[发明专利]超声多普勒多相流流速分布检测设备

说明书

本发明涉及一种超声多普勒多相流流速分布检测设备，用于对被测管道内流体的截面流速分布进行测量，包括超声传感器阵列和超声信号发生与检测单元，超声传感器阵列由多个均匀分布在被测管道同一截面位置的超声探头构成，超声探头由两个带声楔的超声换能器构成，两者中间放置隔声层隔声，其中一个作为超声发射换能器，固定在与管道轴向平行的透声楔块表面，一个作为超声接收换能器，固定在倾斜于管道轴向的透声楔块表面；测量时，按一定顺序依次激励超声探头中的发射换能器，在每次激励下所有接收换能器同时接收超声回波信号，在同一截面多方向激励下获得被测管道内流体流速的多方向合成超声多普勒频移投影信息。

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种以超声多普勒效应为工作原理的多相流流速分布检测设备。

技术背景

多相流中的相定义为物质的存在形式，即气态、液态或固态，通常指同时存在两种或两种以上物质的流动。多相流广泛存在于工业生产与日常生活中，例如核能、油气开采与传输、化工、制冷、医药、食品等现代工程领域与设备中，对多相流动特征的深刻理解对生产过程的监控、管理、分析与设计，以及确保装置可靠运行、提高生产效率具有十分重要的意义。由于多相流动机理的复杂性和不确定性，使得对其流动过程信息的准确获取和分析十分困难，而多相流流动过程参数的准确检测对推动流体力学理论的研究、动态流体模型的建立和流动机理的研究，促进工业设备的发展以及提高工业过程的生产效率，加强工业过程的安全都起到了重要作用。

多相流的测量参数有含率、流速、流型等，由于多相流流动总是伴随着相间的质量、动量以及热量的传递，与单相流相比多相流的待测参数多、流动过程复杂，难以用数学公式完全描述，因而给测量带来困难。近几十年来，在多相流流动参数的测量问题上，国内外许多学者开展了大量的理论与实验研究，提出了许多检测方式，按测量方法可分为侵入式与非侵入式技术；按测量原理可分为电学法、射线法、超声法、核磁共振法和微波法等。

流体速度场作为描述多相流流动特征的基本物理量，它的精确测量具有尤为重要的意义。超声波检测方法由于其非侵入、成本低、易于实现、对流体透光性无要求等特点已经被广泛应用于流体测量中。基于超声波的流速测量技术主要是利用流速对超声信号的传播时间或频率的调制作用，即时差法和多普勒法。超声时差法基于超声沿流体顺逆两个方向传播时速度不同而引起的时差来计算流体沿声道上的线平均速度，通过获得较多条声道上的线平均速度，并使用层析成像等方式实现管道轴向的二维流场分布，缺点是需要使用较多的超声传感器与测量数据(双向的)实现流速分布测量，且安装角度与上下游传感器的对准都影响了结果的准确性。超声多普勒方法近几十年以来开始应用于多相流的流速测量，它是基于超声波在流体中运动的散射体上形成的多普勒效应而获得散射体的真实流动速度，物理意义明确。超声多普勒测速方法分为连续波超声多普勒和脉冲波超声多普勒，目前，大多数情况下基于连续波超声多普勒获得的是测量区域的平均散射体流动速度，而基于脉冲波超声多普勒如UVP(ultrasonic velocity profile)方法可获得超声测量线上的一维速度分布。目前对于多相流二维流速分布重建问题，目前仍缺乏有效、直观的手段。

发明内容

本发明提供一种基于超声多普勒效应的多相流流速分布检测设备。本发明在对多相流动状态不产生扰动的前提下，对超声传感器阵列采用逐次激励与并行测量方式，在同一截面多方向激励下检测被测管道内流体流速的多方向合成超声多普勒频移投影信息。利用本发明的分布检测设备所采集的超声多普勒频移投影信息，可以进一步下面的处理：利用频谱分析结合分布参数反演算法重建流体在被测截面内的流速分布，实现多相流截面流速分布的可视化重建。

本发明的技术方案如下：