一种流体速度场测量装置及方法

本发明属于超声测速，特别是涉及一种流体速度场测量装置及方法。

背景技术：

1、近年来，随着工业智能化生产及各种流量传感器的发展，对于应用于各种流量测量场景的测量系统提出了越来越高的要求。其中流体流速作为流量测量系统中的一个非常重要的参数，对流速的精确测量在水体研究、工业监测、环境保护、洪涝预警等方面具有重要意义。如何精确的测量各种流体场景下的流速信号是一个十分重要的研究课题。

2、随着城市的快速发展，城市排水管网内污水流量计量一直是一个难题，污水属于液-固两相流，所处环境是大口径管道，通常都是非满管流动。所以大口径非满管液-固两相流是城市排水管网内污水流动的典型特征。传统的流量传感器主要包括差压式流量计，容积式流量计，速度式流量计，质量式流量计。这些流量计一般是根据满管单相流动的原理而构建的计量模型，并不能直接应用。因此，一些研究者分别针对于此问题做出了一些研究。

3、对于非满管流量计量问题，已有的研究主要集中于在污水处理厂进水泵房后的污水总流量计量，该处流体经过粗格栅初步过滤，研究者一般将其视为单相流体，利用不同原理的单相流计量仪表实现污水总流量计量，较适合非满管计量的是电磁法及超声波法以及基于流动特性的力学方法。

4、传统的电磁流量计，通过改进电极结构及增加电极数量，从而实现流速及液位的计量；传统超声流量计，通过增加探头数量及液位计量，可以实现非满管的流量计量；此外，另有研究者利用差压、力矩等基本原理实现了非满管的流量计量。现有的研究方法都需要改造计量管道来实现污水计量，对于已有的地下排污管网难以实现。同时，上述计量方式都是建立在单相流动基础上的，而实际排水管道中流动的污水并非单相流体，含有大量固体颗粒及油脂等，属于非满管液－固两相流动。因此，单相流计量模型的流量计量方法应用在多相流形式的污水计量中会产生较大误差，无法完全满足使用要求，因此急需研究一种基于非侵入式传感器的非满管液-固多相流体流动特性及分相流量计量模型。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种流体速度场测量装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、一方面为实现上述目的，本发明提供了一种流体速度场测量装置，包括相控阵板卡、探头固定装置、数据处理单元和若干相控阵探头；

3、各所述相控阵探头通过所述探头固定装置安装于待测管道的外侧壁上；

4、所述相控阵板卡包括主处理器和信号转换模块，所述主处理器电连接有供电模块、通信模块、脉冲激励模块、时延控制模块和信号接收单元，所述主处理器通过所述通信模块与所述数据处理单元通信连接；所述信号转换模块的信号输入端与所述时延控制模块电连接，所述信号转换模块的信号输出端连接有若干转换器，所述信号转换模块的回波信号输出端与所述信号接收单元电连接；各所述转换器均包括若干通道，各所述相控阵探头与各所述通道一一对应连接。

5、可选的，所述探头固定装置包括扫查钢架，所述扫查钢架环绕安装于所述待测管道的外侧壁上，所述扫查钢架远离所述待测管道的一侧安装有所述相控阵探头。

6、可选的，各所述相控阵探头均通过楔块固定安装于所述扫查钢架上。

7、可选的，所述脉冲激励模块包括脉冲放大器和脉冲放大模块，所述主处理器、脉冲放大器和所述脉冲放大模块依次电连接，所述脉冲放大模块还与所述时延控制模块电连接。

8、可选的，所述信号接收单元包括信号接收电路模块、频带滤波器和a/d转换电路模块，所述信号接收电路模块的输入端连接所述信号转换模块的回波信号输出端，所述信号接收电路模块的输出端、频带滤波器、转换电路模块和所述主处理器依次电连接。

9、可选的，所述信号接收电路模块的输入端还连接有增益调节模块，所述增益调节模块的输入端与所述主处理器电连接。

10、另一方面为实现上述目的，本发明提供了一种流体速度场测量方法，应用于所述的一种流体速度场测量装置，包括：

11、步骤一：在待测管道的外侧壁上安装若干相控阵探头，并使相控阵板卡连接数据处理单元和各所述相控阵探头；

12、步骤二：在所述数据处理单元中设置测量参数并发送至所述相控阵板卡中，所述测量参数包括探头楔块参数、超声波发射参数和超声接收参数，在所述相控阵板卡中导入聚焦法则并设置扫查模式；对设置的参数进行逻辑错误验证，逻辑错误验证通过后，等待测量命令；

13、步骤三：启动相控阵探头进行流体速度场测量，控制脉冲激励模块发出激励脉冲信号，基于设置的聚焦法则通过时延控制模块对激励脉冲信号进行调控，得到调控脉冲信号；信号转换模块基于所述调控脉冲信号分别激励各通道下的相控阵探头发出超声发射波；

14、步骤四：接收超声回波，基于所述超声回波和所述超声发射波计算待测管道内流体截面流速的速度分布数据；

15、重复步骤三至步骤四直至到达预设测量次数，完成测量。

16、可选的，所述步骤四，具体包括：

17、对所述超声回波和所述超声发射波进行a/d转换，得到回波数字信号数据和发射波数字信号数据；

18、对所述回波数字信号数据和所述发射波数字信号数据分别进行阈值检测和快速傅里叶变换，得到回波频域数据和发射波频域数据；

19、基于互相关算法计算所述回波频域数据和所述发射波频域数据之间的多普勒频差数据；

20、基于所述多普勒频差计算当前通道的粒子速度；

21、重复上述步骤计算各通道的粒子速度，基于各通道的粒子速度构建待测管道内流体截面流速的速度分布数据。

22、本发明的技术效果为：

23、本发明采用基于相控阵超声传感器的流体速度场测量装置及方法可以方便精确的得出管道中流体截面上的速度分布信息，也可以直观的看出流体在流动的过程中，其流速分布并不均匀，重新构建了计量检测模型，使本传感器获得了一定的空间分辨率。为后续科研人员进一步精确的研究流体的流动特性有了一个新的研究方法。且本装置在实验的过程中，安装方便，操作简便，得出了较为准确的实验数据，成功构建了管道内流体截面流速的速度分布信息。解决了城市污水管道流体流速计量问题。

技术特征：

1.一种流体速度场测量装置，其特征在于，包括相控阵板卡(2)、探头固定装置、数据处理单元和若干相控阵探头(4)；

2.根据权利要求1所述的一种流体速度场测量装置，其特征在于，所述探头固定装置包括扫查钢架(5)，所述扫查钢架(5)环绕安装于所述待测管道的外侧壁上，所述扫查钢架(5)远离所述待测管道的一侧安装有所述相控阵探头(4)。

3.根据权利要求2所述的一种流体速度场测量装置，其特征在于，各所述相控阵探头(4)均通过楔块固定安装于所述扫查钢架(5)上。

4.根据权利要求1所述的一种流体速度场测量装置，其特征在于，所述脉冲激励模块包括脉冲放大器和脉冲放大模块，所述主处理器、脉冲放大器和所述脉冲放大模块依次电连接，所述脉冲放大模块还与所述时延控制模块电连接。

5.根据权利要求1所述的一种流体速度场测量装置，其特征在于，所述信号接收单元包括信号接收电路模块、频带滤波器和a/d转换电路模块，所述信号接收电路模块的输入端连接所述信号转换模块的回波信号输出端，所述信号接收电路模块的输出端、频带滤波器、转换电路模块和所述主处理器依次电连接。

6.根据权利要求5所述的一种流体速度场测量装置，其特征在于，所述信号接收电路模块的输入端还连接有增益调节模块，所述增益调节模块的输入端与所述主处理器电连接。

7.一种流体速度场测量方法，应用于权利要求1-6中任一项所述的一种流体速度场测量装置，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的一种流体速度场测量方法，其特征在于，所述步骤四，具体包括：

技术总结
本发明属于超声测速技术领域，并公开了一种流体速度场测量装置及方法，包括：各相控阵探头通过探头固定装置安装于待测管道的外侧壁上；相控阵板卡包括主处理器和信号转换模块，主处理器电连接有供电模块、通信模块、脉冲激励模块、时延控制模块和信号接收单元，主处理器通过通信模块与数据处理单元通信连接；信号转换模块的信号输入端与时延控制模块电连接，信号转换模块的信号输出端连接有若干转换器，信号转换模块的回波信号输出端与信号接收单元电连接；转换器均包括若干通道，相控阵探头与通道一一对应连接。本发明技术方案能够方便精确的得出管道中流体截面上的速度分布信息，便于工作人员的监控预警。

技术研发人员：方立德,徐新锐,贾慧君,东佳艺,刘晨阳
受保护的技术使用者：河北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5