基于超声传感器的气液两相流参数表征研究.pdf

摘要

相，指的是在一个空间中，物理性质与化学性质等不存在关系的成分分布。具有

两种及两种以上的流动的相称为多相流，不同的相之间存在明显的分界面。气液两相

流作为两相流中一种，在工业中较为常见，两相流检测相关研究对于工业发展有着重

要意义。

常用的两相流检测方法包括电学、射线、超声等，这些方法因为非侵入性、低成

本、安全性等优点，越来越多的使用于两相流的检测中。超声检测的场域是一种“硬

场”，而电学等其他检测方法的场域是一种“软场”，这就使得超声对检测管道中间区域

的障碍物的边界和位置具有更大的优势，且不容易受到外界因素的影响。超声检测相

对其他方法，具有较好的分辨率，而且结构简单，成本低，由于超声具有无辐射、检

测深度大、方向性好、穿透能力强、对缺陷或杂质定位准确的优点，这些优点使得以

超声为主要手段的超声检测技术备受关注。

本文从超声检测系统接收的检测信号出发，首先研究了不同频率的激励信号对系

统的影响，接着研究了不同气泡尺寸、不同气泡位置对渡越时间和接收端信号的影响，

最后对测量结果进行曲线拟合，分别获得了气泡尺寸和渡越时间、电压和损失电压之

间的关系，并对其影响因素进行了分析。

本文主要研究内容如下：

(1)在比较电学检测、射线检测、超声检测等几种常用多相流检测技术的基础上，

分析了超声检测技术在分辨率和结构等方面的特点，并对描述超声波特性的齐次和非

齐次波动方程进行推导，给出了波动方程的求解方法。

(2)构建超声检测系统模型，并对模型的设置、网格剖分进行了分析，选择三角形

剖分方式对管道内部区域进行剖分，选择四边形剖分方式对传感器区域进行剖分。对

超声传播路径进行近似直线处理，得到灵敏场分布情况。该灵敏场分布具有传感器周

围灵敏度低，中间区域灵敏度高的特点，这样的特点使得内部气泡出现一些微小的变

化，输出信号就可以对这微小变化产生较明显的变化。

(3)对该模型的超声激励频率进行选取，对不同激励频率下超声波的传播情况进行

了比较分析，得到超声波频率与分辨率、衰减程度的关系。随后研究了不同尺寸、不

同位置的气泡对渡越时间以及接收端电势的影响。基于超声衰减法，对渡越时间和接

收电势进行曲线拟合，得到气泡特征与渡越时间及接收端电势之间的函数关系，进而

可通过接收信号对气泡特征进行分析。

关键词：两相流，超声传感器，超声检测，信号分析，曲线拟合

ABSTRACT

Phasereferstothedistributionofcomponentshavingnophysicalorchemicalpropertiesinacertain

space.Whentherearetwoormoreflowingphases,itiscalledmultiphaseflow.Thereisanobvious

interfacebetweendifferentphases.Asoneofthosetwo-phaseflow,gas/liquidisthemostcommonin

industry.Twophasedetectionismeaningfulinthedevelopmentofindustry.

Somecommondetectionssuchaselectricity,X-ray,ultrasonic,etc.aremoreandmorewidelyusedin

two-phase-flowdetectionfortheadvantageofnon-invasive,lowcostandsafety.Thefieldofultrasonic

detectionisahardfieldoppositetotheothersoftfield,forexample,electricitydetection,whichmakes

ultrasonicdetectionoutstandingintheboundaryandpositiondetectionoft