方立德, 孔恒正, 韓棒棒, 田夢(mèng)園, 李小亭

(1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院,河北 保定 071002; 2.計(jì)量?jī)x器與系統(tǒng)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,河北 保定 071002;3.河北省能源計(jì)量與安全檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071002)

1 引 言

氣液兩相流在醫(yī)藥、冶金、化工、制冷、能源、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域中廣泛存在[1～3]?；どa(chǎn)中的氣液攪拌器、鼓泡塔,石油工業(yè)的生產(chǎn)井中均存在氣液兩相流[4～6]。超聲波在氣液兩相流領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用,基于超聲波的散射、反射及透射現(xiàn)象,可以實(shí)現(xiàn)兩相流流速、流量和截面含氣率測(cè)量[7～9]。超聲波在流體中傳播具有穿透性強(qiáng)、能量集中、指向性好等優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)被測(cè)物不會(huì)產(chǎn)生破壞作用,因此可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)的參數(shù)檢測(cè)[10]。超聲波測(cè)量作為一種非接觸性測(cè)量的測(cè)量手段,具有良好的方向性,這使得超聲檢測(cè)方式逐漸成為研究重點(diǎn)。由于界面效應(yīng)和相對(duì)速度的影響,兩相流中介質(zhì)分布呈現(xiàn)隨機(jī)變化狀態(tài)的特征。在兩相流測(cè)量中,回波信號(hào)容易受到干擾,衰減嚴(yán)重,使得信噪比降低。采用多發(fā)多收的超聲陣列檢測(cè)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)超聲波對(duì)整個(gè)氣液兩相流界面的覆蓋,提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。相控陣在單個(gè)探頭組件中使用多個(gè)晶片偏轉(zhuǎn)、聚焦和掃描聲束,有利于實(shí)現(xiàn)全方位掃描。相控陣傳感器常應(yīng)用在無損檢測(cè)領(lǐng)域,用來進(jìn)行缺陷檢測(cè)[11～14],通過傳感器的采集信號(hào)可以進(jìn)行二維、三維成像[15,16]。Munkbhat等[17]使用超聲波陣列傳感器測(cè)量多條測(cè)量線上氣泡的瞬時(shí)速度；方立德等[18]采用超聲相控陣技術(shù)對(duì)兩相(空氣-水)垂直流進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過圖像處理和應(yīng)用算法來識(shí)別流型。超聲信號(hào)也可以用來成像,葉曉同等[19]通過調(diào)整聲波聚焦位置等聚焦參數(shù)來對(duì)物體進(jìn)行掃描,實(shí)現(xiàn)物體的三維成像。

本文基于陣列超聲傳感器來對(duì)氣液兩相界面的特征進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了氣液界面高度測(cè)量的靜態(tài)實(shí)驗(yàn),同時(shí)通過陣列超聲傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建了分層流狀態(tài)下的氣液間的界面,并與真實(shí)狀態(tài)下的分層流氣液界面進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了陣列超聲傳感器對(duì)氣液兩相界面特征探究的可行性。

2 交界面檢測(cè)原理

陣列超聲傳感器由多個(gè)獨(dú)立超聲陣元組成,單獨(dú)進(jìn)行發(fā)射接收工作。通過控制各個(gè)陣元發(fā)射接收的延時(shí)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)方向上聲束的合成,使超聲波波束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)聚焦的效果[20]。

圖1所示為分層流檢測(cè),上方為氣相,下方為水相,陣列超聲傳感器置于管道底部,當(dāng)超聲波聲束遇到分層流的氣液界面時(shí),全部原路返回到原入射陣元處。根據(jù)各陣元合成的回波信號(hào),可以得到由氣液界面反射導(dǎo)致的回波峰值的位置,根據(jù)回波峰值位置可得到氣液界面的位置。

圖1 分層流檢測(cè)原理圖Fig.1 Schematic diagram of stratified flow detection

相控陣偏轉(zhuǎn)聚焦的原理是通過求不同陣元到聚焦點(diǎn)的距離來得到傳播距離,進(jìn)而得到傳播時(shí)間差和延時(shí)值。聲束偏轉(zhuǎn)聚焦的原理如圖2所示,聲束的偏轉(zhuǎn)聚焦可以使合成聲束沿設(shè)定方向傳播。

圖2 聲束偏轉(zhuǎn)聚焦原理圖Fig.2 Schematic diagram of beam deflection focusing

圖2中,相控陣陣元個(gè)數(shù)為n，n為偶數(shù),聚焦點(diǎn)為F,陣元所在直線到聚焦點(diǎn)的距離為h,Δd為2個(gè)陣元中心間的距離,設(shè)傳播方向與豎直方向夾角為θ,則第i個(gè)陣元到聚焦點(diǎn)的距離si為：

(1)

將陣元傳播距離的最大值定義為smax,圖2所示第1個(gè)陣元距離聚焦點(diǎn)最遠(yuǎn),則第i個(gè)陣元與距離聚焦點(diǎn)最遠(yuǎn)陣元的距離差為：

Δsi=smax-si

(2)

第i個(gè)陣元相對(duì)于第1個(gè)陣元需要添加的延遲時(shí)間為：

(3)

式中:v為超聲波在介質(zhì)中的速度;t1為控制延遲時(shí)間,為固定值。根據(jù)控制延遲時(shí)間,可以使得超聲陣列傳感器實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)聚焦。

相控陣發(fā)射和接收聲束的過程是互逆的。在進(jìn)行信號(hào)接收時(shí),對(duì)各個(gè)陣元接收到的回波信號(hào)疊加和相控陣發(fā)射時(shí)相同的延時(shí)時(shí)間,得到相干疊加后增強(qiáng)的回波信號(hào)。超聲波探測(cè)氣液界面時(shí),依據(jù)反射法對(duì)氣液界面實(shí)現(xiàn)探測(cè),探頭發(fā)射的超聲波在物體內(nèi)部進(jìn)行傳播時(shí),當(dāng)遇到不同的介質(zhì),會(huì)被反射回來。反射位置即反射面相對(duì)于陣元的距離l,主要由速度v和傳播時(shí)間t來決定：

(4)

在實(shí)際的接收延時(shí)調(diào)節(jié)中,根據(jù)計(jì)算得到的各個(gè)陣元疊加的延時(shí),以采樣點(diǎn)的形式存儲(chǔ)回波數(shù)據(jù),第i個(gè)陣元的接收信號(hào)需要添加采樣點(diǎn)數(shù)量mi為:

mi=Δti×f

(5)

式中f為采樣頻率。

假設(shè)超聲波的聲束寬度是s,采樣點(diǎn)的數(shù)量為m,則相鄰采樣點(diǎn)間的距離Δx為：

(6)

這樣可根據(jù)各陣元合成的回波信號(hào)采樣點(diǎn)的變化數(shù)量,可以得到由氣液界面反射導(dǎo)致的回波峰值位置的變化,從而得到氣液界面的位置變化量。

3 陣列超聲傳感器的氣液兩相流實(shí)驗(yàn)

3.1 陣列超聲傳感器系統(tǒng)

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)主要由相控陣檢測(cè)儀器,監(jiān)控主機(jī)和相控陣探頭組成,通過設(shè)置16個(gè)線性排列的陣元參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波聲束控制,每次掃描最多發(fā)射128個(gè)方向的聲束,每條超聲波束方向上采集448個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),這些數(shù)據(jù)組成1個(gè)128×448的數(shù)據(jù)矩陣,前400個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)設(shè)定的采樣范圍,即信號(hào)傳播的深度,后48個(gè)點(diǎn)用作超范圍顯示和采集,每1 min可采集60次。

3.2 氣液兩相流靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)陣列超聲傳感器對(duì)氣液界面的高度測(cè)量,將陣列超聲傳感器固定于玻璃水箱下方,水箱的長(zhǎng)為25 cm,寬為16 cm,高為15 cm,玻璃厚度為 5 mm,液面高度由20 mm開始以10 mm為單位遞增。利用陣列超聲傳感器進(jìn)行檢測(cè),并采集扇掃圖像,分別采集了20～100 mm不同高度下所接收到的超聲回波信號(hào),每組靜態(tài)實(shí)驗(yàn)采集10組以上的數(shù)據(jù)。超聲回波顯示距離設(shè)置為120 mm,傳播速度設(shè)置為1 450 m/s,掃描角度設(shè)置為-45°～45°。

3.3 氣液兩相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)在河北大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行,該裝置可以進(jìn)行單相、兩相和三相流實(shí)驗(yàn)。通過變頻器控制多級(jí)離心泵進(jìn)行流體速度,從而產(chǎn)生不同的流型。測(cè)試管段的材質(zhì)為有機(jī)玻璃,內(nèi)徑為 50 mm,壁厚為5 mm,表面為曲面,為了使陣列超聲傳感器和測(cè)試管道貼合,采用設(shè)計(jì)專用楔塊來實(shí)現(xiàn)。

將超聲探頭、楔塊與管道連接,并在探頭與楔塊間和楔塊與管道間分別添加耦合劑,使其接觸穩(wěn)定。在水平測(cè)試管道上,進(jìn)行了分層流實(shí)驗(yàn),水平管道實(shí)驗(yàn)圖如圖3所示。探頭采集管道內(nèi)流體狀態(tài)信號(hào)。同時(shí),利用高速攝像機(jī)對(duì)透明管道內(nèi)流型進(jìn)行觀察并記錄流型。

圖3 分層流實(shí)驗(yàn)Fig.3 Layered flow experiment

4 陣列超聲傳感器結(jié)果分析

4.1 氣液界面高度測(cè)量

圖4為液面高度60 mm時(shí)相控陣界面示意圖,其可分為3部分：圖像頂部的盲區(qū),圖像中間由氣液界面產(chǎn)生的反射信號(hào),圖像底部的二次回波區(qū)域。

圖4 液面高度60 mm扇掃圖像Fig.4 Fan scanning image of liquid level height of 60 mm

圖5為第64條聲束的回波信號(hào),共有3個(gè)峰值,分別為盲區(qū)部分的峰值信號(hào),氣液界面引起峰值信號(hào),二次回波引起的峰值信號(hào)。其中盲區(qū)是距離超聲探頭最近的位置,在15 mm以內(nèi),這部分是由超聲發(fā)射過程中余振所產(chǎn)生的回波信號(hào),在此區(qū)域內(nèi),無法實(shí)現(xiàn)正常的檢測(cè)。

圖5 第64條聲束對(duì)應(yīng)的回波圖像Fig.5 Echo image corresponding to the 64 sound beam

4.2 超聲波聲束信號(hào)

圖6所示為液面高度60 mm時(shí),提取不同方向的聲束超聲回波對(duì)比圖。由圖6可以看出,當(dāng)液位一定時(shí),不同方向上超聲波波束,峰值的區(qū)域大致相同，均出現(xiàn)的3次峰值,采樣點(diǎn)0～50的峰值對(duì)應(yīng)盲區(qū)位置、采樣點(diǎn)200～250的峰值對(duì)應(yīng)氣液界面位置,采樣點(diǎn)350～400的峰值對(duì)應(yīng)二次回波位置。

圖6 不同方向上聲束的回波信號(hào)Fig.6 Echo signals of upper beam in different directions

當(dāng)液面逐漸變化時(shí),對(duì)第1，32，64，96，128條超聲波聲束在不同液面下的信號(hào)提取,如圖7所示。由圖7可以看出不同液面高度下采集的超聲回波信號(hào)第1個(gè)峰值(即盲區(qū)部分對(duì)應(yīng)的峰值)基本重疊,而由氣液界面引起的峰值位置和二次回波峰值出現(xiàn)差異,峰值的位置隨氣液界面高度增加明顯后移。

圖7 不同液面高度下的聲束回波信號(hào)Fig.7 Acoustic beam echo signals at different liquid level heights

對(duì)圖7中的氣液界面處的峰值信號(hào)進(jìn)行提取,在去掉盲區(qū)和二次回波峰值,并將多余信號(hào)歸零處理,得到不同深度的回波信號(hào)圖,如圖8所示。

圖8 采樣點(diǎn)截取后不同液面高度下的聲束回波圖Fig.8 Acoustic Beam echo diagram at different liquid level height after sampling point interception

從圖8可以觀察到,回波峰值信號(hào)隨著不同液面高度下的差異,隨著液面高度的上升,氣液分界面所產(chǎn)生的超聲波的峰值也在逐步的后移。

為分析陣列超聲傳感器采集數(shù)據(jù)對(duì)距離的分辨能力,求取不同液面高度下陣列超聲傳感器采集得到距離差,提取不同高度下峰值點(diǎn)出現(xiàn)的位置,不同峰值的采樣點(diǎn)序號(hào)如表1所示。

表1 峰值對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)序號(hào)Tab.1 Serial number of sampling points corresponding to peak value

由表1可知,相鄰峰值間的間距約為33個(gè)采樣點(diǎn),圖8中前400個(gè)點(diǎn)所采集的距離對(duì)應(yīng)所設(shè)定的120 mm,則相鄰采樣點(diǎn)間所代表的距離為：

(7)

式中：s為超聲波聲束設(shè)定的距離。因此圖8中相鄰峰值間的間距約為：

Δs=33×Δx=9.9 mm

(8)

相鄰峰值代表了間隔為9.9 mm的氣液兩相分流的界面,而真實(shí)的界面距離差為10 mm?；陉嚵谐晜鞲衅饔?jì)算得到的界面距離差與真實(shí)界面距離差接近,但仍然存在一定誤差,主要由以下3個(gè)原因?qū)е拢?)液面高度值是人為測(cè)量得到,故和水面真實(shí)高度存在差異;2)超聲波的真實(shí)傳播速度與設(shè)定速度不同;3)超聲波聲束在玻璃與水面的交界處發(fā)生反射,傳播路徑改變。

為進(jìn)一步探究陣列超聲傳感器對(duì)氣液界面的檢測(cè)效果,將氣液界面差設(shè)定為2 mm,得到了液面高度50～60 mm采集的回波數(shù)據(jù)。在液位高度變化的情況下,提取第64條聲束的回波信號(hào),并截取氣液界面位置處的回波進(jìn)行對(duì)比,如圖9所示。

圖9 不同高度下第64條聲束回波圖Fig.9 Echoes of the 64th beam at different heights

由圖9中可以看到不同高度下氣液界面回波位置的區(qū)別,證明了陣列超聲傳感器能夠分辨2 mm以上的液位差。

4.3 分層流動(dòng)截面重構(gòu)

由于陣列超聲傳感器實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)矩陣與扇掃圖像中128條掃描線上的回波信號(hào)相對(duì)應(yīng),因此可以得到數(shù)據(jù)矩陣中采樣點(diǎn)的真實(shí)位置。對(duì)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化并對(duì)圖像優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)流動(dòng)下管道截面的重建。圖像優(yōu)化包括無效信號(hào)去除和形態(tài)學(xué)處理2個(gè)步驟。

扇掃圖像經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和無效信號(hào)去除后的結(jié)果如圖10(a)所示。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法則與設(shè)定的聚焦法則相關(guān),將楔塊中心看作聲束入射點(diǎn),聲束傳播方向近似為楔塊中心與聚焦點(diǎn)連線所在的方向。以陣列中心為坐標(biāo)原點(diǎn),重新建立直角坐標(biāo)系,去除由液面波動(dòng)、水中雜質(zhì)導(dǎo)致的無效信號(hào)以及超聲的二次回波信號(hào)。圖10(b)是經(jīng)過形態(tài)學(xué)處理,進(jìn)行了一次膨脹后得到的圖像。圖10(a)和圖10(b)是超聲波遇到氣液界面反射引。圖10(c)為高速攝像機(jī)拍攝的管道內(nèi)的圖像,陣列超聲傳感器所重構(gòu)的圖像與高速相機(jī)拍攝的圖像的液面大致相符。

截面含氣率也稱為空泡份額,是指兩相流動(dòng)中的某一截面上,氣相所占面積與總截面積之比。將高速攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行輪廓處理,將輪廓收縮到水相,從而鎖定相機(jī)拍攝圖像的截面含氣率,如圖10(d)所示。截面含氣率的測(cè)量也可以間接對(duì)所構(gòu)建的分層流截面高度進(jìn)行驗(yàn)證。通過matlab程序,求得圖片的截面含氣率為70.19%,所構(gòu)建的圖像的截面含氣率為69.92%,相對(duì)誤差為3.84%。

圖10 截面含氣率對(duì)比圖像Fig.10 Cross section gas holdup contrast image

5 結(jié) 論

使用陣列超聲傳感器檢測(cè)了兩相氣液界面,包括對(duì)液位高度的測(cè)量以及分層流截面重構(gòu)。當(dāng)液面高度一定時(shí),不同方向下的氣液界面回波信號(hào)的位置基本重合,峰值所對(duì)應(yīng)的聲束采樣點(diǎn)大致相同。當(dāng)液面在逐漸的變化時(shí),液界面引起的峰值位置明顯后移,移動(dòng)的距離與真實(shí)的界面距離大致相符合。通過對(duì)陣列超聲傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化并對(duì)扇掃圖像進(jìn)行優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)管道截面的重建。高速攝像機(jī)拍攝得到的截面含氣率和重構(gòu)得到的截面含氣率的相對(duì)誤差為3.84%,因而超聲信號(hào)對(duì)分層流截面的重構(gòu)能達(dá)到良好的效果。