[發明專利]多模式曲面相控陣超聲層析成像裝置

在審

• 申請號: 201910798140.0
• 申請日: 2019-08-27
• 公開（公告）號: CN110470744A
• 公開（公告）日: 2019-11-19
• 發明（設計）人: 董峰;劉皓;譚超
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06;G01N29/34
• 代理公司: 12201 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 程毓英<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明涉及一種多模式曲面相控陣超聲層析成像裝置，用于對流經管道被測截面內的油氣水三相流體相分布進行重建，包括超聲傳感器陣列，信號控制模塊，高壓激勵模塊，信號采集與解調模塊、工業總線及上位機模塊；信號控制模塊可選通不同模式，通過固定時序控制其他所有模塊與傳感器陣列的激勵、測量過程，在信號控制模塊控制下，高壓激勵模塊產生時長、頻率、占空比可調的激勵電壓信號并施加在激勵超聲傳感器上；接收超聲傳感器上的感應電壓信號由信號采集與解調模塊進行記錄、處理和模數轉換，將得到的數字信號傳輸至信號控制模塊中的FPGA控制芯片以完成解調。

技術領域

本發明屬于多相流過程層析成像領域，涉及實現一種采用多模式曲面相控陣超聲層析測量裝置，可以實現多相流相分布的高精度可視化測量與分布參數在線估計。本發明針對但不限于廣泛存在的油氣水三相多相流過程，在其他工業過程和化學反應中存在的多相流動現象中本發明的測量裝置仍適用。

背景技術

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在生產過程監控、系統可靠運行保障及生產效率提升等方面具有重要的意義。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可以輔助動態流體模型的建立和流動機理的研究，對促進工程設備發展創新、提高工業生產效率等方面的技術研究有重要的推動作用。

過程層析成像技術(Process Tomography,PT)通過對多相流相介質分布進行在線成像的方法對多項流動狀態及分布參數進行研究。其中，超聲層析成像技術(UltrasoundTomography,UT)是一種結構層析成像技術，通過在被測場域外布置超聲傳感器陣列并施加一定的激勵以得到邊界電壓測量數據，以此來重建被測場域內部的折射系數、衰減系數或聲阻抗分布情況。超聲層析成像技術在多相流動過程研究中具有獨特的優勢。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，降低傳感器腐蝕程度。由于超聲波在不同聲阻抗介質中傳播速度不同，可以利用超聲該特性獲取投影路徑上的相介質分布信息，如介質的平均聲阻抗或聲速等。對于氣相與液相界面處聲阻抗的巨大差異，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具有極好的分辨能力。

相比其他過程成像技術如電阻抗層析成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)和電磁層析成像(Electrical Magnetic Tomography,EMT)，UT具有非侵入、分辨率高的優點，相比精度較高的硬場成像技術如射線層析成像(Xray Computed Tomography,X-CT)及光學層析成像方法(Optical Computed Tomography,OCT)，UT使用安全、結構簡單、可以實現實時成像。此外UT還有著非接觸、方向性好、成本低等優勢，是一種較為理想的可視化監測手段。

目前，已有的超聲層析成像裝置主要通過單探頭在單一頻率下激勵，并記錄相應透射或反射模式下的采集數據，存在數據量較小、測試模式單一的缺陷。此外，已有的超聲層析成像裝置無調配聲場能力，無法形成方向、角度、幅值、頻率動態可調的激勵聲場，進而無法獲取內含物對不同激勵聲場的多敏感調制信息。上述測試裝置缺陷致使目前油氣水多相介質超聲層析成像效果較差、精度較低，無法進行實時流動狀態監測與分布參數估計。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有多模式激勵測量能力的曲面相控陣多相流超聲層析成像裝置，用于對油氣水三相流動過程相介質分布信息進行在線測量。技術方案如下：