專利名稱：基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的管道液體流量測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的管道液體流量測量方法，屬于測試計量 及無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在航空航天、核工業(yè)、電力、制冷、食品以及制藥等行業(yè)，廣泛使用小
管徑(小于100mm，甚至小于10mm)管路用于傳輸液體。而流量作為一個重 要參數(shù)，是工藝流程中的必控參數(shù)之一。如何實現(xiàn)其實時、準確、方便的測 量，這是流量測量領(lǐng)域面臨的難題之一。根據(jù)不同工況，采用不同類型的流 量計(諸如，差壓式流量計、電磁式流量計、科氏質(zhì)量流量計等等)進行流 量測量是現(xiàn)今工業(yè)界常常使用的方法，已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。而基于 現(xiàn)場管路工況的復(fù)雜性、傳輸介質(zhì)的多樣性，以及管路安裝的限制，對流量 計的技術(shù)指標的要求越來越高，適應(yīng)范圍越來越廣，很難有一種流量計能滿 足不同場合的需求?，F(xiàn)有流量計的種類繁多，其工作原理多達10余種，類型 多達200多種，但仍不能完全滿足各領(lǐng)域提出的新課題。近年來，人們?nèi)匀恢?力于創(chuàng)新，不斷推出新技術(shù)、新產(chǎn)品。
超聲波流量計，與電磁流量計和科氏質(zhì)量流量計等相同，是近來發(fā)展最 快，使用范圍較廣的流量計之一。但是，超聲流量計，由于其原理上的原因， 也存在一些不足。在某些情況下，測量精度低，且很難有較大的提高；甚至 在一些特殊情況下，不能進行測量。如當(dāng)管路的管徑等于或小于超聲波的波 長時，由于聲程較短、聲束旁瓣的干擾等因素，聲波不可能以體波的形式傳 播，因此，從原理上講，已經(jīng)不能采用常規(guī)超聲體波流量計進行測量。而其他形式的小孔徑流量計，如電磁流量計，由于其本身測量原理的原因，對于 輸送非導(dǎo)磁介質(zhì)的小管徑管路，也不能完全代替超聲流量計。因此，發(fā)展一 種新型的，適合管道尤其是小管徑管道中液體流量測量方法顯得十分重要。
目前，利用超聲導(dǎo)波對管道中液體流量測量的研究已取得一定進展，證 實超聲導(dǎo)波技術(shù)用于管道中液體流量測量的可行性和應(yīng)用潛力。但目前取得
的研究成果較少且較為初步，僅見Haruminchi Sato等在2007年46巻第7B 期Japanese Journal of Applied Physics中發(fā)表的"Theoretical investigation of guide wave flowmeter",對超聲導(dǎo)波技術(shù)用于充液管道液體流量測量進行了報 道。但該文中沒有考慮超聲導(dǎo)波的頻散、能量分布等傳播特性，對用于液體 流量檢測的超聲導(dǎo)波模態(tài)沒有進行優(yōu)化選取。文中選取的縱向模態(tài)對液體流 量變化不太敏感且頻散嚴重，影響了超聲導(dǎo)波技術(shù)對液體流量測量的準確性 和超聲導(dǎo)波技術(shù)對液體流量測量的應(yīng)用潛力，并且沒有考慮超聲導(dǎo)波縱向模 態(tài)的激勵方式，文中采用的非軸對稱激勵方式無法有效地產(chǎn)生所選取的軸對 稱縱向模態(tài)。
目前，對用于管道液體流量測量的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)及其激勵方式的優(yōu) 化選取迄今國內(nèi)外尚未見相關(guān)報道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的管道液體流量測量方法，該方法 可以對管道尤其是小管徑管道中液體流量的大小進行快速、有效地測量。
該方法基于對超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的理論分析，選取激勵頻率處的群速度 隨頻率變化率的絕對值低于0.002m，軸向位移在管中液體分布的平均值為在 管壁中分布的平均值的30%以上，且群速度隨管中液體流速呈單調(diào)增加或減小的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)用于管道液體流量的測量。
本發(fā)明所采用的裝置包括充液管道、兩個分別用于激勵和接收超聲導(dǎo) 波縱向模態(tài)的軸對稱分布的傳感器組(環(huán))、功率放大器、轉(zhuǎn)換裝置、函數(shù)發(fā) 生器、示波器和計算機等。其中一個傳感器組(環(huán))安裝于充液管道某一位 置，另一傳感器組(環(huán))安裝于充液管道另一位置。兩個傳感器組(環(huán))與 轉(zhuǎn)換裝置的兩個端口連接，功率放大器、示波器分別與轉(zhuǎn)換裝置的另外兩個 端口連接，計算機和示波器連接，函數(shù)發(fā)生器分別與功率放大器、示波器連 接。
本發(fā)明的基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的管道液體流量測量方法包括以下步驟-
1) 在管道l的位置A處安裝軸對稱分布的第一傳感器組(環(huán))2，在管 道1的另一位置B處安裝軸對稱分布的第二傳感器組(環(huán))3，設(shè)位置A和位 置B的軸向間距為丄；
2) 由函數(shù)發(fā)生器5產(chǎn)生一個具有一定中心頻率的單音頻信號，該中心頻 率為所選取超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的頻率點；在該頻率點處，超聲導(dǎo)波縱向模態(tài) 的群速度隨頻率變化率的絕對值低于0.002m,軸向位移在管中液體分布的平 均值為在管壁中分布的平均值的30%以上，且群速度隨管中液體流速呈單調(diào) 增加或減小；
3) 將轉(zhuǎn)換裝置8的C端和E端連接，D端和F端連接，即第一傳感器組 (環(huán))2與功率放大器4連接，用來激勵超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)，將第二傳感器組 (環(huán))3與示波器6連接，用來接收超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的信號；
4) 函數(shù)發(fā)生器5產(chǎn)生一激勵信號，該激勵信號經(jīng)功率放大器4進行功率 放大；通過第一傳感器組(環(huán))2，在管道1中激勵所選取的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)；
5) 激勵的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)信號在管道1中從第一傳感器組(環(huán))2傳 播至第二傳感器組(環(huán))3,即在管道中傳播距離丄后，第二傳感器組(環(huán)) 3接收信號a，在示波器6上顯示，并通過數(shù)據(jù)端口存儲到計算機7中；
6) 將轉(zhuǎn)換裝置8的C端和F端連接，D端和E端連接，即將第二傳感器 組(環(huán)3與功率放大器4連接，用來激勵超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)，將第一傳感器 組(環(huán))2與示波器6連接，用來接收超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的信號；
7) 由函數(shù)發(fā)生器5產(chǎn)生與步驟4)相同的激勵信號，經(jīng)功率放大器4進 行功率放大；通過第二傳感器組(環(huán))3，在管道l中激勵與步驟4)相同的 超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)；
8) 再次激勵的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)信號在管道1中從第二傳感器組(環(huán))3 傳播至第一傳感器組(環(huán))2，即在管道中傳播了距離丄后，第一傳感器組(環(huán)) 2接收信號b,在示波器6上顯示，并通過數(shù)據(jù)端口存儲到計算機7中；
9) 確定所得到的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)信號a和信號b傳播距離丄所需的時 間分別為A和/2 ，從而得到超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的傳播時間差為= -/2;
10) 將管道中的液體流速v代入考慮液體流速的充液管道中超聲導(dǎo)波縱 向模態(tài)的頻散方程，通過數(shù)值求解得到不同液體流速v時的相速度cv頻散曲
線，進而利用^=《/
l" 眾
c。 一必—11 、p cto 乂
,其中必為圓頻率，即得到超聲導(dǎo)波縱向
模態(tài)的群速度^頻散曲線，通過分析所激勵的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)在不同液體
流速v下的群速度頻散曲線，可以得到某一頻率點的一組液體流速v-超聲導(dǎo)波 縱向模態(tài)群速度C。的數(shù)據(jù)點，通過線性擬合，得到超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的群速度^隨液體流速v的變化率5^」和液體流速為0即液體靜止時該頻率點的
Av
超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的群速度^。；
11) 利用式p^^，即可計算得到管道中液體流速v。當(dāng)計算得到的液 體流速v大于零時，表示液體流向為從A流向B，當(dāng)液體流速v小于零時，表
示液體流向為從B流向A;
12) 利用式[7-7rw;2，即可求得充液管道中液體的體積流量C7，進而可以
確定充液管道中液體的質(zhì)量流量# = /7" = 7t/t^2。其中，G為管道的內(nèi)半徑，
p為管道中液體密度。
與現(xiàn)有管道液體流量的測量方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1)可以對 管道尤其是小管徑管道中液體流量的大小進行快速、有效地測量；2)不需改 變管道的結(jié)構(gòu)，只需將傳感器安裝在管道外壁即可實行在線、無損測量；3)可 充分利用超聲導(dǎo)波的多模態(tài)特性，優(yōu)化選取群速度對液體流速敏感的超聲導(dǎo) 波縱向模態(tài)用于管道中液體流量大小的測量，檢測方便，測量可靠性高，效 率高，勞動強度低。
圖1基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的管道液體流量測量裝置原理圖2水的流速v為0即水靜止時充水鋼管中超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的群速度頻散曲
線；
圖3水的流速v不同時充水鋼管中超聲導(dǎo)波最低階縱向模態(tài)^的群速度頻散
曲線；其中，水的流速v變化范圍為-100 100m/s，步長為10m/s;
圖4充水鋼管中頻率50kHz的超聲導(dǎo)波最低階縱向模態(tài)a,的群速度與水的流速V之間的變化關(guān)系圖。
圖中1、充液管道，2、傳感器組(環(huán))，3、傳感器組(環(huán))，4、功率 放大器，5、函數(shù)發(fā)生器，6、示波器，7、計算機，8、轉(zhuǎn)換裝置，9、水的流 速v為0即水靜止時充水鋼管中超聲導(dǎo)波最低階縱向模態(tài)^的群速度頻散曲 線，10、充水鋼管中頻率50kHz的超聲導(dǎo)波最低階縱向模態(tài)^的群速度與水 的流速v之間的線性擬合關(guān)系直線。
具體實施例方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下數(shù)值仿真得到的實施例
(1) 將沿充液管道的軸線對稱分布的第一傳感器組(環(huán))2和第二傳感組
(環(huán))3安裝在同一充水鋼管i中，兩者相距i:。本實施例中充水鋼管的內(nèi)半
徑G = 4mm和外半徑^ = 5mm ;
(2) 理論分析得到考慮管中水的流速v的充水鋼管中超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的
相速度c。頻散方程lDh
化
A2A5
A,A2A5
A,A2
A,A4D55
=0，通過數(shù)值求解得到不同
水的流速v時充水鋼管中超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的相速度^頻散曲線，進而利用
—，得到不同水的流速v時充水鋼管中超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的群速
血
c 一必'
d必
度c。頻散曲線;
其中，D =//
L、Cp
^( r2)+2^^—2) 八D12 =//
Q 、
■、cp 乂 2辯
，"13 =
2，
p 匕
風(fēng),
> 一 v/ > —
一 2"《(or2)
"22 — , "23 一
Q 、
、cp 乂
V 、
一,
、cp 乂
2)，
"25 一 V ， "31 一 ， "32 — ，
、cp J 、cp J
Al,'W， KW， D43=^^， A4=^^，
/2 ^
、cp 乂
A4 =
2"
//02(^)+2-7^(c^)
，A3 =
2，
必2 <y2
風(fēng)W-
AW
，A5 =々
必
1
々2=^_^，《)(z)和《)(z)為漢克爾函數(shù)(z為任意值)，
c， c.
且
(v = 0，l)， J。(z)和A(》分別為0階和1階第一
類貝塞爾函數(shù)，^z)和l^;)分別為O階和1階第二類貝塞爾函數(shù)，Cl =5960m/s 和q =3260111/8分別為鋼的縱波波速和橫波波速，// = /^22為鋼的Lame常數(shù)，
/^7932kg/m3為鋼的密度，^1^， ^:1500m/s為水的縱波波
c.,,lc_ 一 V)
11速，^-2為水的Lame常數(shù)，/ w = 1000kg/m3為水的密度；
(3) 圖2給出了頻帶0-2.0MHz范圍內(nèi)，水的流速v為O即水靜止時充水 鋼管中超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的群速度頻散曲線，選取頻率50kHz的超聲導(dǎo)波最 低階縱向模態(tài)^用于鋼管中水的流量v測量，在該頻率點處，縱向模態(tài)^的 群速度隨頻率變化率的絕對值低于0.002m，軸向位移在管中液體分布的平均 值為在管壁中分布的平均值的30%以上，且群速度隨管中液體流速呈單調(diào)增 加或減??；
(4) 圖3給出了充水鋼管中超聲導(dǎo)波最低階縱向模態(tài)^在不同水的流速v
下的群速度頻散曲線，頻帶為0-0.5MHz。圖4給出了充水鋼管中頻率50kHz的
超聲導(dǎo)波最低階縱向模態(tài)"L的群速度與水的流速v之間的變化關(guān)系圖。通過 線性擬合，可以確定頻率50kHz的縱向模態(tài)^的群速度^隨水的流速v的變化
率S = f = 0.995(m/sy(m/s)和水的流速v為O即水靜止時該頻率點的超聲導(dǎo)波
△V
縱向模態(tài)的群速度^。 = 1413.08m/s ;
(5) 由函數(shù)發(fā)生器5產(chǎn)生一個具有一定中心頻率的單音頻信號。在本實施 中，該單音頻信號的中心頻率為50kHz。將轉(zhuǎn)換裝置8的C端和E端連接，D端 和F端連接，即第一傳感器組(環(huán))2與功率放大器4連接，用來激勵超聲導(dǎo)波 縱向模態(tài)，將第二傳感器組(環(huán))3與示波器6連接，用來接收超聲導(dǎo)波縱向 模態(tài)的信號；
(6) 函數(shù)發(fā)生器5產(chǎn)生的單音頻信號經(jīng)功率放大器4放大，由第一傳感器組 (環(huán))2激勵中心頻率50kHz的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)^。在該頻率點處，縱向模
態(tài)"L的群速度隨頻率變化率的絕對值低于0.002m,軸向位移在管中液體分布的平均值為在管壁中分布的平均值的30%以上，且群速度隨管中液體流速呈單 調(diào)增加或減小。經(jīng)傳播距離丄后，第二傳感器組(環(huán))3接收信號4，在示波 器6顯示，并通過以太網(wǎng)端口存儲到計算機7;
(7) 將轉(zhuǎn)換裝置8的C端和F端連接，D端和E端連接，即將第二傳感 器組(環(huán))3與功率傳感器4連接，用來激勵超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)，將第一傳感 器組(環(huán))2與示波器6連接，用來接收超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的信號。由函數(shù)發(fā) 生器5產(chǎn)生同一激勵信號，即中心頻率50kHz的單音頻信號。經(jīng)功率放大器 4放大，由第二傳感器組(環(huán))3激勵相同的中心頻率50kHz的超聲導(dǎo)波縱向 模態(tài)^，經(jīng)傳播距離丄后，第一傳感器組(環(huán))2接收信號4，在示波器6 顯示，并通過以太網(wǎng)端口存儲到計算機7;
(8) 數(shù)據(jù)分析得到接收的超聲導(dǎo)波最低階縱向模態(tài)a,的信號羊和4在傳 播同一距離丄的時間^和/2，確定兩者之間的傳播時間差為Af-^-^
(9) 可以確定充水鋼管中水的流速"^^-1.0034xl06x^(m/s);
(10) 鋼管中水的體積流量￡/ =卩乂(4乂10-3)271==50.436><玍(1113/3),水的質(zhì)
丄
量流量M = .= 50436x^(kg/s)，從而實現(xiàn)管道中液體流量的測量。1權(quán)利要求
1、基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的管道液體流量測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟1)在管道(1)的位置A處安裝軸對稱分布的第一傳感器組(2)，在管道(1)的另一位置B處安裝軸對稱分布的第二傳感器組(3)，設(shè)位置A和位置B的軸向間距為L；2)由函數(shù)發(fā)生器(5)產(chǎn)生一個具有一定中心頻率的單音頻信號，該中心頻率為所選取超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的頻率點，在該頻率點處，超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的群速度隨頻率變化率的絕對值低于0.002m，軸向位移在管中液體分布的平均值為在管壁中分布的平均值的30％以上，且群速度隨管中液體流速呈單調(diào)增加或減??；3)調(diào)整轉(zhuǎn)換裝置，使第一傳感器組(2)與功率放大器(4)連接，用來激勵超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)，將第二傳感器組(3)與示波器(6)連接，用來接收超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的信號；4)函數(shù)發(fā)生器(5)產(chǎn)生一激勵信號，該激勵信號經(jīng)功率放大器(4)進行功率放大，通過第一傳感器組(2)在管道(1)中激勵步驟2)所選取的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)；5)激勵的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)信號在管道(1)中從第一傳感器組(2)傳播至第二傳感器組(3)，即在管道中傳播距離L后，第二傳感器組(3)接收信號a，在示波器(6)上顯示，并通過數(shù)據(jù)端口存儲到計算機(7)中；6)調(diào)整轉(zhuǎn)換裝置，使第二傳感器組(3)與功率放大器(4)連接，用來激勵超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)，將第一傳感器組(2)與示波器(6)連接，用來接收超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的信號；7)由函數(shù)發(fā)生器(5)產(chǎn)生與步驟4)中相同的激勵信號，該激勵信號經(jīng)功率放大器(4)進行功率放大，通過第二傳感器組(3)在管道(1)中激勵與步驟4)相同的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)；8)再次激勵的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)信號在管道(1)中從第二傳感器組(3)傳播至第一傳感器組(2)，即在管道中傳播了距離L后，第一傳感器組(2)接收信號b，在示波器(6)上顯示，并通過數(shù)據(jù)端口存儲到計算機(7)中；9)確定所得到的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)信號a和信號b傳播距離L所需的時間分別為t1和t2，從而得到超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的傳播時間差為Δt＝t1-t2；10)將管道中的液體流速v代入考慮液體流速的充液管道中超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的頻散方程，通過數(shù)值求解得到不同液體流速v時的相速度cp頻散曲線，進而利用公式<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>c</mi> <mi>g</mi></msub><mo>=</mo><msubsup> <mi>c</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>c</mi><mi>p</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>ω</mi> <mo>·</mo> <mfrac><msub> <mi>dc</mi> <mi>p</mi></msub><mi>dω</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100888420003C1.tif" wi="45" he="13" top= "137" left = "61" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中ω為圓頻率，即得到超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的群速度cg頻散曲線，通過分析所激勵的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)在不同液體流速v下的群速度頻散曲線，得到某一頻率點的一組該超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的液體流速v和超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)群速度cg的數(shù)據(jù)點，通過線性擬合，得到超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的群速度cg隨液體流速v的變化率<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>c</mi> <mi>g</mi></msub> </mrow> <mi>Δv</mi></mfrac> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009100888420003C2.tif" wi="16" he="11" top= "189" left = "136" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>和液體流速為0即液體靜止時該頻率點的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)的群速度cg0；11)利用公式<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>v</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>Δt</mi><mo>·</mo><msubsup> <mi>c</mi> <mrow><mi>g</mi><mn>0</mn> </mrow> <mn>2</mn></msubsup> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mi>S</mi><mo>·</mo><mi>L</mi> </mrow></mfrac> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2009100888420003C3.tif" wi="20" he="11" top= "217" left = "60" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>計算得到管道中液體流速v；當(dāng)計算得到的液體流速v大于零時，表示液體流向為從A流向B，當(dāng)液體流速v小于零時，表示液體流向為從B流向A；12)利用式U＝πvr12，求得充液管道中液體的體積流量U，進而確定充液管道中液體的質(zhì)量流量M＝ρU＝πρvr12，其中，r1為管道的內(nèi)半徑，ρ為管道中液體密度。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的管道液體流量測量方法，其特 征在于所述的第一傳感器組和第二傳感器組能夠由傳感器環(huán)代替。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的管道液體流量測量方法，屬于測試計量及無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明選取激勵頻率處的群速度隨頻率變化率的絕對值低于0.002m，軸向位移在管中液體分布的平均值為在管壁中分布的平均值的30％以上，且群速度隨管中液體流速呈單調(diào)增加或減小的超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)用于管道液體流量的測量。本發(fā)明可以對管道尤其是小管徑管道中液體流量的大小進行快速、有效地測量。
文檔編號G01F1/66GK101614569SQ20091008884
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者何存富, 劉增華, 斌 吳, 張力新, 樊尚春 申請人:北京工業(yè)大學(xué)