。

2)將管路安裝到測量裝置上開展實際測量，此時截面氣水交界面一般為曲面，用氣泵以及水泵將空氣和水抽出并打入混合器中充分混合流向?qū)嶒灩芏?，待流型充分發(fā)展后開始測量，讀取超聲回波時間t₁以及強度P_b這兩個參數(shù)。將t₁帶入式(1)(2)求出此時交界面的高度h，將這一高度帶入式(5)求出含率系數(shù)k，并根據(jù)高度查找出在步驟1中由這一高度標定的回聲參照強度P_h以及參照氣相含率α_gf將這3個參數(shù)以及由讀取的超聲實際回波強度P_b帶入式(4)即可計算出所求交界面為曲面時的氣相實際含率α_gb。