基于超声导波技术的管道液体流量测量方法

摘要

本发明涉及基于超声导波技术的管道液体流量测量方法，属于测试计量及无损检测技术领域。本发明选取激励频率处的群速度随频率变化率的绝对值低于0.002m，轴向位移在管中液体分布的平均值为在管壁中分布的平均值的30％以上，且群速度随管中液体流速呈单调增加或减小的超声导波纵向模态用于管道液体流量的测量。本发明可以对管道尤其是小管径管道中液体流量的大小进行快速、有效地测量。

主权项

1、基于超声导波技术的管道液体流量测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1)在管道(1)的位置A处安装轴对称分布的第一传感器组(2)，在管道(1)的另一位置B处安装轴对称分布的第二传感器组(3)，设位置A和位置B的轴向间距为L；2)由函数发生器(5)产生一个具有一定中心频率的单音频信号，该中心频率为所选取超声导波纵向模态的频率点，在该频率点处，超声导波纵向模态的群速度随频率变化率的绝对值低于0.002m，轴向位移在管中液体分布的平均值为在管壁中分布的平均值的30％以上，且群速度随管中液体流速呈单调增加或减小；3)调整转换装置，使第一传感器组(2)与功率放大器(4)连接，用来激励超声导波纵向模态，将第二传感器组(3)与示波器(6)连接，用来接收超声导波纵向模态的信号；4)函数发生器(5)产生一激励信号，该激励信号经功率放大器(4)进行功率放大，通过第一传感器组(2)在管道(1)中激励步骤2)所选取的超声导波纵向模态；5)激励的超声导波纵向模态信号在管道(1)中从第一传感器组(2)传播至第二传感器组(3)，即在管道中传播距离L后，第二传感器组(3)接收信号a，在示波器(6)上显示，并通过数据端口存储到计算机(7)中；6)调整转换装置，使第二传感器组(3)与功率放大器(4)连接，用来激励超声导波纵向模态，将第一传感器组(2)与示波器(6)连接，用来接收超声导波纵向模态的信号；7)由函数发生器(5)产生与步骤4)中相同的激励信号，该激励信号经功率放大器(4)进行功率放大，通过第二传感器组(3)在管道(1)中激励与步骤4)相同的超声导波纵向模态；8)再次激励的超声导波纵向模态信号在管道(1)中从第二传感器组(3)传播至第一传感器组(2)，即在管道中传播了距离L后，第一传感器组(2)接收信号b，在示波器(6)上显示，并通过数据端口存储到计算机(7)中；9)确定所得到的超声导波纵向模态信号a和信号b传播距离L所需的时间分别为t₁和t₂，从而得到超声导波纵向模态的传播时间差为Δt＝t₁-t₂；10)将管道中的液体流速v代入考虑液体流速的充液管道中超声导波纵向模态的频散方程，通过数值求解得到不同液体流速v时的相速度c_p频散曲线，进而利用公式$c_g=c_p^2/(c_p-\omega ·\frac{{\mathrm{dc}}_p}{\mathrm{d\omega }}),$其中：ω为圆频率，即得到超声导波纵向模态的群速度c_g频散曲线，通过分析所激励的超声导波纵向模态在不同液体流速v下的群速度频散曲线，得到某一频率点的一组该超声导波纵向模态的液体流速v和超声导波纵向模态群速度c_g的数据点，通过线性拟合，得到超声导波纵向模态的群速度c_g随液体流速v的变化率$S=\frac{\Delta c_g}{\mathrm{\Delta v}}$和液体流速为0即液体静止时该频率点的超声导波纵向模态的群速度c_g0；11)利用公式$v=\frac{\mathrm{\Delta t}·c_{g0}^2}{2S·L}$计算得到管道中液体流速v；当计算得到的液体流速v大于零时，表示液体流向为从A流向B，当液体流速v小于零时，表示液体流向为从B流向A；12)利用式U＝πvr₁²，求得充液管道中液体的体积流量U，进而确定充液管道中液体的质量流量M＝ρU＝πρvr₁²，其中，r₁为管道的内半径，ρ为管道中液体密度。