[發明專利]基于超聲導波技術的管道液體流量測量方法

有效

• 申請號: 200910088842.6
• 申請日: 2009-07-20
• 公開（公告）號: CN101614569A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 何存富;劉增華;吳斌;樊尚春;張力新
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 張 慧

技術領域

本發明涉及基于超聲導波技術的管道液體流量測量方法，屬于測試計量及無損檢測技術領域。

背景技術

在航空航天、核工業、電力、制冷、食品以及制藥等行業，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，是工藝流程中的必控參數之一。如何實現其實時、準確、方便的測量，這是流量測量領域面臨的難題之一。根據不同工況，采用不同類型的流量計(諸如，差壓式流量計、電磁式流量計、科氏質量流量計等等)進行流量測量是現今工業界常常使用的方法，已經得到了較為廣泛的應用。而基于現場管路工況的復雜性、傳輸介質的多樣性，以及管路安裝的限制，對流量計的技術指標的要求越來越高，適應范圍越來越廣，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域提出的新課題。近年來，人們仍然致力于創新，不斷推出新技術、新產品。

超聲波流量計，與電磁流量計和科氏質量流量計等相同，是近來發展最快，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，已經不能采用常規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，對于輸送非導磁介質的小管徑管路，也不能完全代替超聲流量計。因此，發展一種新型的，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，證實超聲導波技術用于管道中液體流量測量的可行性和應用潛力。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卷第7B期Japanese?Journal?of?Applied?Physics中發表的“Theoretical?investigation?of?guide?wave?flowmeter”，對超聲導波技術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波模態沒有進行優化選取。文中選取的縱向模態對液體流量變化不太敏感且頻散嚴重，影響了超聲導波技術對液體流量測量的準確性和超聲導波技術對液體流量測量的應用潛力，并且沒有考慮超聲導波縱向模態的激勵方式，文中采用的非軸對稱激勵方式無法有效地產生所選取的軸對稱縱向模態。

目前，對用于管道液體流量測量的超聲導波縱向模態及其激勵方式的優化選取迄今國內外尚未見相關報道。

發明內容

本發明提出了一種基于超聲導波技術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波縱向模態的理論分析，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增加或減小的超聲導波縱向模態用于管道液體流量的測量。

本發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波縱向模態的軸對稱分布的傳感器組(環)、功率放大器、轉換裝置、函數發生器、示波器和計算機等。其中一個傳感器組(環)安裝于充液管道某一位置，另一傳感器組(環)安裝于充液管道另一位置。兩個傳感器組(環)與轉換裝置的兩個端口連接，功率放大器、示波器分別與轉換裝置的另外兩個端口連接，計算機和示波器連接，函數發生器分別與功率放大器、示波器連接。

本發明的基于超聲導波技術的管道液體流量測量方法包括以下步驟：

1)在管道1的位置A處安裝軸對稱分布的第一傳感器組(環)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)3，設位置A和位置B的軸向間距為L；

2)由函數發生器5產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波縱向模態的頻率點；在該頻率點處，超聲導波縱向模態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增加或減?。?/p>

3)將轉換裝置8的C端和E端連接，D端和F端連接，即第一傳感器組(環)2與功率放大器4連接，用來激勵超聲導波縱向模態，將第二傳感器組(環)3與示波器6連接，用來接收超聲導波縱向模態的信號；