本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以超聲多普勒效應(yīng)為工作原理的多相流流速分布檢測設(shè)備。

技術(shù)背景

多相流中的相定義為物質(zhì)的存在形式，即氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)，通常指同時存在兩種或兩種以上物質(zhì)的流動。多相流廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中，例如核能、油氣開采與傳輸、化工、制冷、醫(yī)藥、食品等現(xiàn)代工程領(lǐng)域與設(shè)備中，對多相流動特征的深刻理解對生產(chǎn)過程的監(jiān)控、管理、分析與設(shè)計，以及確保裝置可靠運行、提高生產(chǎn)效率具有十分重要的意義。由于多相流動機(jī)理的復(fù)雜性和不確定性，使得對其流動過程信息的準(zhǔn)確獲取和分析十分困難，而多相流流動過程參數(shù)的準(zhǔn)確檢測對推動流體力學(xué)理論的研究、動態(tài)流體模型的建立和流動機(jī)理的研究，促進(jìn)工業(yè)設(shè)備的發(fā)展以及提高工業(yè)過程的生產(chǎn)效率，加強(qiáng)工業(yè)過程的安全都起到了重要作用。

多相流的測量參數(shù)有含率、流速、流型等，由于多相流流動總是伴隨著相間的質(zhì)量、動量以及熱量的傳遞，與單相流相比多相流的待測參數(shù)多、流動過程復(fù)雜，難以用數(shù)學(xué)公式完全描述，因而給測量帶來困難。近幾十年來，在多相流流動參數(shù)的測量問題上，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了大量的理論與實驗研究，提出了許多檢測方式，按測量方法可分為侵入式與非侵入式技術(shù)；按測量原理可分為電學(xué)法、射線法、超聲法、核磁共振法和微波法等。

流體速度場作為描述多相流流動特征的基本物理量，它的精確測量具有尤為重要的意義。超聲波檢測方法由于其非侵入、成本低、易于實現(xiàn)、對流體透光性無要求等特點已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于流體測量中?；诔暡ǖ牧魉贉y量技術(shù)主要是利用流速對超聲信號的傳播時間或頻率的調(diào)制作用，即時差法和多普勒法。超聲時差法基于超聲沿流體順逆兩個方向傳播時速度不同而引起的時差來計算流體沿聲道上的線平均速度，通過獲得較多條聲道上的線平均速度，并使用層析成像等方式實現(xiàn)管道軸向的二維流場分布，缺點是需要使用較多的超聲傳感器與測量數(shù)據(jù)(雙向的)實現(xiàn)流速分布測量，且安裝角度與上下游傳感器的對準(zhǔn)都影響了結(jié)果的準(zhǔn)確性。超聲多普勒方法近幾十年以來開始應(yīng)用于多相流的流速測量，它是基于超聲波在流體中運動的散射體上形成的多普勒效應(yīng)而獲得散射體的真實流動速度，物理意義明確。超聲多普勒測速方法分為連續(xù)波超聲多普勒和脈沖波超聲多普勒，目前，大多數(shù)情況下基于連續(xù)波超聲多普勒獲得的是測量區(qū)域的平均散射體流動速度，而基于脈沖波超聲多普勒如uvp(ultrasonicvelocityprofile)方法可獲得超聲測量線上的一維速度分布。目前對于多相流二維流速分布重建問題，目前仍缺乏有效、直觀的手段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于超聲多普勒效應(yīng)的多相流流速分布檢測設(shè)備。本發(fā)明在對多相流動狀態(tài)不產(chǎn)生擾動的前提下，對超聲傳感器陣列采用逐次激勵與并行測量方式，在同一截面多方向激勵下檢測被測管道內(nèi)流體流速的多方向合成超聲多普勒頻移投影信息。利用本發(fā)明的分布檢測設(shè)備所采集的超聲多普勒頻移投影信息，可以進(jìn)一步下面的處理：利用頻譜分析結(jié)合分布參數(shù)反演算法重建流體在被測截面內(nèi)的流速分布，實現(xiàn)多相流截面流速分布的可視化重建。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種超聲多普勒多相流流速分布檢測設(shè)備，用于對被測管道內(nèi)流體的截面流速分布進(jìn)行測量，包括超聲傳感器陣列和超聲信號發(fā)生與檢測單元4，其特征在于，超聲傳感器陣列由多個均勻分布在被測管道同一截面位置的超聲探頭構(gòu)成，所述超聲探頭由兩個帶聲楔的超聲換能器構(gòu)成，兩者中間放置隔聲層隔聲，其中一個作為超聲發(fā)射換能器，固定在與管道軸向平行的透聲楔塊表面，一個作為超聲接收換能器，固定在傾斜于管道軸向的透聲楔塊表面，超聲接收換能器與管道軸向夾角在30°到60°的區(qū)間范圍，夾角的取值和超聲探頭數(shù)量的選取使得完整測量場ω0沿管道軸向的二維投影平面為管道內(nèi)的整個橫截面區(qū)域；測量時，按一定順序依次激勵超聲探頭中的發(fā)射換能器，在每次激勵下所有接收換能器同時接收超聲回波信號，在同一截面多方向激勵下獲得被測管道內(nèi)流體流速的多方向合成超聲多普勒頻移投影信息。

本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點如下：

1、作為非侵入式的測量方式，對流場不產(chǎn)生擾動和破壞；

2、測量速度快，成本低；

3、結(jié)構(gòu)簡單；

4、所采集的超聲多普勒頻移投影信息，可以進(jìn)一步下面的處理：利用頻譜分析結(jié)合分布參數(shù)反演算法重建流體在被測截面內(nèi)的流速分布，實現(xiàn)多相流截面流速分布的可視化重建。

附圖說明

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

圖1本發(fā)明設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖：其中，0-來流方向；1-管道；2-裝置固定用法蘭；3-由超聲探頭組成的超聲傳感器陣列；4-超聲信號發(fā)生與檢測單元；5-超聲多普勒信號分析單元；6-流體速度場重建單元；7-輸出與顯示單元。

圖2本發(fā)明設(shè)備超聲探頭結(jié)構(gòu)示意圖，3-1超聲探頭中超聲發(fā)射換能器壓電晶片，3-2為超聲探頭中超聲接收換能器壓電晶片，3-3為透聲楔塊，3-4為隔聲層，3-5為吸聲材料，3-6為外殼；3-7為接插座。

圖3本發(fā)明設(shè)備超聲探頭中接收換能器接收的超聲回波路徑示意圖及多普勒頻率計算過程：其中，3-2為超聲接收換能器，3-3為透聲楔塊，a透聲楔塊的入射表面，θ為入射到透聲楔塊的超聲波與管道軸向夾角，v是散射體沿管道軸向運動速度，φ是超聲入射角，φ1是折射角，c為流體混合聲速，c1為透聲楔塊聲速。

圖4本發(fā)明設(shè)備超聲測量場示意圖，圖4(a)中區(qū)域8為超聲探頭3的發(fā)射換能器3-1和接收換能器3-2在流場中構(gòu)成的超聲局部測量區(qū)域；圖4(b)中9為超聲局部測量場沿管道軸向投影平面示意圖；圖4(c)中10為超聲完整測量場的投影平面即被測截面示意圖，d為管道內(nèi)徑。

圖5本發(fā)明設(shè)備超聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖5(a)為超聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，包括被測管道1，安裝于管道截面處的超聲傳感器陣列3；圖5(b)超聲傳感器陣列縱向b-b截面剖視圖；圖5(c)超聲傳感器陣列橫向a-a截面剖視圖。

圖6本發(fā)明設(shè)備超聲信號發(fā)生與信號檢測單元結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下詳細(xì)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(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

下面結(jié)合說明書附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例。

圖1描述了本發(fā)明設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖，包括被測管道1，裝置固定用法蘭2，超聲傳感器陣列3和超聲信號發(fā)生與檢測單元4，超聲多普勒信號分析單元5，流體速度場重建單元6和輸出與顯示單元7。超聲傳感器陣列由多組超聲探頭構(gòu)成，每組超聲探頭包括一個超聲發(fā)射換能器和一個超聲接收換能器，超聲探頭均勻的分布在被測管道的同一截面位置，以超聲多普勒方式工作，在同一截面多方向激勵下獲得被測管道內(nèi)流體流速的多方向合成超聲多普勒頻移投影信息，測量過程不對多相流動過程產(chǎn)生擾動和破壞。

當(dāng)被測多相流從來流方向0進(jìn)入到被測管道1時，超聲傳感器陣列3通過超聲信號發(fā)生與檢測單元4獲得被測流體的多方向合成多普勒頻移信息，經(jīng)過超聲多普勒信號分析單元5對合成多普勒頻移投影信號進(jìn)行分析與處理，在流體速度場重建單元6中使用分布參數(shù)反演算法重建流體在被測截面內(nèi)的速度分布，并通過輸出與顯示單元7顯示重建的流體截面速度分布圖。所述超聲信號發(fā)生與檢測單元4包括計算中心、總線、邏輯控制單元、激勵發(fā)生單元、多路mosfet驅(qū)動與切換單元、超聲發(fā)射換能器陣列、超聲接收換能器陣列、多路信號放大單元、參考信號發(fā)生單元、多路信號解調(diào)與濾波單元以及多路a/d變換單元。逐次激勵各個超聲探頭中發(fā)射換能器發(fā)射超聲波，同時所有探頭中的接收換能器接收各路回波信號，沿被測管道同一截面激勵與測量一周，獲得的多方向合成多普勒頻移投影信號與相應(yīng)局部測量場內(nèi)所有散射體的運動速度相關(guān)，所述合成多普勒頻移投影信號通過換能器的壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換器陣列轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過總線傳輸?shù)接嬎阒行模诹黧w速度場重建單元6中使用分布參數(shù)反演算法重建流體截面速度分布場，并通過輸出與顯示單元7顯示流體截面速度分布圖。

圖2描述了本發(fā)明設(shè)備超聲探頭結(jié)構(gòu)示意圖，3-1超聲探頭中超聲發(fā)射換能器，3-2為超聲探頭中超聲接收換能器，3-3為透聲楔塊，3-4為隔聲層，3-5為吸聲材料，3-6為外殼；3-7為接插座。每個超聲探頭中包括一個超聲發(fā)射換能器和一個接收超聲發(fā)射換能器，分別固定在兩個透聲楔塊3-3表面，兩者中間放置隔聲層3-4隔聲。超聲發(fā)射換能器3-1的壓電晶片通過逆壓電效應(yīng)發(fā)射超聲波，超聲接收換能器3-2的壓電晶片通過正壓電效應(yīng)接收超聲波，并且兩個換能器全周期或半周期均可激發(fā)。接插座3-7連接兩個壓電晶片電極以及外部配套的插頭連線。

圖3描述本發(fā)明設(shè)備超聲探頭中接收換能器接收的超聲回波路徑示意圖及多普勒頻率計算過程：其中，3-2為超聲接收換能器，3-3為透聲楔塊，a為透聲楔塊的入射表面，v是散射體沿管道軸向運動速度及方向，θ為入射到透聲楔塊中的超聲回波與管道軸向夾角，φ是超聲入射角，φ1是折射角，c為流體混合聲速，c1為透聲楔塊聲速。

若超聲探頭無透聲楔塊，則接收換能器接收的多普勒頻移可表示為會受到流體混合聲速c的影響，因此需進(jìn)行流體聲速變化的補償。按圖3在超聲探頭中加入透聲楔塊3-3，超聲回波經(jīng)過透聲楔塊a面入射到接收換能器，可以消除液體聲速變化的影響，得到與流體混合聲速c無關(guān)的多普勒頻移fd：根據(jù)snell定律以及sinφ＝cosθ，可以得到多普勒頻移與散射體的運動速度成正比，由于超聲回波入射角φ1是固定的，c1是楔塊的聲速，與流體的聲速變化相比小得多，實際應(yīng)用中可以忽略，此方式得到的多普勒頻移fd不再受流體混合聲速c的影響，減少了多普勒頻移的測量誤差。

圖4描述了本發(fā)明設(shè)備超聲測量場示意圖，圖4(a)中8為超聲探頭3中的發(fā)射換能器3-1的發(fā)射聲束與接收換能器3-2的接收聲束在流場中構(gòu)成的超聲局部測量場，其中d為管道內(nèi)徑；圖4(b)中9為超聲局部測量場8沿管道軸向的二維投影平面。如圖4(c)所示，超聲傳感器陣列中所有發(fā)射與接收換能器在管道內(nèi)形成的局部測量場的并集為超聲完整測量場，其沿管道軸向的二維投影平面為管道內(nèi)的整個橫截面區(qū)域即，被測截面10。

圖5描述了本發(fā)明設(shè)備超聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖5(a)為超聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，包括被測管道1，安裝于管道同一截面處的超聲傳感器陣列3；圖5(b)為超聲傳感器陣列縱向b-b截面剖視圖；圖5(c)為超聲傳感器陣列橫向a-a截面剖視圖。超聲傳感器陣列3由多組超聲探頭構(gòu)成，超聲探頭均勻分布在被測管道1的同一截面上，探頭數(shù)量和換能器的尺寸視應(yīng)用條件而改變，與管道大小和超聲收發(fā)換能器聲束大小相關(guān)，以使超聲完整測量場沿管道軸向的二維投影平面為管道內(nèi)的整個橫截面區(qū)域為依據(jù)。

在傳感器陣列中，激勵超聲探頭3中的發(fā)射換能器3-1產(chǎn)生超聲波，其遠(yuǎn)場聲束沿垂直于管道軸向方向發(fā)射到被測管道內(nèi)形成超聲敏感場，流經(jīng)該超聲敏感場的所有運動散射體將超聲波向四周散射，超聲探頭3中接收換能器3-2接收其局部測量場8內(nèi)所有散射體產(chǎn)生的合成超聲回波，根據(jù)多普勒效應(yīng)，發(fā)射聲波和接收聲波的頻率差，即多普勒頻移，與散射體流速成正比，因此得到該局部測量場8內(nèi)由各散射體流速產(chǎn)生的合成多普勒頻移投影信息。在該發(fā)射換能器3-1激勵下，所有接收換能器同時接收各自局部測量場中運動散射體產(chǎn)生的合成多普勒頻移投影信息，由此得到沿被測管道截面該激勵方向所對應(yīng)的多個局部測量場內(nèi)流體流速的多路合成多普勒頻移投影信息。同理，激勵另一個發(fā)射換能器，所有接收換能器同時接收超聲回波，得到這個激勵方向所對應(yīng)的多個局部測量場內(nèi)流體流速的多路合成多普勒頻移投影信息。如此，沿被測管道同一截面按順序激勵n個超聲探頭的發(fā)射換能器一周，在每次激勵下n個接收換能器并行接收超聲回波，可得到n個激勵方向所對應(yīng)的n個局部測量場內(nèi)流體流速的n×n合成多普勒頻移投影信息。由于n個激勵方向?qū)?yīng)的全部局部測量場的集合為完整測量場，且完整測量場沿管道軸向的投影平面為管道的整個橫截面即，被測截面10，根據(jù)流體連續(xù)性定理，完整測量場內(nèi)的流體流速分布可等效為被測截面10上的流速分布，因此，對超聲傳感器陣列采用逐次激勵與并行測量方式獲得n×n多方向合成多普勒頻移投影信息，并進(jìn)一步結(jié)合頻譜分析與分布參數(shù)反演算法可重建流體在被測截面上的流速分布。

圖6描述了本發(fā)明設(shè)備超聲信號發(fā)生與信號檢測單元結(jié)構(gòu)示意圖，包括計算中心、總線、邏輯控制單元、激勵發(fā)生單元、多路mosfet驅(qū)動與切換單元、超聲發(fā)射換能器陣列、超聲接收換能器陣列、多路信號放大單元、參考信號發(fā)生單元、多路信號解調(diào)與濾波單元以及多路a/d變換單元。系統(tǒng)的控制與參數(shù)設(shè)置等信息由計算機(jī)通過總線傳輸至系統(tǒng)邏輯控制單元，并通過系統(tǒng)邏輯控制單元對系統(tǒng)整體時序邏輯和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)系統(tǒng)要求在激勵信號發(fā)生單元實現(xiàn)激勵信號的產(chǎn)生，通過邏輯控制單元設(shè)置多路mosfet驅(qū)動與切換單元選通超聲換能器陣列中超聲探頭的發(fā)射換能器，根據(jù)電聲轉(zhuǎn)換作用，壓電晶片經(jīng)過激勵信號產(chǎn)生超聲波，并發(fā)射到被測流體中。通過多路信號放大單元將各路超聲回波信號放大后，送入多路信號解調(diào)與濾波單元；系統(tǒng)邏輯控制單元按要求控制參考信號發(fā)生單元產(chǎn)生參考信號，在多路信號解調(diào)與濾波單元中，將參考信號與各路超聲回波信號進(jìn)行混頻解調(diào)，經(jīng)過濾波處理得到多路合成多普勒頻移信息，并經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換器陣列轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過總線傳輸?shù)接嬎阒行摹?/p>

本發(fā)明設(shè)備的超聲多普勒多相流流速分布檢測設(shè)備信號發(fā)生與采集步驟如下：

1、在超聲信號發(fā)生與信號檢測單元4的控制下采用逐次激勵并行采集的方法對被測管道流場進(jìn)行測量。首先經(jīng)過邏輯控制單元的控制，激勵發(fā)生單元產(chǎn)生信號激勵第一個超聲探頭中的發(fā)射換能器，同時每個超聲探頭中的接收換能器接收超聲回波信號；

2、將各路接收換能器接收的超聲回波信號進(jìn)行放大并經(jīng)過多路信號解調(diào)與濾波單元等處理后得到的多路合成多普勒頻移投影信號上傳并記錄到計算機(jī)中；其中每路的合成多普勒頻移投影信號對應(yīng)各自局部測量場內(nèi)的流速分布信息；

3、按步驟1和2，經(jīng)過邏輯控制單元的控制，按一定順序依次激勵其余超聲探頭中的發(fā)射換能器，在每次激勵下所有接收換能器同時接收超聲回波信號，并將處理后的多路合成多普勒頻移投影信號上傳并記錄到計算機(jī)中。

通過上述步驟，可得到與超聲完整測量場內(nèi)流速分布信息相對應(yīng)的多方向合成多普勒頻移投影信號。綜上，對超聲傳感器陣列采用逐次激勵與并行測量方式，可在同一截面多方向激勵下獲得被測管道內(nèi)流體流速的多方向合成超聲多普勒頻移投影信息，根據(jù)流體連續(xù)性定理，超聲完整測量場內(nèi)的流體流速分布可等效為被測截面內(nèi)的流速分布，因此可進(jìn)一步對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析并結(jié)合分布參數(shù)反演算法重建流體在被測截面內(nèi)的流速分布。