CN108490068B - 超声平面波扫描式多相流可视化测量装置 - Google Patents
超声平面波扫描式多相流可视化测量装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108490068B CN108490068B CN201810054220.0A CN201810054220A CN108490068B CN 108490068 B CN108490068 B CN 108490068B CN 201810054220 A CN201810054220 A CN 201810054220A CN 108490068 B CN108490068 B CN 108490068B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ultrasonic
- phased array
- probes
- array
- unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims description 22
- 238000012800 visualization Methods 0.000 title abstract description 10
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 95
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 44
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 38
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 27
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 15
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 14
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 9
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 4
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 11
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 239000007822 coupling agent Substances 0.000 description 1
- 238000013075 data extraction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000005501 phase interface Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000004148 unit process Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/02—Analysing fluids
- G01N29/024—Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/74—Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/02—Analysing fluids
- G01N29/032—Analysing fluids by measuring attenuation of acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
- G01N29/262—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by electronic orientation or focusing, e.g. with phased arrays
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明涉及一种超声平面波扫描式多相流可视化测试装置，采用超声相控阵探头发射方向可调的超声平面波，对被测区域进行扫描，包括超声相控阵阵列、超声平面波发生与控制单元、超声发射单元、超声信号采集与处理单元、数据解调单元、相分布重建与显示单元；所述的超声相控阵阵列为M组超声相控阵探头的组合，均匀分布在被测管道相同的截面位置，每组相控阵探头包含N个超声阵元。每组超声相控阵探头在分别向其他组超声相控阵探头发射超声平面波后，切换至其相邻的下一组探头进行激励，并重复以上扫描测试过程。
Description
技术领域
本发明属于流体测量技术与成像领域，涉及一种基于超声波透射原理的超声平面波扫描式多相流测试装置，可实现多相流相分布的在线可视化与含率估计。本发明以油/气/水多相流测量为描述对象，但并不仅限于该应用，在其他工业过程和化学反应中存在的多相流动现象本发明的测量装置仍适用。
技术背景
多相流现象广泛存在于生物工程、油气开采、化工产业、冶金工业、食品加工等现代工程领域与设备中，在工业生产与科学研究中有着十分重要的作用，对其流动过程参数的准确检测对生产过程的监控、管理、分析与设计，以及确保装置可靠运行、提高生产效率具有十分重要的意义。近年来，由于多相流动机理的复杂性和不确定性，使得流动过程信息的准确获取和分析存在着诸多难题；而对多相流动状态的研究推动了动态流体模型的建立和流动机理的研究，为促进工程设备的发展和创新，提高工业过程的生产效率起到了十分重要的作用。
多相流的测量参数有含率、流量、流型等，由于多相流各相间存在界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上均呈随机变化，特征参数也比单相流多，致使多相流的流动特性远比单相流复杂，难以用数学公式进行完全描述。多相流过程参数检测策略随着工况与对象属性变化，可以利用的物理现象与关系很多，因此检测手段也多种多样。在科学研究与工业应用中，多相流的检测手段需要对被测流体不产生任何扰动，而超声法由于其结构简单、非扰动、造价低而备受关注。
超声检测是一种应用较为广泛的技术，在医学监测、流体测量中有其独特的优势，超声波在流体中传播时不会破坏流体的流场，没有压力损失，且对于人体无害安全性较高。同时若将检测元件置于管道外壁，可以避免与流体直接接触，降低传感器的腐蚀程度。由于超声波在不同声阻抗介质中的传播速度不同，可以利用超声在多相流介质中的传播特性获取传播通路上的相介质分布信息，如介质的平均声阻抗或声速等。特别是气相与液相界面处声阻抗的巨大差异，使得超声在气液界面的反射特性极为明显(可达99％)，因此超声对气液分界面有极好的分辨能力。超声相控阵层析成像方法可通过安装于管道同一截面处的多个超声相控阵探头，以非扰动的形式获得被测截面内部不同声阻抗介质的分布信息，如能有效利用超声在多相流中的透射和反射效应，可准确、全面地实现多相流相分布的可视化重建以及分布参数的估计。
传统的基于超声探头的层析成像技术具有一定的局限性：单探头发射声波为扇形(锥形)，扫描范围窄，宽发射角条件下的旁瓣衰减较大，且超声路径中的气泡投影存在着扩大趋势，不能够实现方向扫描，凹陷面和多气泡情况下图像重建效果精度不高。因此，本专利提出一种基于超声平面波的扫描式层析成像方法，通过控制超声相控阵探头中各阵元相位可以控制声束偏转，波束指向灵活，可以检测传统探头无法探测的区域，并提升测试投影数据数量，进而提升图像重建质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种能精确、非扰动的进行多相流参数可视化测量的装置，利用超声相控阵探头产生方向可变的超声平面波，通过对被测管段的多方位扫描，并利用超声相控阵获取高精度超声衰减与时延特性，获得油气水多相流声阻抗分布信息，进一步利用图像重建算法对超声衰减和渡越时间信息进行处理，重建出多相介质分布图像，实现进而估计各相截面相含率以及流型的在线识别。本发明的技术方案如下：
一种超声平面波扫描式多相流可视化测试装置，采用超声相控阵探头发射方向可调的超声平面波，对被测区域进行扫描，包括超声相控阵阵列、超声平面波发生与控制单元、超声发射单元、超声信号采集与处理单元、数据解调单元、相分布重建与显示单元；所述的超声相控阵阵列为M组超声相控阵探头的组合，均匀分布在被测管道相同的截面位置，每组相控阵探头包含N个超声阵元。
超声平面波发生与控制单元包括波束成形电路与控制芯片，控制芯片向波束成形电路发送寄存器配置数据，实现调节脉冲宽度、频率和重复频率的功能，通过波束成形电路控制连接于一组相控阵探头中各阵元通路上的脉冲产生延时，精确控制该组相控阵探头内每个阵元发射超声的不同时间，合成平面波束，并通过控制延时来控制平面波的偏转角度和偏转角扫描速度，以便在被测空间中分别与其他组相控阵探头形成平面波发射接收通路；
超声发射单元包括高压脉冲电路和阵元复用电路，超声平面波发生与控制单元的输出信号进入超声发射单元后，可输出单极性或双极性的高压脉冲信号，并将高压脉冲信号与波束成形电路保护隔离，高压发射多路复用器由控制芯片控制各超声阵列通道的选通，实现超声信号发射。
超声接收信号由超声信号采集与处理单元采集，该单元包括超声回波高压隔离电路，可变增益放大器，抗混叠滤波电路和AD采样电路，超声回波高压隔离电路用来实现发射的高压脉冲信号与超声接收信号间的隔离限幅；可变增益放大器通用于控制不同强度采集信号的放大增益，抗混叠滤波电路用于滤除所采集的超声接收信号的高频成分，限制噪声带宽，滤除夹杂在传感器和接收通道中的高频噪声；AD采样电路将滤除了高频成分的采样数据转换成数字信号后输入到数据解调单元；数据解调单元用于实现数据的传输控制与解调算法，获取测量每组超声相控阵探头中每一阵元接收到的超声波强度与渡越时间，形成一个N维的超声衰减向量与一个N维的超声时延向量。
每组超声相控阵探头在分别向其他组超声相控阵探头发射超声平面波后，切换至其相邻的下一组探头进行激励，并重复以上扫描测试过程，直至所有超声探头阵列按顺序激励一圈后，完成一幅截面数据的激励与采集，共获得M(M-1)组超声衰减向量与M(M-1)组超声时延向量。数据解调单元将获得的测量数据通过工业标准总线协议发送至相分布重建与显示单元，利用接收的超声衰减向量重建出气相分布，利用超声时延向量重建出不同液相介质的分布，并通过重建图像融合获得最终的多相介质分布图像，进行显示输出。
本发明的有益效果及优点如下：
1、应用超声相控技术采用平面波发射，单次发射即可在发射相控阵探头与接收相控阵探头间形成均匀的平面波传输路径，与传统的多探头超声成像系统相比，缩短了采集一帧图像的采集时间，提高了扫描速率。
2、超声波对多相流体的密度变化敏感，因此可利用超声平面波的到达时间延迟获得超声通路内不同液相介质的分布信息，利用气液界面对超声的阻隔效应获得超声通路内气相分布信息，可实现多相介质分布的同时重建。
3、采用多相控阵探头组成超声相控阵阵列，相比于以往单组超声相控阵探头能够实现多角度的发射，精确地控制超声平面波扫射方向，实现被测区域的全方位扫描，并在每一个投影角度下获得更多的测量信息用于图像重建，可以有效地提升图像分辨率和信噪比。
4、该方法为非接触、侵入的测量手段，不会对流体产生任何的扰动。
5、基于标准工业总线系统具备很强的抗震性与抗电磁干扰能力，保证了系统能够在复杂多变的环境中稳定工作。
附图说明
以下图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性图而非穷举或限制性，其中：
图1本发明装置超声相控阵阵列结构图，其中，1-管道；2-装置固定用法兰；3-超声相控阵阵列；图1(a)为相控阵阵列结构侧视图，包括被测管道1与超声相控阵阵列3；图1(b)为纵向A-A截面剖视图；图1(c)为横向B-B截面剖视图；
图2本发明设备实例8组超声相控阵探头的截面分布和每组探头内的阵元分布示意图，其中，4-超声相控阵探头，5-探头中的阵元，图2(a)为超声相控阵阵列的截面分布图；图2(b)为超声相控阵探头的具体结构示意图；W为超声相控阵探头的厚度，p为相邻阵元中心距离，g为阵元间隙，每个超声相控阵探头内含有8个线性阵元；
图3本发明设备以水为连续相，气泡与油泡为离散相的超声平面波测试机理示意图；
图4-图6本发明设备超声相控阵探头发射平面波的控制方法与扫描方式示意图；
图7本发明装置的超声接收相控阵探头测量原理示意图；
图8本发明装置超声平面波扫描式多相流可视化测量系统结构示意图；
图9本发明装置超声平面波扫描式多相流可视化测量系统波束成形电路、超声信号采集单元和超声信号处理单元信号流程示意图。
具体实施方式
本发明提供的超声平面波扫描式多相流可视化测试装置，采用超声相控阵探头发射方向可调的超声平面波，对被测区域进行扫描，利用超声通路内气液界面的阻隔效应以及不同液相介质声速不同的物理原理，实现流经被测管道的多相流过程可视化测量，包括超声相控阵阵列、超声平面波发生与控制单元、超声发射单元、超声信号采集与处理单元、数据解调单元、相分布重建与显示单元；所述的超声相控阵阵列为M组超声相控阵探头的组合，均匀分布在被测管道相同的截面位置，每组相控阵探头包含N个超声阵元。
超声平面波发生与控制单元由波束成形电路与控制芯片组成，控制芯片标准通讯接口向波束成形器发送寄存器配置数据，实现调节脉冲宽度、频率和重复频率等功能，并通过控制连接于一组相控阵探头中各阵元通路上的脉冲产生延时，精确控制该组相控阵探头内每个阵元发射超声的不同时间，合成平面波束，并通过控制延时来控制平面波的偏转角度和偏转角扫描速度，以便在被测空间中分别与其他组相控阵探头形成平面波发射接收通路。超声发射单元由高压脉冲电路和阵元复用电路组成，平面波发生与控制单元的输出信号进入超声发射单元后，变为单极性或双极性的高压脉冲信号，在高压脉冲发射电路内部集成隔离保护电路，将高压信号与波束成形电路进行保护隔离，提高系统安全性和发射信号的信噪比。高压发射多路复用器由控制芯片控制各超声阵列通道的选通，同时隔离发射信号和超声接收信号，提高回波信号的采集质量。
超声信号采集与处理单元由超声回波高压隔离电路，可变增益放大器，抗混叠滤波电路和AD采样电路组成。隔离电路由隔离保护二极管电桥组成，实现高压脉冲的隔离限幅，防止发射的高压脉冲损坏超声相控阵接收电路。可变增益放大器通过标准通讯接口控制不同强度采集信号的放大增益，加入抗混叠滤波器滤除高频成分，限制噪声带宽，滤除夹杂在传感器和接收通道中的高频噪声。AD采样电路将采样数据经过内部逻辑校验后输出。数据解调单元实现数据的传输控制与解调算法，获取测量超声相控阵探头中每一阵元接收到的超声波强度与渡越时间，形成一个N维的超声衰减向量与一个N维的超声时延向量。
每组超声相控阵探头在分别向其他组超声相控阵探头发射超声平面波后，切换至其相邻的下一组探头进行激励，并重复以上扫描测试过程，直至所有超声探头阵列按顺序激励一圈后，完成一幅截面数据的激励与采集，共获得M(M-1)组超声衰减向量与M(M-1)组超声时延向量。数据解调单元将获得的测量数据通过工业标准总线协议发送至相分布重建与显示单元，利用接收的超声衰减向量重建出气相分布，利用超声时延向量重建出不同液相介质的分布，并通过重建图像融合获得最终的多相介质分布图像，进行显示输出。
以下以8组8阵元相控阵组成的超声相控阵阵列为例，详细描述制造和操作本发明的步骤，旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。
图1描述了本发明装置的整体结构图，包括被测管段1，2-装置固定用法兰，超声相控阵阵列3。超声相控阵阵列3由8组均匀间隔分布在被测管道截面位置上的超声阵列探头构成；所述的超声相控阵阵列3中的每个探头由8个超声阵元组成，通过控制8个阵元的激励时间差，可产生发射方向可调的超声平面波。当超声信号发生与采集等单元选通一组超声相控阵阵列激励时，控制其发出的超声平面波方向，按顺序分别对准其他所有超声相控阵探头，也即以扫描方式在激励超声相控阵探头与其他所有探头间形成测试通路，分别获取不同通路上的超声衰减与延时信息，经超声信号发生与采集等单元进行处理后，将超声衰减与时延数据送入相分布重建和可视化单元，进行多相介质分布重建和显示，以及流动参数的提取等处理。图1列举了本发明装置传感器布置的一个实例，并非唯一安装结构，实际应用中可根据需求调整安装顺序、阵列组数以及每组阵列探头的数量。在多截面超声传感器阵列中，超声相控阵阵列3可分布于管道的不同截面内，但每一截面内的工作方式与所述的单截面内激励、扫描与测试方式相同。多截面阵列的优势在于可利用重建后的相介质分布结合互相关算法计算出多相介质的流速分布。本发明装置的超声相控阵探头可使用不同频率的激励信号，通过开关控制方式实现被测场域内的完整扫描，进而获取多相流中不同尺寸离散相信息的获取和重建。
图2描述了8组超声相控阵探头的截面分布和每组探头内的阵元分布。以8阵元超声线阵列探头为例，每个探头4由8个超声阵元5组成，8组超声相控阵探头4均匀嵌入到管壁相同深度处，以保证每个阵元产生的超声波在经过耦合剂、管壁等过程中的折射角度可计算，8个阵元呈直线状排列，通过调节每一阵元的激励时间，产生方向可变的平面波。超声相控阵探头的厚度W、为相邻阵元中心距离p、阵元间隙g、阵元的数量、尺寸、排列形式与层数等可在不同的应用条件下经优化后确定。
图3描述了以水为连续相，气泡与油泡为离散相的超声平面波测试机理。当发射相控阵探头和接收相控阵探头之间形成超声平面波时，在发射相控阵探头与接收相控阵探头的对应阵元间形成测试通路，位于其中的油气水三相介质由于各自的密度不同，超声会在其中产生不同的传播效应。由于气泡对超声的强反射作用，入射声波基本全部被反射，而气泡尺寸变化会直接影响到达接收端探头不同位置阵元的超声强度，最终导致接收的8维超声衰减向量不同，利用该向量即可获得通路内的气液信息。此外，由于超声波在油相介质和水相介质中的传播速度不同，从发射相控阵探头发射的超声平面波到达接收端的过程中，收发对应的阵元间的油水比例不同会直接影响该通路内超声的传播时间，因此可利用各阵元间的8维延时差异向量，获得其对应超声通路内的油水比例。综合利用超声波的衰减向量与延时向量，即可实现三相介质的相分布重建。
图4-图6描述了超声相控阵在每个阵元激励延时变化时，超声平面波发射路径变化。通过控制相控阵探头每个阵元的发射延时时间τ，即可在被测场域内形成方向可变的超声平面波，在精确计算阵元延迟后，可在发射超声相控阵探头和其他相控阵探头之间形成超声平面波测量空间。通过在发射相控阵探头与其他所有相控阵探头间依次建立测量空间，以顺序扫描的方式实现对被测场域的扫描。当全部探头都被激励且完成场域扫描后，即可获得被测场域内多相介质分布的丰富信息。安装在被测管段1上的超声相控阵阵列3中的一组超声相控阵探头发射超声平面波，由全部的超声相控阵探头接收超声回波。
图7描述了超声接收相控阵探头测量原理示意图。当超声平面波到达接收探头各阵元时，由于各条测试通路内的介质分布造成了平面波到达时间和信号强度的差异，通过阵元的声电转换效应，即可获得该探头在本次扫描下的超声衰减向量与超声延时向量。将接收到的信号传输到超声信号采集与处理单元进行处理与转换采集，变为数字信号以便进行数据提取。按照超声波透射和反射路径的不同，接收信号的基准时间延迟可以利用几何方法计算得到，接收声束相控技术的使用提高了超声相控阵系统的信噪比和测量精度。
图8描述了本发明装置超声平面波扫描式多相流可视化测量系统结构，包括超声相控阵阵列，信号发生与控制单元，超声发射单元，超声回波采集与处理单元，数据解调单元和图像重建与显示单元，在工业标准总线平台下实现超声相控阵阵列的测量信息获取。图像重建与显示单元向信号发生单元发送系统工作设置指令，信号发生单元、超声发射单元和超声相控阵阵列用于向被测管道1中的多相流体发射方向可控的超声平面波，获得各扫描方向内多相流相分布信息；超声回波采集与处理单元处理采集到的各相控阵探头的信号，经过滤波等处理后变为数字量送入数据解调单元计算出超声的衰减与时延向量，再通过工业标准总线送入数据计算中心进行相介质分布的重建与可视化显示。
图9描述了本发明装置超声平面波扫描式多相流可视化测量系统的信号波束成形电路、超声信号采集单元和超声信号处理单元电路的信号流程示意图。超声平面波发生与控制由逻辑控制单元控制，通过通信接口向波束成形器发送寄存器配置数据，实现调节脉冲宽度、频率和重复频率等功能。初始激励信号通过高压MOSFET单元变为单极性或双极性的高压脉冲信号。触发阵列由多路复用器组成，并通过通用输入输出端口(GPIO)的通道选通信号控制各超声相控阵探头通道的选通，最终激励发射端超声相控阵探头。超声信号采集单元由高压隔离电路，可变增益放大器，抗混叠滤波电路和AD采样电路组成。接收端超声相控阵探头接收经过多相流体的超声透射信号，并送入隔离电路实现隔离限幅；可变增益放大器和抗混叠滤波对回波信号进行调理后，AD采样电路完成模数转换工作。超声信号处理工作在逻辑控制单元的内部完成，数字解调后的数据反映信号幅值衰减和时间延迟信息，由工业总线接口以及接口桥接电路完成系统和上位机的通讯工作，上位机再对测量数据进行参数的综合运算与相分布重建，进而获得被测流体的各相相含率与介质分布信息。
Claims (1)
1.一种超声平面波扫描式多相流可视化测试装置，采用超声相控阵探头发射方向可调的超声平面波，对被测区域进行扫描，包括超声相控阵阵列、超声平面波发生与控制单元、超声发射单元、超声信号采集与处理单元、数据解调单元、相分布重建与显示单元；所述的超声相控阵阵列为M组超声相控阵探头的组合，均匀分布在被测管道相同的截面位置，每组相控阵探头包含N个超声阵元；
超声平面波发生与控制单元包括波束成形电路与控制芯片，控制芯片向波束成形电路发送寄存器配置数据，实现调节脉冲宽度、频率和重复频率的功能，通过波束成形电路控制连接于一组相控阵探头中各阵元通路上的脉冲产生延时，精确控制该组相控阵探头内每个阵元发射超声的不同时间，合成平面波束，并通过控制延时来控制平面波的偏转角度和偏转角扫描速度，以便在被测空间中分别与其他组相控阵探头形成平面波发射接收通路；
超声发射单元包括高压脉冲电路和阵元复用电路，超声平面波发生与控制单元的输出信号进入超声发射单元后，可输出单极性或双极性的高压脉冲信号，并将高压脉冲信号与波束成形电路保护隔离，高压发射多路复用器由控制芯片控制各超声阵列通道的选通，实现超声信号发射；
超声接收信号由超声信号采集与处理单元采集，该单元包括超声回波高压隔离电路，可变增益放大器，抗混叠滤波电路和AD采样电路，超声回波高压隔离电路用来实现发射的高压脉冲信号与超声接收信号间的隔离限幅；可变增益放大器通用于控制不同强度采集信号的放大增益，抗混叠滤波电路用于滤除所采集的超声接收信号的高频成分，限制噪声带宽，滤除夹杂在传感器和接收通道中的高频噪声；AD采样电路将滤除了高频成分的采样数据转换成数字信号后输入到数据解调单元；数据解调单元用于实现数据的传输控制与解调算法，获取测量每组超声相控阵探头中每一阵元接收到的超声波强度与渡越时间，形成一个N维的超声衰减向量与一个N维的超声时延向量；
每组超声相控阵探头在分别向其他组超声相控阵探头发射超声平面波后，切换至其相邻的下一组探头进行激励，并重复以上扫描测试过程，直至所有超声探头阵列按顺序激励一圈后，完成一幅截面数据的激励与采集，共获得M(M-1)组超声衰减向量与M(M-1)组超声时延向量； 数据解调单元将获得的测量数据通过工业标准总线协议发送至相分布重建与显示单元，利用接收的超声衰减向量重建出气相分布，利用超声时延向量重建出不同液相介质的分布，并通过重建图像融合获得最终的多相介质分布图像，进行显示输出。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810054220.0A CN108490068B (zh) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | 超声平面波扫描式多相流可视化测量装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810054220.0A CN108490068B (zh) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | 超声平面波扫描式多相流可视化测量装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108490068A CN108490068A (zh) | 2018-09-04 |
| CN108490068B true CN108490068B (zh) | 2020-12-04 |
Family
ID=63343668
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810054220.0A Active CN108490068B (zh) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | 超声平面波扫描式多相流可视化测量装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108490068B (zh) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109269439B (zh) * | 2018-09-28 | 2020-11-10 | 东南大学 | 金属熔池内部轮廓在线测量设备及方法 |
| CN110108797B (zh) * | 2019-04-30 | 2021-07-30 | 天津大学 | 利用声阻抗变化信息的介质分界面超声检测方法 |
| CN110470744A (zh) * | 2019-08-27 | 2019-11-19 | 天津大学 | 多模式曲面相控阵超声层析成像装置 |
| CN111060600B (zh) * | 2019-12-06 | 2022-10-18 | 天津大学 | 一种用于管道内超声相控阵成像的声束聚焦时延控制方法 |
| CN111220709B (zh) * | 2019-12-06 | 2022-09-27 | 天津大学 | 一种用于管道内超声相控阵成像的声束偏转时延控制方法 |
| CN111157623B (zh) * | 2020-01-17 | 2022-09-13 | 中山大学 | 一种大功率的自适应超声脉冲发射和非线性超声导波测量装置 |
| CN111257412A (zh) * | 2020-02-05 | 2020-06-09 | 天津大学 | 用于多相流测量的阵列式超声扫描成像系统 |
| CN111544038B (zh) * | 2020-05-12 | 2024-02-02 | 上海深至信息科技有限公司 | 一种云平台超声成像系统 |
| CN113970597B (zh) * | 2020-07-22 | 2024-12-27 | 上海宝信软件股份有限公司 | 一种基于比较和选通的逻辑型超声探头阵列系统及方法 |
| CN112067691B (zh) * | 2020-08-31 | 2024-01-30 | 天津大学 | 油气水三相介质衰减谱融合多频超声层析成像方法 |
| CN112782705B (zh) * | 2020-12-31 | 2023-04-28 | 闽南师范大学 | 一种超声声层析流场成像方法及其装置 |
| CN113970594A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-25 | 北京锐达仪表有限公司 | 超声阵列能量合成探头界面测量系统 |
| CN114111657B (zh) * | 2021-11-11 | 2024-06-04 | 国网辽宁省电力有限公司检修分公司 | 一种均压电极结垢厚度检测系统及操作方法 |
| CN114280140B (zh) * | 2021-12-02 | 2023-11-28 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 基于超声波传感技术的两相流检测装置及检测方法 |
| CN117100317B (zh) * | 2023-10-25 | 2024-01-16 | 杭州励影光电成像有限责任公司 | 一种大孔径超快超声成像系统及方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102175766A (zh) * | 2010-12-27 | 2011-09-07 | 中国科学院声学研究所 | 一种管（棒）材超声相控阵在线检测系统及检测方法 |
| CN104523294A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-22 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 基于平面波的超声温度成像方法 |
| CN106456118A (zh) * | 2013-11-19 | 2017-02-22 | 港大科桥有限公司 | 超声流体向量成像装置及其方法 |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1065766A1 (ru) * | 1982-09-28 | 1984-01-07 | Всесоюзный заочный машиностроительный институт | Акустическое устройство дл регистрации газовых полостей в двухфазном потоке |
| JPH0612278B2 (ja) * | 1988-10-14 | 1994-02-16 | 株式会社テイエルブイ | 二相流超音波式流量測定方法及び測定装置 |
| JPH02112757A (ja) * | 1988-10-21 | 1990-04-25 | Babcock Hitachi Kk | 配管内の粉粒体濃度計測装置 |
| WO1997039314A1 (en) * | 1996-04-16 | 1997-10-23 | Mobil Oil Corporation | Method of monitoring three phase fluid flow in tubulars |
| CN101017154B (zh) * | 2006-02-07 | 2011-03-23 | 哈尔滨工业大学 | 超声相控阵检测仪器 |
| CA2643261A1 (en) * | 2007-11-06 | 2009-05-06 | Queen's University At Kingston | Method and system for identifying and quantifing particles in flow systems |
| US9424674B2 (en) * | 2014-04-01 | 2016-08-23 | Saudi Arabian Oil Company | Tomographic imaging of multiphase flows |
| US11092002B2 (en) * | 2015-03-16 | 2021-08-17 | Darkvision Technologies Inc. | Device and method to image flow in oil and gas wells using phased array doppler ultrasound |
| CN105954351B (zh) * | 2016-04-11 | 2019-03-26 | 中国石油大学(华东) | 基于电磁-声耦合的油水两相流过程层析成像方法 |
| CN105973752B (zh) * | 2016-04-22 | 2019-10-01 | 上海理工大学 | 集成透射式和反射式超声过程层析成像方法 |
| CN106226392B (zh) * | 2016-07-05 | 2018-11-09 | 天津大学 | 基于超声衰减机理模型的油水两相流相含率测量方法 |
| CN106645396A (zh) * | 2016-09-28 | 2017-05-10 | 中国计量大学 | 一种气液两相流含气率测量方法 |
-
2018
- 2018-01-19 CN CN201810054220.0A patent/CN108490068B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102175766A (zh) * | 2010-12-27 | 2011-09-07 | 中国科学院声学研究所 | 一种管（棒）材超声相控阵在线检测系统及检测方法 |
| CN106456118A (zh) * | 2013-11-19 | 2017-02-22 | 港大科桥有限公司 | 超声流体向量成像装置及其方法 |
| CN104523294A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-22 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 基于平面波的超声温度成像方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108490068A (zh) | 2018-09-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108490068B (zh) | 超声平面波扫描式多相流可视化测量装置 | |
| CN108490069A (zh) | 两相流分布参数双模式超声可视化测量装置 | |
| US6067861A (en) | Method and apparatus for ultrasonic doppler velocimetry using speed of sound and reflection mode pulsed wideband doppler | |
| CN107102166B (zh) | 超声多普勒多相流流速分布检测设备 | |
| CN103336145B (zh) | 一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法及设备 | |
| CN104101687B (zh) | 基于超声多普勒与电学多传感器的多相流可视化测试方法 | |
| CN112067691B (zh) | 油气水三相介质衰减谱融合多频超声层析成像方法 | |
| CN104155358A (zh) | 超声多普勒与电学传感器组合多相流可视化测试装置 | |
| JP2015500062A (ja) | ピングベース及び多数開口ドップラー超音波を用いた運動の検出 | |
| JPH0120899B2 (zh) | ||
| CN111060600B (zh) | 一种用于管道内超声相控阵成像的声束聚焦时延控制方法 | |
| CN104090020A (zh) | 基于电学与超声双模态多相流测量装置 | |
| Rahiman et al. | Design and development of ultrasonic process tomography | |
| Langener et al. | A real-time ultrasound process tomography system using a reflection-mode reconstruction technique | |
| JPH0759774A (ja) | 流体流検知方法 | |
| CN111257412A (zh) | 用于多相流测量的阵列式超声扫描成像系统 | |
| Li et al. | A novel sensitivity matrix construction method for ultrasonic tomography based on simulation studies | |
| CN109188016B (zh) | 油气水三相流分相流速声电双模态测量方法 | |
| CN110706298A (zh) | 正则化加权最小二乘的透射反射双模式超声成像重建方法 | |
| CN101828929A (zh) | 利用视在位移的多普勒血流速度矢量测量方法 | |
| Kikura et al. | Ultrasonic measurement of two-dimensional liquid velocity profile using two-element transducer | |
| CN103006272A (zh) | 基于超声交织编程的速度分布测量方法 | |
| US12013373B2 (en) | Free-encoder positioning system using acoustic features and IMU | |
| Shoji et al. | Three-dimensional velocity distribution measurement using ultrasonic velocity profiler with developed transducer | |
| CN111220709B (zh) | 一种用于管道内超声相控阵成像的声束偏转时延控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |