一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法

摘要

一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法，加工制作具有三个压电单元组成的超声波探头，用于发射和接收超声波信号，将超声波探头分别布置在与管道轴线成45°的两个倾斜截面上，测量各声道上超声波顺流和逆流传播的飞行时间，计算管道流体在各声道上的平均流速：将每组声道等间隔内插，获取内插后各声道上的平均流速；基于平行束投影的滤波反投影方法从声道的平均流速数据出发重建流速分布剖面，基于重建得到的流速分布剖面图等间隔选取流速点，由各点流速简单平均并与管道截面积相乘即为管道流量数值，本发明可以实现在复杂流态下对管道内部流场分布的监控，减小超声波流量计的模型误差，最终获取精确的流量数值。

主权项

1.一种基于超声波的管道流速成像和流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：加工制作具有三个压电单元组成的超声波探头，用于发射和接收超声波信号，每个压电单元均可完成发射和接收超声波任务，每个压电单元均有一定的声束角，声束角满足这样的条件：使得边界压电单元的声束角分别涉及相邻的四个探头，中心单元的声束角涉及正对面的三个探头；步骤二：将超声波探头分别布置在与管道轴线成45°的两个倾斜截面上，每个测量平面上均匀放置12个兼具发射和接收任务的超声波探头，探头在每个测量平面上形成66条声道；步骤三：分别测量各声道上超声波顺流和逆流传播的飞行时间，由下式计算管道流体在各声道上的平均流速：${\bar{V}}_{\mathrm{path}}=\frac{L}{2\cos \phi }\left(\frac{t_{B\to A}-t_{A\to B}}{t_{A\to B}{t}_{B\to A}}\right)---\left(1\right)$其中，t_B→A和t_A→B分别为超声波顺流和逆流的飞行时间，为测量截面的倾角，L为声传播路径长度；步骤四：将每个测量平面上的声道分为12组，每组中的声道相互平行，将每组声道等间隔内插，并按步骤三的公式获取内插后各声道上的平均流速；步骤五：基于平行束投影的滤波反投影方法从声道的平均流速数据出发重建流速分布剖面，公式如下：式中，为任意一点，代表过的任意直线L，r为原点到直线L的距离，为直线L的法向，为平行束投影采样关于第一个变量的傅里叶变换；该公式的具体实施过程为：（1）对平行束投影采样关于r做傅里叶变换，得到（2）进行频域滤波操作，滤波器传递函数为|σ|；（3）对滤波后的数据关于σ做反傅里叶变换，得到（4）对所有经过点的直线数据积分求和，即为该点的速度值步骤六：基于重建得到的流速分布剖面图等间隔选取流速点，由各点流速简单平均并与管道截面积相乘即为管道流量数值。