[發明專利]超聲平面波掃描式多相流可視化測量裝置

有效

• 申請號: 201810054220.0
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號: CN108490068B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 譚超;李瀟;劉偉玲;董峰
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N29/024
• 分類號: G01N29/024;G01N29/032;G01N29/24;G01N29/26
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種超聲平面波掃描式多相流可視化測試裝置，采用超聲相控陣探頭發射方向可調的超聲平面波，對被測區域進行掃描，包括超聲相控陣陣列、超聲平面波發生與控制單元、超聲發射單元、超聲信號采集與處理單元、數據解調單元、相分布重建與顯示單元；所述的超聲相控陣陣列為M組超聲相控陣探頭的組合，均勻分布在被測管道相同的截面位置，每組相控陣探頭包含N個超聲陣元。每組超聲相控陣探頭在分別向其他組超聲相控陣探頭發射超聲平面波后，切換至其相鄰的下一組探頭進行激勵，并重復以上掃描測試過程。

技術領域

本發明屬于流體測量技術與成像領域，涉及一種基于超聲波透射原理的超聲平面波掃描式多相流測試裝置，可實現多相流相分布的在線可視化與含率估計。本發明以油/氣/水多相流測量為描述對象，但并不僅限于該應用，在其他工業過程和化學反應中存在的多相流動現象本發明的測量裝置仍適用。

技術背景

多相流現象廣泛存在于生物工程、油氣開采、化工產業、冶金工業、食品加工等現代工程領域與設備中，在工業生產與科學研究中有著十分重要的作用，對其流動過程參數的準確檢測對生產過程的監控、管理、分析與設計，以及確保裝置可靠運行、提高生產效率具有十分重要的意義。近年來，由于多相流動機理的復雜性和不確定性，使得流動過程信息的準確獲取和分析存在著諸多難題；而對多相流動狀態的研究推動了動態流體模型的建立和流動機理的研究，為促進工程設備的發展和創新，提高工業過程的生產效率起到了十分重要的作用。

多相流的測量參數有含率、流量、流型等，由于多相流各相間存在界面效應和相對速度，相界面在時間和空間上均呈隨機變化，特征參數也比單相流多，致使多相流的流動特性遠比單相流復雜，難以用數學公式進行完全描述。多相流過程參數檢測策略隨著工況與對象屬性變化，可以利用的物理現象與關系很多，因此檢測手段也多種多樣。在科學研究與工業應用中，多相流的檢測手段需要對被測流體不產生任何擾動，而超聲法由于其結構簡單、非擾動、造價低而備受關注。

超聲檢測是一種應用較為廣泛的技術，在醫學監測、流體測量中有其獨特的優勢，超聲波在流體中傳播時不會破壞流體的流場，沒有壓力損失，且對于人體無害安全性較高。同時若將檢測元件置于管道外壁，可以避免與流體直接接觸，降低傳感器的腐蝕程度。由于超聲波在不同聲阻抗介質中的傳播速度不同，可以利用超聲在多相流介質中的傳播特性獲取傳播通路上的相介質分布信息，如介質的平均聲阻抗或聲速等。特別是氣相與液相界面處聲阻抗的巨大差異，使得超聲在氣液界面的反射特性極為明顯(可達99％)，因此超聲對氣液分界面有極好的分辨能力。超聲相控陣層析成像方法可通過安裝于管道同一截面處的多個超聲相控陣探頭，以非擾動的形式獲得被測截面內部不同聲阻抗介質的分布信息，如能有效利用超聲在多相流中的透射和反射效應，可準確、全面地實現多相流相分布的可視化重建以及分布參數的估計。

傳統的基于超聲探頭的層析成像技術具有一定的局限性：單探頭發射聲波為扇形(錐形)，掃描范圍窄，寬發射角條件下的旁瓣衰減較大，且超聲路徑中的氣泡投影存在著擴大趨勢，不能夠實現方向掃描，凹陷面和多氣泡情況下圖像重建效果精度不高。因此，本專利提出一種基于超聲平面波的掃描式層析成像方法，通過控制超聲相控陣探頭中各陣元相位可以控制聲束偏轉，波束指向靈活，可以檢測傳統探頭無法探測的區域，并提升測試投影數據數量，進而提升圖像重建質量。

發明內容

本發明的目的是提供一種能精確、非擾動的進行多相流參數可視化測量的裝置，利用超聲相控陣探頭產生方向可變的超聲平面波，通過對被測管段的多方位掃描，并利用超聲相控陣獲取高精度超聲衰減與時延特性，獲得油氣水多相流聲阻抗分布信息，進一步利用圖像重建算法對超聲衰減和渡越時間信息進行處理，重建出多相介質分布圖像，實現進而估計各相截面相含率以及流型的在線識別。本發明的技術方案如下：