CN114088151B

CN114088151B - 外夹式多声道超声波流量检测装置及检测方法

Info

Publication number: CN114088151B
Application number: CN202111166356.9A
Authority: CN
Inventors: 方立德; 周琮; 苑欣悦; 韦子辉; 赵宁
Original assignee: Hebei University
Current assignee: Hebei University
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: CN114088151A

Abstract

本发明提供了一种外夹式多声道超声波流量检测装置及检测方法。本发明通过在管道侧壁设置一组超声波探头，利用超声波测厚仪以及超声波层析成像原理，可计算出管道横截面面积。在上述超声波探头两侧各设一组超声波探头，通过这两组超声波探头，利用改进后的超声波时差法，可计算出流体的流速。通过流速和横截面面积可计算出流体流量。通过本发明获得的超声信息量大，计算方法先进，降低了流通截面和流速的计算误差，有效地提高了流量测量的精度。本发明中改进的时差法，以及超声波测厚仪原理和超声层析成像技术联合应用，为精确地进行流量计算提供了新的方法。

Description

外夹式多声道超声波流量检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及两相流检测技术领域，具体地说是一种外夹式多声道超声波流量检测装置及检测方法。

背景技术

现有液体流量计有电磁流量计、涡轮流量计、差压流量计、超声波流量计等。

电磁流量计主要由信号转换器与传感器构成，主要利用的是电磁感应定律，在被测管轴线垂直方向安装一对检测电极，当流量计接入液态介质管道，导电液态物质沿管轴运动时，导电液体作切割磁力线运动而产生感应电动势，此感应电动势由检测电极测出。

涡轮流量计是一种速度式流量仪表，具有测量精度高、反应速度快、测量范围广、价格低廉、安装方便等优点。它的工作原理是当流体沿着管道轴线方向流动并冲击涡轮叶片时，有与流量成比例的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割磁力线，线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就实现了流量的测量。

差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表，是早期大量使用的一种测量流量的计量仪表。差压式流量计由三部分组成：1)将被测液体的流量变换成差压信号的节流装置；2)传输差压信号的信号管路；3)测量差压值的差压仪或差压变送器及显示仪表。通常以检测件的型式对差压式流量计分类，如孔板流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。

超声波流量计中所用到的超声波具有两个重要的特性：(1)频率很高，波长较短，可以沿直线传播，具有较强的方向性。(2)超声波能在多种介质中传播，如气体、液体、固体或多相混合物质。超声波在流动的流体中传播时，其信号就载有流体的流速信息，通过检测接收到的超声波信号就可以得到流体的流速，进而通过管径换算成流量信息。目前超声流量计主要可分为时差法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法。

在超声波流量计中，通过检测接收到的超声波信号就可以得到流体的流速，进而通过管径换算成流量信息。但是，目前对管道流通截面的计量不够精确，最终会影响流体流量的检测精度。

发明内容

本发明的目的就是提供一种外夹式多声道超声波流量检测装置及检测方法，以解决现有超声波流量计由于流通截面无法精确测量，导致超声波流量计的实际测量精度往往无法达到设定精度的问题。

本发明是这样实现的：一种外夹式多声道超声波流量检测装置，其结构具体是：在管道上设三个不同的横截面，分别记为第一横截面、第二横截面、第三横截面；第一横截面位于第二横截面和第三横截面之间，且第一横截面距第二横截面和第三横截面的距离相等；在第一横截面上均布有M个超声波探头，M为偶数；第一横截面上的各超声波探头与管壁垂直；通过第一横截面上的M个超声波探头基于超声波测厚仪原理和超声层析成像技术可计算出管道直径，进而可计算出管道横截面面积；

在第二横截面和第三横截面上分别均匀设置N个超声波探头，N为偶数；且第二横截面上N个超声波探头与第三横截面上N个超声波探头一一对应在同一母线上；第二横截面和第三横截面上各超声波探头与管壁呈一个夹角θ，θ取值范围为10°-80°；第二横截面上的各超声波探头，对应在第三横截面的超声波探头中，总能找到一个关于第一横截面中心呈对称分布的超声波探头，将这两个超声波探头称为一对超声波探头；由两对超声波探头可求解出一个流速，多个流速取平均可求出流速均值；

根据管道横截面面积和流速均值可计算出流体流量。

需要说明的是，在通过两对超声波探头求解一个流速的过程中，利用其中一对超声波探头测超声波在流体中的顺流传播时间，利用另一对超声波探头测超声波在流体中的逆流传播时间。

本发明中，处于同一横截面上的各超声波探头通过一附加装置进行安装固定，所述附加装置类似一绑带结构，在该附加装置上等间距设置通孔，并在通孔处设卡口，以便对超声波探头进行固定。

本发明中检测装置还包括与各超声波探头相接的通道控制模块和计时模块，所述通道控制模块和所述计时模块还分别与单片机相连接；所述单片机通过USB通讯模块与上位机相接。所述通道控制模块采用74HC4052D芯片，所述计时模块采用TDC-GP22芯片，所述单片机采用MSP430FR6047芯片。

与上述检测装置相对应的检测方法，包括如下步骤：

a、在管道侧壁设置如上所述的超声波探头；

b、利用第二横截面和第三横截面上的超声波探头，基于超声波时差法测量流体流速；

c、利用第一横截面上的超声波探头，基于超声波测厚仪原理测量管道内径，并求均值；

d、当步骤c所测管道内径不符合要求时，利用第一横截面上的超声波探头，基于超声层析成像技术测量管道内壁结垢、腐蚀处的位置及尺寸；

e、基于步骤c或步骤d中数据求解管道横截面面积；

f、根据步骤b流体流速和步骤e中管道横截面面积，计算流体流量。

所述步骤b具体如下：

b-1、在单片机的控制下，通道控制模块控制各超声波探头同时工作，在每一对超声波探头中，一个用于发射超声波信号，一个用于接收超声波信号；

b-2、通道控制模块和计时模块采集各超声波探头发射/接收的超声波信号，并把所采集信号发送至单片机；

b-3、单片机对所接收到的数据进行存储、处理，并将相应数据发送至上位机；

b-4、上位机根据如下公式计算流速：

上面公式中，T₁是超声波信号在流体中的顺流传播时间，T₂是超声波信号在流体中的逆流传播时间，L是同一母线上两个超声波探头之间的距离；

由两对超声波探头可求解一个流速v，通过求解多个流速再求流速均值。

步骤d具体包括如下步骤：

d-1、利用第一横截面上的超声波探头，基于超声层析成像技术测量管道内壁结垢、腐蚀处的位置及尺寸；

d-2、利用管道内壁结垢、腐蚀处尺寸，计算结垢、腐蚀处扇形面积，其余扇形面积利用步骤c中管道内径均值进行计算；

d-3、将步骤d-2中各扇形面积相加，即得管道横截面面积。

步骤d-1具体如下：

d-11、使第一横截面上的超声波探头依次进行一发多收；

d-12、假定在每个小网格里，波速衰减保持恒定不变，求出经过该小网格s(x0，y0)的所有超声波射线ti；

d-13、设超声波信号沿直线传播，根据步骤d-12中经过该小网格s(x0，y0)的所有超声波射线ti，利用拉东逆变换离散化求解波速衰减后的si；

d-14、将步骤d-13所求的所有si形成矩阵方程，解出方程，求得s(x0，y0)；

d-15、根据s(x0，y0)计算出结垢、腐蚀处位置及尺寸。

所述步骤c具体如下：

c-1、使超声波探头发射超声波信号；

c-2、接收一次回波以及二次回波信号，并计算一次回波、二次回波与发射波的时间差；

c-3、依据如下公式计算出管道内径：

式中：

D——管道内径，m；

v——超声波在流体中的流通速度，m/s；

Δt——一次回波与二次回波的时间间隔，s；

c-4、对多组管道内径数据求平均。

本发明利用超声时差法原理以及超声波层析成像原理，提供了一种外夹式多声道超声波流量测量方法，该方法利用超声波阵列，进行层析成像；依据误差理论，探究模型中的各个参数对流量测量准确度的影响程度。本发明获得的超声信息量大，计算方法先进，降低了流通截面和流速的计算误差，有效地提高了流量测量的精度。

本发明中改进的时差法以及超声层析成像技术的应用和精确的流量计算方法是本发明的创新之处，通过硬件创新和算法创新相结合，可以高精度获得管道内流体的流量值。

附图说明

图1是本发明实施例中24个超声波探头的具体设置方式示意图。

图2是本发明实施例中用来测流速的4个超声波换能器的具体设置方式示意图。

图3是本发明利用超声波测厚仪原理测量管道内径的方法流程图。

图4是本发明基于超声波测厚仪原理和超声层析成像技术测量管道内径的方法流程图。

图5是本发明利用超声层析成像技术测量管道内径的方法流程图。

图6是本发明超声层析成像技术的原理图。

图7是本发明中超声波探头附加装置的结构示意图。

图8是本发明中外夹式多声道超声波流量检测装置的结构连接示意图。

图9是图8中硬件模块的结构框图。

图10是本发明实施例中检测装置的晶振连接图。

图11是本发明中外夹式多声道超声波流量检测方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于多声道时差法测流速以及多声道超声层析成像技术的外夹式多声道超声波流量标准装置，通过设计一种多组超声波探头相配合使用的一体化测量装置，实现对流通截面的精确建模和流速的准确测量，为液体流量标准装置提供了一种新方案。

本发明根据时差法和超声波层析成像的原理设计外夹式多声道超声波流量标准装置，在管壁外部紧贴的部分产生超声波信号，对向探头进行超声波信号的接收。为了得到相对可靠的数据，本发明实施例在流体流动截面按等间距法共设置八个超声波探头，利用层析成像技术，对管道横截面进行建模。在另外两个管道横截面上对应位置安放另外两组共十六个探头，这两个截面关于前面测管道横截面的探头所在截面对称分布。后两个截面上的探头和前面测截面的八个超声波探头安放方式一致，通过后两个截面上的探头用时差法进行流速的测量。通过安放好的超声波探头测得超声波数据，计算出管道横截面信息和流速信息，计算流体的流量。

下面结合附图对本发明实施例进行详细说明。

如图1所示，图1中示出了24个超声波探头的具体设置方式，既保证超声波信号的稳定收发，又避免影响管道内流体流动的稳定性。图1中，(a)是正视图，(b)是俯视图，(c)是左视图。图中，超声波探头A、B、C、D、E、F、G、H按顺时针方向处于管道的同一横截面上，且八者均布在管道侧壁上。将这八个超声波探头所在的管道横截面称为第一横截面。通过第一横截面上的八个超声波探头来测量管道的横截面。另外16个超声波探头均分为两组，其中一组为超声波探头A1-H1，另一组为超声波探头A2-H2，这两组超声波探头分别位于第一横截面的两侧，且每一组超声波探头均布在管道的同一横截面上。将超声波探头A1-H1所在的横截面称为第二横截面，将超声波探头A2-H2所在的横截面称为第三横截面。第二横截面和第三横截面距第一横截面的距离相等。且三个横截面上的超声波探头在相同相对位置一一对应，三个横截面上一一对应的超声波探头之间的相对位置是保持与流体方向水平的，即：A、A1、A2处于管道侧壁的同一母线上，B、B1、B2处于管道侧壁的同一母线上，其他类似。由第二横截面和第三横截面上的16个超声波探头来测量流体的流速。各横截面上的探头之间不产生相互干扰，避免产生相对误差。

超声波时差法测量流速是基于速度差原理。如图2所示，在管道侧壁设置四个超声波换能器，分别为A'、B'、C'、D'，四个超声波换能器均为收发一体式超声波换能器，能够实现超声波的发射和接收。其中，超声波换能器A'和C'处于同一横截面上，且两者相对设置，即两者连线通过横截面中心；超声波换能器B'和D'处于同一横截面上，且两者相对设置，即两者连线通过横截面中心；超声波换能器A'和B'处于管道侧壁的同一母线上；超声波换能器C'和D'处于管道侧壁的同一母线上。在超声波换能器的前端设有超声波探头，安装四个超声波换能器时，使超声波探头与管道侧壁呈一定夹角，A'和D'为一对，B'和C'为一对，A'和D'探头相对，B'和C'探头相对，超声波换能器A'所发射信号能够被超声波换能器D'所接收，超声波换能器B'所发射信号能够被超声波换能器C'所接收。各超声波探头之间互不干扰。这样的一组超声波换能器(包含两对超声波换能器)能够求解一个流体流速。

顺流时，超声波换能器A'发射超声波，穿过流体后被超声波换能器D'接收，此时的超声波渡越时间为顺流的传播时间，记为T₁。逆流时，超声波换能器B'发射超声波，穿过管道内流体被超声波换能器C'接收，此时的超声波渡越时间为逆流的传播时间，记为T₂。

超声波基表管路的流速模型如下：

渡越时间和时间差模型忽略超声波的径向传播时间，超声波的顺流传播时间T₁：

式中：

L——超声波换能器A'与超声波换能器B'之间的距离，mm；

c——超声波声速，m/s；

v——流体的流速，m/s；

θ——上侧管壁与探头A',D'的夹角，本实施例中设置为60°。

式子变形为：

超声波的逆流传播时间T₂：

式子变形为：

将式(2)与式(4)相减，当θ＝60°时，可得：

顺逆流传播的时间差ΔT为：

ΔT＝T₂-T₁ (6)

则流速v为：

同理，多通道测量流速可最高达8个速度。直径300mm(DN300)以下的可测量4个以下速度数据，DN300以上的可测量4个以上的速度数据。

这里说明下，对于一个流速v的测量，需要两对(即4个)超声波换能器。两个流速测量可以采用8个超声波换能器，也可以采用6个超声波换能器；至于采用6个超声波换能器来测两个流速时，则需要有一对超声波换能器在求解这两个流速时被共用。因此，本发明中采用6个超声波换能器至多可测三个流速。采用8个超声波换能器可以测2-4个流速；采用10个超声波换能器最多可测5个流速。以此类推，采用16个超声波换能器可测4-8个流速。

以4个速度数据为例进行说明，当夹角θ＝60°时，有如下公式：

得出平均速度为：

依据图1中第二横截面和第三横截面上的超声波探头测流速时，A1发射信号被E2接收，B1发射信号被F2接收，C1发射信号被G2接收，D1发射信号被H2接收，A2发射信号被E1接收，B2发射信号被F1接收，C2发射信号被G1接收，D2发射信号被H1接收。A1、A2、E1和E2，这4个超声波探头为一组，可以测量一个流速。B1、B2、F1和F2，这4个超声波探头为一组，可以测量一个流速。C1、C2、G1和G2，这4个超声波探头为一组，可以测量一个流速。D1、D2、H1和H2，这4个超声波探头为一组，可以测量一个流速。这4个流速在测量时是没有共用任何一对超声波探头的。流速测量时，如果共用超声波探头，则最多可以测量8组流速。对于管径小所设置的超声波探头不够多时，可以在测量时选择共用超声波探头。对于管径较大能够设置足够多的超声波换能器时，可以在测量时选择不同的超声波探头。

在每一个流速测量时，均需要4个超声波探头，这4个超声波探头分为两对，每一对超声波探头的连线与轴心线相交，即每一对超声波探头关于轴心线对称设置。这两对超声波探头，一对用来测顺流渡越时间T₁，另一对用来测逆流渡越时间T₂。两对超声波探头中，处于同一母线上的超声波探头之间的距离为L，因此，根据公式(7)即可求得流速。

每一对中的两个超声波探头之间的连线与管壁(即轴向)呈一个特定角度θ，θ取值范围为10°-80°，上述公式(7)是在θ取值为60°的情形下所求，当θ不确定时，流速的求解公式如下：

上面介绍了流速的测量方法，下面介绍管道横截面面积的测量方法。

在同一截面按照等间距法设置四对共八个超声波探头，每个超声波探头均垂直于管壁，这样，超声波探头所发射的超声波信号被对向超声波探头接收，即：每一对超声波探头之间的连线与管壁呈90°角，每一对超声波探头之间的连线经过横截面中心。用MSP430FR6047单片机和通道控制模块，控制四路超声波信号的接收和发射。由于超声波在管壁内传播具有一定的速度，利用一次反射波和二次反射波与发射波的时间间隔，进行管道直径测量，进而计算出截面面积。这是基于超声波测厚仪原理而进行的计算。

利用超声波测厚仪计算管道直径的计算式如下：

式中：

D——管道直径，m；

v——超声波在流体中的流通速度，m/s；

Δt——从一次回波到二次回波的时间间隔，s。

除利用超声波测厚仪原理进行管道直径测量外，本发明还利用了超声波层析成像技术对管道结垢、腐蚀处的管道直径进行精确测量，进而计算管道内的精确面积。具体是：

本发明利用正演变换和反演图像重建构建管壁具体截面情况。其数学基础是拉东变换和拉东逆变换。

(1)拉东变换：用能够反映管道内部结构的衰减系数s(x,y)沿某一路径L积分，得到投影函数。

(2)拉东逆变换：在已知投影函数的情况下，求出衰减系数s(x,y)的过程。

拉东变换的投影公式：

t_i＝∫_Ris(x,y)dl (15)

式中：

t_i——超声波探头接收到第i条超声波射线的振幅；

R_i——第i条超声波射线所走的路径；

s(x,y)——衰减系数分布函数。

本发明测管道横截面时，首先利用超声测厚仪原理进行管道直径计算。利用超声波探头发射超声波脉冲，经过管壁与流体界面时会发生一次反射，脉冲信号穿过整个流体，再进入对向管壁时，会进行第二次反射，利用两次反射回波的时间差，可以计算出管道的直径。如图3所示，利用超声波测厚仪原理进行管道直径计算具体包括：使超声波探头发射超声波，接收一次回波以及二次回波，计算一次回波、二次回波与发射波的时间差，依据公式(14)可计算出管道直径。对于8个超声波探头的设置，可以计算出管道直径的四组数据。

如图4所示，在依据超声波测厚仪原理计算出四组管道直径后，判断四组直径相差(可用最大值减最小值)是否小于设定的阈值；如果是，则取四组管道直径的均值作为整个管道直径，进而计算管道横截面面积；如果否，则采用超声层析成像技术进行管道结垢、腐蚀情况的进一步精细的定位和尺寸大小的确定，对于结垢、腐蚀处应单独计算对应的扇形面积(该扇形以能覆盖结垢、腐蚀处即可)，其余扇形部分面积使用管道直径平均值进行计算；最终计算得出精确的流通截面面积。

如图5所示，采用超声层析成像技术进行管道结垢、腐蚀情况的进一步精细的定位和尺寸大小的确定，具体包括如下步骤：对于八路超声波探头依次进行一发多收，结合图6，设超声波信号沿直线传播，根据ti(指第i条射线)对si(每条射线上衰减的结果)进行离散化求解(求解过程应用拉东逆变换)；将整个管道截面进行离散化处理，建立xy坐标系；假定在每个小网格里，波速衰减保持恒定不变，求出经过某一点s(x0，y0)的所有ti；将与所有ti对应的所有的si形成矩阵方程，解出方程，求得s(x0，y0)；根据s(x0，y0)计算出结垢、腐蚀位置及尺寸。

在精确得到流通截面面积和流速后，利用下式进行流量计算：

Q＝S×v (16)

式中：

Q——流量值，m³/s；

S——流通截面积，m²；

v——流速，m/s；

本发明中，对于处于同一横截面上的超声波探头，采用一附加装置对各探头进行固定。如图7所示，该附加装置类似一个绑带结构，长度可调节，最长长度为管径×π，等距离设置通孔，便于安置超声波探头，通孔处有卡口，以防超声波探头掉落。

为了使探头与管道贴合紧密，通常会涂耦合剂。图1中24个超声波探头接入硬件电路里，如图8所示，各超声波探头通过超声波连接线束与硬件模块相接，电源通过电源连接线为硬件模块供电，硬件模块通过USB连接线与电脑主机相接。

硬件模块的结构框图如图9所示，本发明中硬件模块包括单片机、通道控制模块和计时模块，本实施例中单片机采用MSP430FR6047芯片，通道控制模块采用74HC4052D芯片，计时模块采用TDC-GP22计时芯片。整套系统具有一个兼具USB连接和调试功能的芯片MSP430F5528。

单片机与通道控制模块相连接，在单片机的控制下，通道控制模块控制各组超声波探头进行超声波发射，并接收相应回波信号给单片机。也就是说，通道控制模块可以控制超声波换能器地连接、断开和切换等，可以使各超声波换能器同时工作，也可以使其单独工作，或选择其中几组超声波换能器进行工作。计时模块采集超声波信号并进行计时，计时信号发送至单片机，单片机通过USB通讯模块将数据上传至电脑主机，由电脑主机根据相应公式对横截面、流速、流量进行计算。

单片机外部接有USB通讯模块，方便接电脑进行调试以及输出预处理的超声波信号。整套系统具有稳定的电源供应。

如图10所示，图10是本发明检测装置的晶振连接图，它主要是由8MHz的Y3晶振来承担主要的功能，辅助一些高稳定性的电容和电阻。时差法测量流速的原理中，时间点的精确控制和时间差的精确测量是至关重要的，所以本装置采用了一个高精度的晶振Y3，频率稳定度在5E-9，相位噪声在1KHz频率下为140db/Hz，非常有利于流速的精确测量。

图11是本发明外夹式多声道超声波流量检测方法的流程图。该方法流程包括系统的自检、系统的校准、材料声速的选择、横截面测量(超声波测厚仪和超声层析成像技术相结合)、流速测量、流量测量以及结果的显示。经过这几个步骤，可以准确保证在硬件电路正常连接的前提下，准确得出流量的测量结果。

Claims

1.一种外夹式多声道超声波流量检测方法，其特征是，包括如下步骤：

a、在管道侧壁设置超声波探头，具体如下：

在管道上设三个不同的横截面，分别记为第一横截面、第二横截面、第三横截面；第一横截面位于第二横截面和第三横截面之间，且第一横截面距第二横截面和第三横截面的距离相等；在第一横截面上均布有M个超声波探头，M为偶数；第一横截面上的各超声波探头与管壁垂直；

在第二横截面和第三横截面上分别均匀设置N个超声波探头，N为偶数；且第二横截面上N个超声波探头与第三横截面上N个超声波探头一一对应在同一母线上；第二横截面和第三横截面上各超声波探头与管壁呈一个夹角θ，θ取值范围为10°- 80°；第二横截面上的各超声波探头，对应在第三横截面的超声波探头中，总能找到一个关于第一横截面中心呈对称分布的超声波探头，将这两个超声波探头称为一对超声波探头；由两对超声波探头可求解出一个流速，多个流速取平均可求出流速均值；

c、利用第一横截面上的超声波探头，基于超声波测厚仪原理测量管道内径，并计算管道内径平均值；

e、基于步骤c或步骤d中数据求解管道横截面面积；

f、根据步骤b流体流速和步骤e中管道横截面面积，计算流体流量；

步骤d具体包括如下步骤：

d-3、将步骤d-2中各扇形面积相加，即得管道横截面面积。

2.根据权利要求1所述的外夹式多声道超声波流量检测方法，其特征是，所述步骤b具体如下：

b-4、上位机根据如下公式计算流速：

上面公式中，T ₁是超声波信号在流体中的顺流传播时间，T ₂是超声波信号在流体中的逆流传播时间，L是同一母线上两个超声波探头之间的距离；

3.根据权利要求1所述的外夹式多声道超声波流量检测方法，其特征是，步骤d-1具体如下：

d-11、使第一横截面上的超声波探头依次进行一发多收；

d-15、根据s(x0，y0)计算出结垢、腐蚀处位置及尺寸。

4.根据权利要求1所述的外夹式多声道超声波流量检测方法，其特征是，步骤c具体如下：

c-1、使超声波探头发射超声波信号；

c-3、依据如下公式计算出管道内径：

式中：

D——管道内径，m；

v——超声波在流体中的流通速度，m/s；

△t——一次回波与二次回波的时间间隔，s；

c-4、对多组管道内径数据取平均。