基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置及方法

1.本发明涉及无损检测技术领域，尤其是涉及一种基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置及方法。


背景技术：

2.管道是现代社会经济发展的大动脉，石油、天然气、化工原料等等大多采用管道的方式进行运输。管道运输中的多相流动现象广泛存在于生物工程、油气开采、化工产业、冶金工业、食品加工等现代工业过程中，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。在工业现场和科学研究过程中，最为典型为气/水、油/水、固/液及油/气/水等多相流，其检测手段需要对被测流体不产生任何扰动，而超声(即超声波)的非接触性、结构简单和穿透性备受关注。
3.超声无损检测是一种被广泛应用的技术，超声的传播不会对被检测物体造成侵害，同样也不会造成流体流型流态的变化。在管道的多相流检测中超声检测传感器可放置在管道外壁，避免与流体相接触。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、固体与液体界面处和固体与液体界面处声阻抗的巨大差异，使得超声在气液界面、固液界面和固气界面的反射特性极为明显，因此超声对多相流的相界面有极好的分辨能力。同时超声波在液体介质中会受到其运动速度的影响造成频率和传播路径的变化，因此超声可精确的测量出液体的流速等信息。
4.传统的超声测量管道中多相流信息，常采用超声相控阵方法，即在管道同一截面的外壁排布多个超声相控阵探头进行周向上的测量，其中，超声相控阵探头采用压电超声探头。而压电超声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。由于超声阵列中探头的数量有限，所探测到管道内区域有限，很难实现管道内全周向的探测，且压电超声探头需要耦合剂的帮助才能将能量耦合进入管道中，这限制其在高低温环境和长期检测的应用场景。现有的压电超声探头体积均较大，阵列式的压电超声探头要求管道的外径较大才能够安装，这同样限制了适用的管道直径(后简称为管径)。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置及方法，以缓解至少一个超声相控阵方法存在的问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置，包括顺次连接的信号发生设备、采用柔性线圈的电磁超声激励换能器、采用柔性线圈的电磁超声接收换能器，以及信号处理设备；所述电磁超声激励换能器和所述电磁超声接收换能器，相距预设距离设置在被测管道的不同位置，且均沿所述被测管道的周向截面、环绕所述被测管道的外壁设置；
7.所述信号发生设备用于产生激励电信号；所述电磁超声激励换能器用于将所述激励电信号在所述被测管道的管壁中转换为超声信号；所述电磁超声接收换能器用于将从所述被测管道内接收到的超声信号转换为接收电信号；所述信号处理设备用于对所述接收电信号进行信号处理，得到所述被测管道对应的多相流检测结果。
8.进一步地，当所述被测管道为非铁磁性的金属材料时，所述电磁超声激励换能器和所述电磁超声接收换能器均包括：由内到外、以同心圆环形状设置的柔性线圈和永磁铁；
9.当所述被测管道为铁磁性的金属材料时，所述电磁超声激励换能器和所述电磁超声接收换能器均包括：沿所述被测管道的轴向依次设置的第一永磁铁、柔性线圈和第二永磁铁，所述第一永磁铁、所述柔性线圈和所述第二永磁铁均为环状；
10.当所述被测管道为非金属材料时，所述电磁超声激励换能器和所述电磁超声接收换能器均包括：沿所述被测管道的轴向依次设置的第一永磁铁、柔性线圈和第二永磁铁，所述第一永磁铁、所述柔性线圈和所述第二永磁铁均为环状，且所述柔性线圈内侧设置有磁致伸缩材料。
11.进一步地，所述电磁超声激励换能器和所述电磁超声接收换能器均通过气动式环形电磁超声换能器夹紧装置将柔性线圈紧固在所述被测管道上；
12.所述气动式环形电磁超声换能器夹紧装置包括环状的气囊，所述气囊的内侧为所述柔性线圈，所述气囊的外侧设置有连接排扣，所述连接排扣用于适配不同的管道直径。
13.进一步地，所述信号发生设备包括互连的任意函数发生器和大功率脉冲信号放大模块；
14.所述任意函数发生器用于产生一定频率的基础电信号；所述大功率脉冲信号放大模块用于将所述基础电信号放大成高压大电流信号。
15.进一步地，所述信号发生设备与所述电磁超声激励换能器之间设置有第一阻抗匹配模块，所述电磁超声接收换能器与所述信号处理设备之间设置有第二阻抗匹配模块。
16.进一步地，所述信号发生设备与所述电磁超声激励换能器之间设置有第一双工器，所述第一双工器还与所述信号处理设备连接；所述电磁超声接收换能器与所述信号处理设备之间设置有第二双工器，所述第二双工器还与所述信号发生设备连接。
17.进一步地，所述信号处理设备包括顺次连接的功率限制模块、程控增益放大模块、可变滤波器和adc数字采集系统；
18.所述信号处理设备用于通过所述功率限制模块、所述程控增益放大模块、所述可变滤波器和所述adc数字采集系统，依次对所述接收电信号进行功率限制、放大、滤波和模数转换，得到数字检测信号，并基于所述数字检测信号，确定所述被测管道对应的多相流检测结果。
19.第二方面，本发明实施例还提供了一种基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量方法，应用于第一方面的基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置；所述基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量方法包括：
20.获取所述电磁超声接收换能器输出的接收电信号和回波时间；其中，所述回波时间为所述电磁超声接收换能器接收到的超声信号的传播时长；
21.根据所述接收电信号，确定超声衰减系数，并根据所述超声衰减系数，确定所述被测管道对应的相含率；
22.根据所述回波时间，计算得到所述被测管道对应的流速。
23.进一步地，当所述被测管道对应的多相流的流型为分层流时，所述基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量方法还包括：
24.根据所述回波时间，计算得到所述被测管道中分界面的液面高度。
25.进一步地，在所述获取所述电磁超声接收换能器输出的接收电信号和回波时间之前，所述基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量方法还包括：
26.获取所述被测管道的特性参数，所述特性参数包括材料属性、内半径和外半径；
27.根据所述特性参数，确定柔性线圈的线间距和激励电信号的频率；
28.根据所述柔性线圈的线间距，制作所述电磁超声激励换能器和所述电磁超声接收换能器；
29.根据所述激励电信号的频率，确定所述信号发生设备的工作频率。
30.本发明实施例提供的基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置及方法，采用电磁超声激励方式并进行全周向加载，实现了管道周向的全覆盖检测，对多相流的检测更加精确，且电磁超声不需要耦合剂进行能量传递，电磁超声可以较容易的激励出导波模式，通过模式的选择耦合进入多相流中(即电磁超声可以根据应用情况灵活选择导波模式，导波在相界面耦合进入多相流中)，可有效增加管道内流体周向的探测体积，提高多相流的探测精度；同时采用柔性线圈的电磁超声换能器(电磁超声激励换能器和电磁超声接收换能器)，体积较小，可以在小管径上使用，因此克服了传统压电超声使用的各项限制。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为固体中超声能量耦合入多相流介质中的示意图；
33.图2为压电超声在分散流中的超声路径示意图；
34.图3为本发明实施例提供的管道全周向电磁超声加载与传播路径的示意图；
35.图4为本发明实施例提供的一种基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置的结构示意图；
36.图5为超声的正反向传输示意图；
37.图6a为本发明实施例提供的一种非铁磁性的金属材料对应电磁超声换能器的周向截面图；
38.图6b为本发明实施例提供的一种铁磁性的金属材料对应电磁超声换能器的轴向截面图；
39.图6c为本发明实施例提供的一种铁磁性的金属材料对应电磁超声换能器的外观示意图；
40.图6d为本发明实施例提供的一种非金属材料对应电磁超声换能器的轴向截面图；
41.图7a为本发明实施例提供的一种气动式环形电磁超声换能器夹紧装置的结构示意图；
42.图7b为本发明实施例提供的一种气动式环形电磁超声换能器夹紧装置中连接排扣的展开图；
43.图8为本发明实施例提供的一种基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量方法的流程示意图；
44.图9为管道中超声导波不同波模态示意图；
45.图10a为管道中超声导波频散曲线图；
46.图10b为348khz频率点的波结构示意图；
47.图11为柔性线圈及其超声激励信号图；
48.图12为不同流型示意图；
49.图13为分层流的超声传播路径及测量示意图；
50.图14为顺流路径的管道超声传播路径示意图；
51.图15为分散流的超声衰减与相含率关系示意图。
52.图标：101-任意函数发生器；102-大功率脉冲信号放大模块；103-第一双工器；104-第一阻抗匹配模块；105-电磁超声激励换能器；106-电磁超声接收换能器；107-第二阻抗匹配模块；108-第二双工器；109-功率限制模块；110-程控增益放大模块；111-可变滤波器；112-adc数字采集系统；201-管壁；202-柔性线圈；203-永磁铁；2031-永磁铁n极；2032-永磁铁s极；204-磁致伸缩材料；301-气囊；302-连接排扣；303-充放气孔；304-连接线插口。
具体实施方式
53.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.电磁超声是一种利用电磁效应在被测材料内部产生超声的方式，相较于压电超声虽然效率减低，但是其不要耦合剂进行能量传递，同时采用柔性线圈的电磁超声换能器体积较小，可在小管径上使用，因此克服了传统压电超声使用的各项限制。电磁超声可在管道周向进行360
°
的超声激励实现全周向的超声传递，管道内超声的全覆盖，对多相流的检测更加精确。同时传统的超声检测多采用脉冲的体波模式，而电磁超声可以较容易的激励出导波模式，通过模式的选择耦合进入多相流中，可有效增加管道内流体周向的探测体积，提高多相流的探测精度。其中，体波是在无限均匀介质中传播的波；导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的，是一种以超声频率或声频率在波导中平行于边界传播的弹性波。
55.基于此，本发明实施例提供的一种基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置及方法，针对目前压电超声探头需要耦合剂和体积较大的问题，采用电磁超声激励方式并实现全周向加载，实现管道周向的全覆盖检测；利用超声导波模态替换脉冲体波对多相流检测，提高检测精度；使用模块化的设计方案简化阵列系统的复杂度，便于系统的扩展与维护。
56.本发明实施例主要基于电磁超声，实现管道中多相流中流速、相含率和相界面等参数的测量，其基本原理为：
57.根据固体中超声导波振动与表面流体耦合振动能量传播的基本理论，可以得到导波表面向流体中以固定角度θ向流体中耦合超声能量，从而在流体中有效的转化为压缩波，如图1所示。
[0058][0059]
式中，cf为液体中压缩波的声速，c
p
为管壁中超声的相速度。
[0060]
在液体中，声波只能以纵波传输，声速公式是：
[0061][0062]
式中，k为体积模量，ρ为介质密度。
[0063]
固体、液体和气体中的声速有着非常大的差别，因此可以根据超声在不同相中的渡越时间来计算相在传输路径上的厚度。同时根据声波的反射定律和透射定律(式中，声阻抗(式中，ρ为介质密度，e为材料刚度)，w1和w2分别为介质1和介质2的声阻抗)，可以得到不同相之间的界面分布问题。同时流体的不同流速会导致从管壁耦合进入流体中的超声路径发生变化，从而使超声接收到的时间随流体的流速发生变化。
[0064]
针对于分散流或相介质的声阻抗相差较小的情况，常采用超声衰减的测量方法来测量多相流中的相含率。超声发射端和接收端的信号强度的差值，就是由超声在流体中传播的衰减机制引起的，由此定义超声衰减系数α为：
[0065][0066]
式中，p2为超声发射端发射出的平均压强，p1为超声接收端的接收到的平均压强。超声对多相流溶液测量的原理，基于水动力学和热力学效应，在超声的衰减过程中包含多种不同的衰减机理，例如：散射损失、热损失、黏性损失、吸收损失、结构损失和电声损失等。因此在利用超声衰减法测量多相流中的相含率时，一般采用在特定相含率区间进行衰减系数拟合的方法。例如在油水两相分散流中超声波的能量总衰减α
tol
主要包括：两相流体的介质吸收衰减α
t
，多个离散相液滴形成的两相界面的散射衰减αr，以及超声波声束指向角和复杂传播路径所引起的扩散衰减αd，如图2所示。
[0067]
α
tol
＝α
t
+αr+αd[0068]
油水两相分散流中超声的吸收衰减程度与含油率是典型的一次线性关系，随着含油率的增加，黏性衰减程度线性增加，因此在一定区间内含油率可根据超声衰减系数值来确定。
[0069]
在图3中展示了全周向电磁超声的超声加载情况，其超声传播路径与压电超声的
周向横截面传播不同，主要在轴向的横截面进行传播。由于全周向的超声源在相同的油水两相分散流中不再存在超声波声束指向角所引起的检测区域的问题，使得对多相流检测区域更大，增加了超声衰减测量法的覆盖体积，提高了测量精度。
[0070]
下面对本发明实施例提供的一种基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置进行详细介绍。
[0071]
如图4所示，基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置包括顺次连接的信号发生设备、采用柔性线圈的电磁超声激励换能器105、采用柔性线圈的电磁超声接收换能器106，以及信号处理设备；电磁超声激励换能器105和电磁超声接收换能器106，相距预设距离设置在被测管道的不同位置，且均沿被测管道的周向截面、环绕被测管道的外壁设置；
[0072]
信号发生设备用于产生激励电信号；电磁超声激励换能器105用于将激励电信号在被测管道的管壁中转换为超声信号；电磁超声接收换能器106用于将从被测管道内接收到的超声信号转换为接收电信号；信号处理设备用于对接收电信号进行信号处理，得到被测管道对应的多相流检测结果。其中，激励电信号和接收电信号均可以为电压信号。
[0073]
电磁超声换能器(电磁超声激励换能器105和电磁超声接收换能器106)可以由激励电信号引发管壁的质点振动从而引起超声，同时由于管壁质点的振动可以切割磁场在柔性线圈上产生感应电压，接收超声信号。
[0074]
可选地，如图4所示，上述信号发生设备包括互连的任意函数发生器101和大功率脉冲信号放大模块102；任意函数发生器101用于产生一定频率的基础电信号；大功率脉冲信号放大模块102用于将基础电信号放大成高压大电流信号。
[0075]
具体地，任意函数发生器101主要负责产生具有一定频率的信号(可产生任意调制的信号类型)，该信号通过大功率脉冲信号放大模块102放大成高压大电流信号来驱动电磁超声激励换能器105。
[0076]
进一步可选地，如图4所示，上述信号处理设备包括顺次连接的功率限制模块109、程控增益放大模块110、可变滤波器111和adc数字采集系统112；信号处理设备用于通过功率限制模块109、程控增益放大模块110、可变滤波器111和adc数字采集系统112，依次对接收电信号进行功率限制、放大、滤波和模数转换，得到数字检测信号，并基于数字检测信号，确定被测管道对应的多相流检测结果。
[0077]
具体地，电磁超声接收换能器106输出的接收电信号，需要功率限制模块109来避免接收到过大的信号损害后级调理电路。程控增益放大模块110、可变滤波器111和adc数字采集系统112分别负责将接收到的信号进行放大、滤波和模数转换，方便后期信号的处理和多相流不同参数的计算。
[0078]
进一步可选地，如图4所示，大功率脉冲信号放大模块102与电磁超声激励换能器105之间依次设置有第一双工器103和第一阻抗匹配模块104，第一双工器103还与功率限制模块109连接；电磁超声接收换能器106与功率限制模块109之间依次设置有第二阻抗匹配模块107和第二双工器108，第二双工器108还与大功率脉冲信号放大模块102连接。
[0079]
具体地，大功率脉冲信号放大模块102包括两个通道，两个通道分别连接第一双工器103和第二双工器108。双工器(包括第一双工器103、第二双工器108)是一种双向工作器件，既可以使信号进入到电磁超声换能器中，同时还可以将电磁超声换能器中接收到的信
号反馈回来，进入到信号处理设备中，是一种三端口器件。由于电磁超声换能器的柔性线圈为非纯阻性器件，为保证大功率脉冲信号放大模块102输出的高压大电流信号能够高效率的进入电磁超声激励换能器105，阻抗匹配模块(包括第一阻抗匹配模块104、第二阻抗匹配模块107)可将电磁超声换能器的阻抗变换到纯阻性，提高信号输出效率。
[0080]
上述任意函数发生器101产生所需要的激励小信号，该小信号通过大功率脉冲信号放大模块102放大为电流峰峰值为30a以上的高压大电流信号，该信号通过第一双工器103和第一阻抗匹配模块104进入到电磁超声激励换能器105的柔性线圈中，使管壁内产生超声。管壁中超声按照图1中的路径进行传播，需要说明的是，图1中的路径只是显示了作为横截面的二维路径，实际中在三维管道中，图1中的路径在管壁中沿着轴向进行全周向的传输。同时电磁超声激励换能器和电磁超声接收换能器在测量过程中可功能互换，实现超声波的对称加载，在超声传输路径上实现正反向传播，如图5所示。
[0081]
超声的产生方式需要根据管壁的材料来进行不同的处理，可分为两种情况：
[0082]
1)当管壁材料为金属材料时，电磁超声换能器可由静态偏置磁场产生装置和线圈组成；电磁超声换能器引起超声振动的原理可以分为洛伦兹力和磁致伸缩力两类，其中洛伦兹力适用于所有金属类管道，磁致伸缩力只适用于磁性金属管道。
[0083]
2)当管壁材料为非金属时，此时电磁超声换能器不能直接在管壁中产生超声，需要借助磁致伸缩材料，将薄片形状的材料紧固在管壁外围，超声在磁致伸缩材料中产生，传播到非金属管道中，即在非金属管道中也可以采用表面紧固高性能磁致伸缩薄片来实现超声的激励和接收。
[0084]
这样电磁超声不再局限应用于金属管道，可实现常见材料管壁的多相流测量。基于此，电磁超声换能器的结构可以如下：
[0085]
当被测管道为非铁磁性的金属材料时，电磁超声激励原理为洛伦兹力，如图6a所示，电磁超声换能器包括：由内到外、以同心圆环形状设置的柔性线圈202和永磁铁，永磁铁包括永磁铁n极2031和永磁铁s极2032。具体地，柔性线圈202环绕管壁201设置，柔性线圈202外侧依次设置永磁铁n极2031和永磁铁s极2032。
[0086]
当被测管道为铁磁性的金属材料时，电磁超声激励原理为磁致伸缩和洛伦兹力，如图6b和图6c所示，电磁超声换能器包括：沿被测管道的轴向依次设置的永磁铁203、柔性线圈202和永磁铁203，两个永磁铁203和柔性线圈202均为环状。
[0087]
当被测管道为非金属材料时，如图6d所示，电磁超声换能器包括：沿被测管道的轴向依次设置的永磁铁203、柔性线圈202和永磁铁203，两个永磁铁203和柔性线圈202均为环状，且柔性线圈202内侧设置有磁致伸缩材料204。磁致伸缩材料204可以是薄片状，在将电磁超声换能器固定在管道上时，可以先在管道的外壁上固定磁致伸缩材料204，然后再固定柔性线圈202。
[0088]
需要说明的是，图6d所示的电磁超声换能器的结构与如图6b所示的电磁超声换能器的结构类似，区别仅在于柔性线圈202内侧是否有磁致伸缩材料204，因此，两种结构的电磁超声换能器的外观可以是相同的。
[0089]
为实现管道多相流的长期稳定测量以及模块化、安装简单的目的，本实施例还提供了一种气动式环形电磁超声换能器夹紧装置，通过气动式环形电磁超声换能器夹紧装置将电磁超声换能器的柔性线圈紧固在被测管道上。如图7a所示，气动式环形电磁超声换能
器夹紧装置包括环状的气囊301，气囊301的内侧为电磁超声换能器的柔性线圈202，气囊301的外侧设置有连接排扣302，连接排扣302用于适配不同的管道直径。如图7b所示，连接排扣302可以包括多排缩紧扣。另外，如图7a所示，气囊301的外侧还设置有充放气孔303和连接线插口304。
[0090]
气动式环形电磁超声换能器夹紧装置负责将电磁超声换能器方便的紧固在不同直径的管道壁外，该气动式环形电磁超声换能器夹紧装置的外围具有一定间距的锁紧扣，可根据不同的管径选择不同的锁紧扣，实现预紧固。该气动式环形电磁超声换能器夹紧装置的中间为可充气软密封材料，内侧为电磁超声换能器的柔性线圈202，通过充放气实现柔性线圈202在管壁的紧密贴合和脱离。该气动式环形电磁超声换能器夹紧装置实现了电磁超声换能器的模块化，使得基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置更加简便，提高了安装效率。
[0091]
本发明实施例提供的基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置主要具有以下优点：(1)采用气动式环形电磁超声换能器夹紧装置，使电磁超声换能器安装更加简便，提高安装效率。(2)相较于市面上常见的压电超声检测系统来说不需要耦合剂，可检测的环境中更加恶劣，安装简便，可实现长时间的在线监测。(3)实现了管道全周向360
°
的超声激励，相较于压电超声阵列，误差更小，获得信息更准确。(4)电磁超声管道导波激励并耦合进多相流介质中的形式，可以测量具有微弯管道内的多相流信息。
[0092]
下面对本发明实施例提供的基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量方法进行详细介绍。
[0093]
参见图8所示的一种基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量方法的流程示意图，该方法主要包括如下步骤：
[0094]
步骤s802，获取电磁超声接收换能器输出的接收电信号和回波时间；其中，回波时间为电磁超声接收换能器接收到的超声信号的传播时长。
[0095]
上述回波时间等于电磁超声激励换能器发出超声的时间与电磁超声接收换能器接收到超声信号的时间差。
[0096]
步骤s804，根据接收电信号，确定超声衰减系数，并根据超声衰减系数，确定被测管道对应的相含率。
[0097]
超声衰减系数的计算公式可以如下：
[0098][0099]
其中p1、p2分别为电磁超声接收换能器接收到的平均压强和电磁超声激励换能器发射出的平均压强，平均压强与相应电磁超声换能器的电压幅值成正比关系。
[0100]
超声衰减系数与相含率存在一定的对应关系，可以基于在相同管径和激励电信号的频率下拟合得到的超声衰减系数与相含率的对应关系曲线，确定被测管道对应的相含率。
[0101]
步骤s806，根据回波时间，计算得到被测管道对应的流速。
[0102]
进一步地，当被测管道对应的多相流的流型为分层流时，上述方法还包括：根据回波时间，计算得到被测管道中分界面的液面高度。
[0103]
另外，对于气、液界面，可以先根据回波时间，计算得到分界面的液面高度，再根据液面高度和被测管道的内径，估测气液含率。
[0104]
进一步地，在进行测量之前，上述方法还包括：获取被测管道的特性参数，特性参数包括材料属性、内半径和外半径；根据特性参数，确定柔性线圈的线间距和激励电信号的频率；根据柔性线圈的线间距，制作电磁超声激励换能器和电磁超声接收换能器；根据激励电信号的频率，确定信号发生设备的工作频率。
[0105]
在一种可能的实现方式中，上述方法通过如下过程实现：
[0106]
1.首先根据被检测管道的材料属性、内外半径等参数，利用商业软件计算被测管道相对应的自由空心柱状结构的频散曲线图以及不同波模式下各频率点的波结构，电磁超声激励换能器是全周向加载，因此只会出现超声模态中的l(0,1)，l(0,2)，l(0,3)
···
，t(0,1)，t(0,2)，t(0,3)
···
和f(0,1)，f(0,2)，f(0,3)
···
，由于l(0,1)模态为径向对称振动，而l(0,2)模态径向运动不对称管壁存在差异化振动，如图9所示，f模态和t模态的波结构较为复杂，不利于后期超声信号的处理，因此不予考虑。对l(0,1)模态的波结构分析看到超声的振动分量只有径向和轴向两个方向的位移分量，这样的波结构简单，信号处理难度低，因此选择l(0,1)模态，同时l(0,1)模态中只有径向位移对管内液体产生超声具有贡献，因此在l(0,1)模态中选择径向位移较大的频率点(需结合实际使用环境以及线圈间距，在实际情况允许的范围内选择)。选择348khz频率点的波结构图如图10a和图10b所示(频散曲线计算中管道为铝合金6061材料，外径100mm，壁厚2mm)。根据确定的频率点可以由计算得到相对应的相速度，通过相速度除以频率计算出超声波长，在电磁超声激励换能器中采用的是回折型线圈，因此线圈的线间距(3mm)为波长的一半。其中线圈中激励电信号的频率为确定的频率点348khz。
[0107]
2.在波模态选择完成后，需要根据模态完成柔性线圈的设计，采用柔性线圈设计的气动式环形电磁超声换能器夹紧装置可以很好的完成管道全周向的超声激励。测量线圈的阻抗特性以及大功率脉冲信号放大模块的输出阻抗信息，制作阻抗匹配模块。同时根据确定下来的波模态选择合适频率的激励电信号，由任意函数发生器来产生，并利用高斯函数来对正弦波调制使其频率分量更单一。回折型柔性线圈通过干涉相长可减少其他模态的能量，增加检测系统的信噪比，柔性线圈及其超声激励信号如图11所示。
[0108]
3.利用得到的基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置进行检测。
[0109]
4.在多相流的检测中可以根据多相流的流型主要分为两种情况，如图12所示：
[0110]
1)分层流。管道内的不同相介质之间的相界面超声反射率不同，因此在实际的测量过程中需要根据测量介质制定不同的测量方法。
[0111]
例如在油气水三相流中(如图13(a)所示)，在油、水界面处，超声波大部分能量可穿透油泡或油层，但不同含率的油水两相存在超声波幅值变化。基于这个特点，超声衰减系数可以用来估计油水含率。同时小部分的能量会在油水交界面反射回来传输到管壁，因此对于水层的液面高度和流速可有相应的计算。
[0112]
对于气、液界面(如图13(b)所示)，由于气液之界面上几乎全反射的现象，但由于气体层高不同使得的声速差异明显，具有较好的时间分辨力。基于这个特点，可以根据回波时间估测气液含率。瞬时气液分界面液面高度可以表示为：
[0113][0114]
式中，cf为液相中超声波声速(在实际的测量过程中被测介质是已知的，因此cf是已知的)，δt为渡越时间(即回波时间)。同时超声在流体中的传播角度固定，沿着顺流和逆流两侧同时传播，然后反射到达管壁并在管壁中产生超声导波，该导波具有易于能量耦合进流体的垂直于壁面位移较大的模态和不易于耦合进流体的平行于壁面位移较大的模态。由于垂直于壁面位移较大的模态在管壁中传播是能量会迅速的较小，因此在超声回波探测信号选择上，优先选择能量衰减较小的平行于壁面位移较小模态。如图14所示，可看到顺流路径的超声回波信号被电磁超声接收换能器接收，其回波时间与两电磁超声换能器的空间距离、流体的流速和角度θ有关。另外，逆流路径的超声回波信号被电磁超声激励换能器接收，其回波时间与主要与流体的流速和角度θ有关。因此，通过回波时间可计算出对应流体的流速。
[0115]
下面以顺流路径为例，介绍流速测量原理：
[0116]
电磁超声接收换能器接收到传播到液体中的传播路径超声信号时间(即回波时间)为：
[0117][0118]
式中，d为管道内径，l为电磁超声激励换能器和电磁超声接收换能器的间距，cg为超声信号在管道壁内传播的群速度。其中x
′
为：
[0119][0120]
式中为v为被测量液体的流速。
[0121]
根据上述式(1)和式(2)，即可计算出被测量液体的流速。
[0122]
2)分散流，主要是在流速较大情况下出现，典型的分散流为气液两相分散流或油水两相分散流等。管道中的超声导波能量耦合进流体中，通过超声在流体中的吸收、散射和衍射等衰减造成超声接收端能量的大幅衰减。超声波传播的条件需要传播介质，介质分子在声波传播过程中会产生振动现象，从而导致部分的超声波能量转化成热量，这是超声波在介质中传播过程中的吸收现象。当超声波在非均匀混合介质中传播时，由于不同介质之间存在声阻抗差异，超声波经过不同介质分界面时会发生散射现象，导致本该在传播方向传播的超声波能量衰减。由于超声波波长与气液两相流中分散相气泡尺寸之间的关系，可能导致超声衍射现象的发生。在利用超声衰减测量分散流中，研究者们已经给出了声压幅值衰减的影响因素：
[0123][0124]
式中，a0为超声波发射处初始声压幅值，a为超声波在传播距离l处的声压幅值，γ为体积界面面积，α为散射系数，d
sm
为sauter平均直径，k为超声波的波数。
[0125]
根据以上的理论和实际在实验中的管径、激励频率等信息，需要分区间、分情况对分散流中的相含率等信息进行拟合处理，并由电磁超声换能器测量的超声幅值计算得到。例如，在实际的测量过程中，由于油水两相流的离散相粒径大小和位置对超声衰减特性有重要影响，而实际流动中不同含油率范围，不同流动流型下的液滴粒径分布都不尽相同。如图15所示，在其他条件确定，不同的含油率的超声衰减情况也是较为复杂的，因此在测量中对于先验数据的实验和参数拟合显得尤为重要，同时全周向的超声耦合相较于压电阵列等形式提供了更加丰富的多相流信息，在数据反演和计算中更加精确。
[0126]
分散流的流速问题，可以根据分层流中流速的计算方式去分析，由于全周向电磁超声的加载方式使得超声在分散流中的渡越体积更大，对于气泡或油泡等干扰具有更强的鲁棒性，可在分散流中测量出整体的流速。
[0127]
5.电磁超声接收换能器接收到的信号与电磁超声激励换能器通过双工器接收到的信号均经过功率限制模块和程控增益放大模块，实现小信号的增益放大，然后信号经过滤波之后进入到adc数字采集系统，将接收到的信号转化为数字量，方便后期的信号处理以便得多相流中相含率、相速度等信息。
[0128]
6.对于接收到的信号进行处理。可将电磁超声接收换能器和电磁超声激励换能器得到的信号进行同步处理，从流体中反射或衰减再次到达管壁的超声信号会分别传输到两侧电磁超声换能器，从而具有确定的时间总和。根据确定的时间总和，可以对超声信号包络的拟合做出补偿，使得时间上的计算更加精确，提高测量精确性。
[0129]
本发明中还可以利用符合不同参数的柔性线圈，选择不同频率的符合情况的波模态，这样可以采用频率复用方法，改变超声的偏转角度实现不同传播路径的获取较多的多相流信息，提高测量结果的精度。
[0130]
综上，本发明实施例提供的基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置及方法具有如下有益效果：
[0131]
(1)全周向加载超声导波的方法，实现了测量范围内管道内部全向的多相流介质测量，同时电磁超声接收换能器和电磁超声激励换能器可功能互换，实现超声正反路径传播，相比传统的压电超声检测，大幅提高了检测精度。
[0132]
(2)提高了检测系统的鲁棒性，可工作在恶劣环境(例如高温、低温)，同时柔性线圈可适应不同管径。
[0133]
(3)针对电磁超声导波对于多相流的检测实际情况，可测量微弯管道这种情况。
[0134]
(4)电磁超声激励换能器与电磁超声接收换能器在超声信号接收中存在时间间隔确定值，可对超声信号包络的拟合进行参考和补偿，提高了多相流测量的包络拟合精度和测量精确性。
[0135]
(5)采用气动式环形电磁超声换能器夹紧装置，整个基于管道周向环形加载的电磁超声多相流测量装置更加简单便捷，安装方便。
[0136]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0137]
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0138]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0139]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。