[发明专利]超声平面波扫描式多相流可视化测量装置

说明书

本发明涉及一种超声平面波扫描式多相流可视化测试装置，采用超声相控阵探头发射方向可调的超声平面波，对被测区域进行扫描，包括超声相控阵阵列、超声平面波发生与控制单元、超声发射单元、超声信号采集与处理单元、数据解调单元、相分布重建与显示单元；所述的超声相控阵阵列为M组超声相控阵探头的组合，均匀分布在被测管道相同的截面位置，每组相控阵探头包含N个超声阵元。每组超声相控阵探头在分别向其他组超声相控阵探头发射超声平面波后，切换至其相邻的下一组探头进行激励，并重复以上扫描测试过程。

技术领域

本发明属于流体测量技术与成像领域，涉及一种基于超声波透射原理的超声平面波扫描式多相流测试装置，可实现多相流相分布的在线可视化与含率估计。本发明以油/气/水多相流测量为描述对象，但并不仅限于该应用，在其他工业过程和化学反应中存在的多相流动现象本发明的测量装置仍适用。

技术背景

多相流现象广泛存在于生物工程、油气开采、化工产业、冶金工业、食品加工等现代工程领域与设备中，在工业生产与科学研究中有着十分重要的作用，对其流动过程参数的准确检测对生产过程的监控、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。近年来，由于多相流动机理的复杂性和不确定性，使得流动过程信息的准确获取和分析存在着诸多难题；而对多相流动状态的研究推动了动态流体模型的建立和流动机理的研究，为促进工程设备的发展和创新，提高工业过程的生产效率起到了十分重要的作用。

多相流的测量参数有含率、流量、流型等，由于多相流各相间存在界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上均呈随机变化，特征参数也比单相流多，致使多相流的流动特性远比单相流复杂，难以用数学公式进行完全描述。多相流过程参数检测策略随着工况与对象属性变化，可以利用的物理现象与关系很多，因此检测手段也多种多样。在科学研究与工业应用中，多相流的检测手段需要对被测流体不产生任何扰动，而超声法由于其结构简单、非扰动、造价低而备受关注。

超声检测是一种应用较为广泛的技术，在医学监测、流体测量中有其独特的优势，超声波在流体中传播时不会破坏流体的流场，没有压力损失，且对于人体无害安全性较高。同时若将检测元件置于管道外壁，可以避免与流体直接接触，降低传感器的腐蚀程度。由于超声波在不同声阻抗介质中的传播速度不同，可以利用超声在多相流介质中的传播特性获取传播通路上的相介质分布信息，如介质的平均声阻抗或声速等。特别是气相与液相界面处声阻抗的巨大差异，使得超声在气液界面的反射特性极为明显(可达99％)，因此超声对气液分界面有极好的分辨能力。超声相控阵层析成像方法可通过安装于管道同一截面处的多个超声相控阵探头，以非扰动的形式获得被测截面内部不同声阻抗介质的分布信息，如能有效利用超声在多相流中的透射和反射效应，可准确、全面地实现多相流相分布的可视化重建以及分布参数的估计。

传统的基于超声探头的层析成像技术具有一定的局限性：单探头发射声波为扇形(锥形)，扫描范围窄，宽发射角条件下的旁瓣衰减较大，且超声路径中的气泡投影存在着扩大趋势，不能够实现方向扫描，凹陷面和多气泡情况下图像重建效果精度不高。因此，本专利提出一种基于超声平面波的扫描式层析成像方法，通过控制超声相控阵探头中各阵元相位可以控制声束偏转，波束指向灵活，可以检测传统探头无法探测的区域，并提升测试投影数据数量，进而提升图像重建质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种能精确、非扰动的进行多相流参数可视化测量的装置，利用超声相控阵探头产生方向可变的超声平面波，通过对被测管段的多方位扫描，并利用超声相控阵获取高精度超声衰减与时延特性，获得油气水多相流声阻抗分布信息，进一步利用图像重建算法对超声衰减和渡越时间信息进行处理，重建出多相介质分布图像，实现进而估计各相截面相含率以及流型的在线识别。本发明的技术方案如下：