基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及两相流含气率测量领域，特别地，涉及一种基于超声波双频信号测量 两相流含气率的方法。
【背景技术】
[0002] 两相流是自然界与工业过程中十分常见的流动形态，由于流态的复杂性，如何实 现对气液两相流含气率的准确测量一直是科学研究和工业过程中亟待解决的重要课题。
[0003] 现有技术记载的几种气液两相流含气率的测量方法及其缺点如下：
[0004] ULi提出了基于γ-射线测量两相流含气率的方法，工作原理是γ-射线穿透流 体时，其幅值会发生衰减，且衰减程度与两相中流含气率相关，通过检测γ -射线幅值的衰 减程度，即可得知相应的两相流含气率。
[0005] 但是，基于γ-射线测量两相流含气率的方法所测得的含气率精确度受流型影响 很大，虽然采用多射线束的技术能够克服这个问题，但其系统结构复杂，造价昂贵。
[0006] 2、丛键生等人利用共振声谱法实现了气液两相流含气率的检测。该方法根据共振 声谱原理，通过实验测量气液两相介质中圆柱共振腔的共振声谱，得到了不同含气率对共 振声谱的幅度和共振频率的定量影响，根据现场检测过程中，共振声谱的实际幅度和实际 共振频率，即可获知相应的两相流含气率。
[0007] 但是，基于共振声谱原理测量两相流含气率的方法，在测量过程中，水听器必须容 置于管道内的两相流中，为接触性检测，此种检测方式会影响管道内流体流动，并且无法测 量具有辐射性的流体。
[0008] 3、基于高速摄影法测量两相流含气率。高速摄影法是在含有两相流的透明待测段 上，首先高速摄取照片，然后根据照片上显现的气泡数目和气泡半径大小，直接算出截面含 气率。
[0009] 但是，高速摄影法中，光线会在复杂多变的两相流相界面间产生多种反射或折射， 极大影响了成像的清晰度。另外，高速摄影法采集的图像信息量过多，给后期两相流含气率 的计算带来了极大的困难，甚至难以对其进行有效分析和处理。
[0010] 4、快速截止阀法测量两相流含气率。快速截止阀法是在待测段的两端安装两个截 止阀，并且两个阀同时动作，在测量过程中，首先同时快速关闭两个截止阀，然后充分分离 内部两相流体，再测量液面的高度，根据待测段总体积大小，算出两相流含气率。
[0011] 但是，快速截止阀法在测量时要暂时截停管道内两相流体的正常流动，难以实现 两相流含气率的实时在线测量。
[0012] 由此可见，现有的两相流含气率的测试方法都存在诸多缺陷，故亟需开设一种新 的测试方法。
【发明内容】
[0013] 本发明提供了一种基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，以解决现有两 相流含气率测量技术采用阻碍两相流体流动的接触检测方式、检测原理复杂和数据处理量 大的技术问题。
[0014] 本发明采用的技术方案如下：
[0015] 本发明提供了一种基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，包括如下步 骤：
[0016] 在一段需要进行两相流含气率测量的直管道的两端分别设置超声波发射探头和 超声波接收探头；
[0017] 通过超声波发射探头产生沿直管道内流体传播的激励频率分别为第一激励频率 和第二激励频率的两个超声波信号；
[0018] 通过超声波接收探头检测接收到的两个超声波信号的特征参数；
[0019] 根据第一激励频率、第二激励频率、纯液体传播速度、两相流中气泡的共振频率、 气泡的振动阻尼和两个超声波信号的特征参数计算含气率。
[0020] 进一步地，特征参数包括超声波信号的发射初始幅值和接收衰减幅值；
[0021] 计算含气率的步骤包括：
[0022] 步骤一，根据超声波信号在两相流中的等效传播速度Cni和纯液体中的纯液体传播 速度c，确定如下传播速度比方程：
[0024] 其中，u和V是复数域参数，u是实部参数，V是虚部参数，i为虚数单位；
[0025] 步骤二，通过超声波接收探头检测与第一激励频率对应的第一发射初始幅值和第 一接收衰减幅值，以及与第二激励频率对应的第二发射初始幅值和第二接收衰减幅值；
[0026] 步骤三，根据第一发射初始幅值、第一接收衰减幅值、第二发射初始幅值和第二接 收衰减幅值计算复数域参数；
[0027] 步骤四，根据复数域参数计算气体体积分数和气泡平均半径；
[0028] 步骤五，根据气体体积分数和气泡平均半径计算复数域参数；
[0029] 步骤六，重复执行步骤四及步骤五，当所求得的气体体积分数与上一个循环所求 得的气体体积分数的误差在1%以内时，取此时求得的气体体积分数为最终结果；
[0030] 步骤七，根据气体体积分数计算含气率。
[0031 ] 进一步地，计算气体体积分数的步骤具体包括：
[0032] 步骤一，根据第一发射初始幅值和第一接收衰减幅值计算第一虚部参数，根据第 二发射初始幅值和第二接收衰减幅值计算第二虚部参数；
[0033] 步骤二，预设分别与第一虚部参数对应的第一实部参数和与第二虚部参数对应的 第二实部参数；
[0034] 步骤三，根据第一虚部参数、第二虚部参数、第一实部参数和第二实部参数，计算 气体体积分数和气泡平均半径；
[0035] 步骤四，根据气体体积分数、气泡平均半径、第一虚部参数和第二虚部参数，计算 第一实部参数和第二实部参数；
[0036] 步骤五，重复执行步骤三及步骤四，当所求得的气体体积分数与上一个循环所求 得的气体体积分数的误差在1 %以内时，取此时求得的气体体积分数为最终结果。
[0037] 进一步地，根据第一虚部参数、第二虚部参数、第一实部参数和第二实部参数计算 气体体积分数和气泡平均半径的步骤包括：
[0038] 根据第一虚部参数、第二虚部参数、第一实部参数和第二实部参数，基于第一公 式，计算气体体积分数和气泡平均半径；
[0039] 计算第一实部参数和第二实部参数的步骤包括：
[0040] 根据气体体积分数、气泡平均半径、第一虚部参数和第二虚部参数，基于第二公 式，计算第一实部参数和第二实部参数。
[0041] 进一步地，第一公式和第二公式根据声波的振动方程、声波在两相流中的传播方 程和传播速度比方程确定。
[0042] 进一步地，第一公式如下：
[0046] 其中，β是含气率，ω是激励频率，δ是振动阻尼，ω。是共振频率，R是气泡平均 半径。
[0047] 进一步地，接收衰减幅值包括在气液两相流中的实际接收衰减幅值A和在纯液体 条件下的理论接收衰减幅值Araf;
[0048] 虚部参数的计算公式如下：
[0050] 其中，f是超声波信号的频率，L是超声波发射探头与超声波接收探头之间的距 离。
[0051] 进一步地，在气液两相流中的实际接收衰减幅值A的计算公式如下：
[0053] 其中，p。是超声波发射探头处的发射初始幅值。
[0054] 本发明具有以下有益效果：
[0055] 本发明基于超声波双频信号测量两相流含气率的方法，在一段直管道的两端设置 超声波探头，因为超声波信号具备穿透能力强的特性，所以超声波探头可装设于直管道的 外壁，而不需要设置于管道内的两相流体中，实现了两相流含气率的非接触性测量，且测量 不会阻碍管道内两相流的流动。
[0056] 另外，超声波探头的安装方式简便，并且仅需超声波信号的激励频率、超声波信号 在纯液体中的纯液体传播速度、两相流中气泡的共振频率等少数几个参数即可实现测量， 检测原理简单，数据处理量非常小，能有效实现管道内两相流含气率的在线实时测量。
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