本發(fā)明涉及流體測量領(lǐng)域，具體是一種基于超聲多普勒技術(shù)的用于測量水輪機(jī)轉(zhuǎn)子氣液兩相流的方法和裝置。該方法和裝置可以識(shí)別氣液兩相流的各相含量、速度和流量，以及總體平均速度、流量。

背景技術(shù)：

工程上廣泛存在著兩相流的流動(dòng)現(xiàn)象，其中以氣液兩相流最為普遍。例如石油輸運(yùn)管道內(nèi)、水輪機(jī)轉(zhuǎn)子周圍、大氣云層內(nèi)的對(duì)流等，都屬于氣液兩相流流動(dòng)。通過兩相流流動(dòng)流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測量，了解其特性及變化規(guī)律，對(duì)于相關(guān)科研、設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)具有十分重要的意義。與單相流相比，兩相流由于在相界面各相間存在傳質(zhì)，甚至化學(xué)反應(yīng)，而且在時(shí)間、空間上隨機(jī)可變，使得諸如各相含量、流速、流量以及總體速度、流量等流動(dòng)參數(shù)的檢測更具復(fù)雜性，難度很大。迄今為止，已有的檢測技術(shù)和方法大多是建立在單相傳感器基礎(chǔ)上的檢測手段，獲得的信息量小，而且無法對(duì)兩相流的整體特性進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測描述。

隨著工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于兩相流流動(dòng)的計(jì)量、控制方面的更高要求，需要開發(fā)一種能夠同時(shí)測量獲得氣液兩相流中各相含量、流速和流量，以及總體平均速度、流量的裝置。超聲多普勒技術(shù)(ultrasonicdoppler)可以實(shí)現(xiàn)可視化、非接觸、無輻射、低成本測量,近年來在流體測量方面的應(yīng)用得到了很大的發(fā)展。具體在氣液兩相流測量中的應(yīng)用原理是：利用超聲發(fā)射器發(fā)射向氣液兩相流流場發(fā)射頻率為fe的超聲信號(hào)，當(dāng)有氣泡進(jìn)入測量體積時(shí),由于氣液表面對(duì)超聲有很強(qiáng)的反射作用,超聲回聲信號(hào)fr受到衰減，而fe和fr之差fd，即為多普勒頻移，它與氣泡速度直接成線性關(guān)系。因而，測得流場中超聲多普勒頻移，即可獲得當(dāng)?shù)貧庀嗨俣?。連續(xù)的測量還可以得到前述氣液兩相流的分相各相速度和流量，如果配以多個(gè)其他類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)組合測量，則可以獲得完整的氣液兩相流的流動(dòng)參數(shù)。

本發(fā)明提供一種基于超聲多普勒技術(shù)的用于測量水輪機(jī)轉(zhuǎn)子氣液兩相流的方法和裝置。該方法和裝置可以識(shí)別氣液兩相流的各相含量、速度和流量，以及總體平均速度、流量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種用于測量水輪機(jī)轉(zhuǎn)子氣液兩相流的方法和裝置。該方法和裝置可以識(shí)別氣液兩相流的各相含量、速度和流量，以及總體平均速度、流量。圖1是基于超聲多普勒技術(shù)的氣液兩相流測量裝置的布局圖。圖中所示，該裝置包括：測量管道(1)、超聲信號(hào)發(fā)射器(2)、超聲信號(hào)接收器(3)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(4)、控制計(jì)算機(jī)(5)、壓差流量計(jì)(6)。其連接關(guān)系是：

超聲信號(hào)發(fā)射器(2)安裝在被測氣液兩相流流動(dòng)的測量管道(1)的管壁；

超聲信號(hào)接收器(3)安裝在超聲信號(hào)發(fā)射器(2)對(duì)面；

超聲信號(hào)接收器(3)連接數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(4)；

壓差流量計(jì)(6)位于測量管道(1)上，在超聲信號(hào)發(fā)射器(2)的下游；

控制計(jì)算機(jī)(5)連接超聲信號(hào)發(fā)射器(2)、超聲信號(hào)接收器(3)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(4)。圖2是超聲多普勒技術(shù)測量氣液兩相流的各相含量的原理圖。圖中表示，沿著測量管道(1)中兩相流流動(dòng)方向上的剖面上，測量管道兩側(cè)安置超聲信號(hào)發(fā)射器(2)，其對(duì)面安裝超聲信號(hào)接收器(3)。測量的過程中，超聲信號(hào)發(fā)射器發(fā)射脈沖超聲信號(hào)(7)，測量管道內(nèi)兩相流流動(dòng)時(shí)，氣泡(9)和液體(8)各相含量和分布的不斷變化，由于超聲測量體積有一定大小,其中所有的運(yùn)動(dòng)氣泡都會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移信號(hào),超聲信號(hào)接收器(3)收到信號(hào)給出對(duì)該測量體積中所有信號(hào)進(jìn)行平均后的結(jié)果。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(4)通過對(duì)回聲信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(fft)分析,可以得到多普勒頻移的頻譜圖,從而得到速度的頻譜分布,在氣-液兩相流中,液相和氣相之間存在著明顯的滑移速度,在fft給出的速度頻譜分布中體現(xiàn)為明顯的雙峰分布。經(jīng)過數(shù)字濾波和fft逆變換，分別獲得氣液兩相的分相速度。

附圖說明

圖1是基于超聲多普勒技術(shù)的氣液兩相流測量裝置的布局圖；圖中，1測量管道、2超聲信號(hào)發(fā)射器、3超聲信號(hào)接收器、4數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、5控制計(jì)算機(jī)、6壓差流量計(jì)。

圖2是超聲多普勒技術(shù)測量氣液兩相流的各相含量的原理圖；圖中，1測量管道、2超聲信號(hào)發(fā)射器、3超聲信號(hào)接收器、7超聲信號(hào)、8液體、9氣泡。

具體實(shí)施方式

以一個(gè)具體實(shí)施方案進(jìn)一步說明本發(fā)明提出的基于超聲多普勒技術(shù)的用于測量水輪機(jī)轉(zhuǎn)子氣液兩相流的方法和裝置的原理和結(jié)構(gòu)。該方法和裝置用于測量空氣-水兩相流的各相含量、速度和流量，以及總體平均速度、流量。該裝置中的部件組成和連接關(guān)系與圖1相同。具體實(shí)施方式中，測量管道(1)的截面為正方形、為長度為1m、內(nèi)邊為50mm、壁厚10mm、材料為有機(jī)玻璃。水平放置。超聲信號(hào)發(fā)射器(2)發(fā)射超聲信號(hào)，透射空氣-水兩相流流體產(chǎn)生多普勒頻移；數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(4)測量多普勒頻移，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得獲得氣-水兩相流流場在測量出的瞬態(tài)成分；控制計(jì)算機(jī)(5)連接、控制數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(4)的運(yùn)行，同時(shí)規(guī)定數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(4)的連續(xù)的采樣間隔，從而獲得空氣-水的分相速度；壓差流量計(jì)(6)在測量管道(1)的下游，測量總流量。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種用于測量水輪機(jī)轉(zhuǎn)子氣液兩相流的方法和裝置。該方法和裝置可以識(shí)別水輪機(jī)轉(zhuǎn)子氣液兩相流的各相含量、速度和流量，以及總體平均速度、流量。該裝置包括：測量管道(1)、超聲信號(hào)發(fā)射器(2)、超聲信號(hào)收器(3)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(4)、控制計(jì)算機(jī)(5)、壓差流量計(jì)(6)。該裝置可以識(shí)別氣液兩相流的各相含量、速度和流量，以及總體平均速度、流量。

技術(shù)研發(fā)人員：路明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：成都金景盛風(fēng)科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：2016.03.30
技術(shù)公布日：2017.10.24