CN110057411B - 一种基于声发射信号的流量检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种基于声发射信号的流量检测方法，通过接收管路内部的声发射信号，分析接收到的声发射信号，检测流体流量。本发明方法具有高敏感、安全环保、简易便捷等特点，对卡门涡街的发放频率及管路***的St准数等能准确的测定，对于卡门涡街流量计的开发应用有着重要意义。

Description

一种基于声发射信号的流量检测方法
技术领域
本发明涉及基于声发射信号的流量检测方法，可用于涡街流量计。
技术背景
卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到，在一定条件下的流体绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街，因此研究卡门涡街可以帮助我们趋利避害。涡发放频率是卡门涡街的重要参数，对于实际运用有着重要的价值。一方面，卡门涡街可能会给生产实际带来极为不利的影响，比如，气流经过桥墩时，在桥墩处形成卡门涡街，旋涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁振动，当涡的发放频率与桥梁结构的固有频率一致时，就会产生共振，造成破坏，甚至带来极为严重的交通事故；另一方面，利用卡门涡街周期性发放的特点，人们发明了涡街流量计。研究发现，流体的平均流速与涡发放频率存在如下关系：
Figure BDA0001992995780000011
其中，很宽的雷诺数范围内(104≤Re≤5×105)，St准数仅仅取决于钝体的尺寸，而与涡街的频率等参数无关；fvs为涡发放的频率，d为钝体的特征尺寸，V为流体的平均流速。平均流速V与流量之间满足如下关系：
Qv＝V×A (2)
其中，A为管路截面积，Qv为体积流量。
由此可知，不论是避免卡门涡街的不利影响，还是利用卡门涡街来测量流体流量，最亟待解决的问题是获取卡门涡街的频率。
由于，流体流经钝体时，会产生周期性的涡发放，导致钝体下游的压力及能量发生周期性变化，相应地，压差传感器、电容式传感器、应变式力传感器及热电阻传感器等被应用于涡街频率的测量。
上述方法虽然能够较为准确地测量涡街的频率，但是依然存在如下不足：
(1)上述测量手段均为侵入式的。传感器的***会对流体流动产生一定的影响，尤其是在管较小时，传感器探头对于流动的影响不可忽略，探头可能成为新的钝体，在探头后方产生新的涡街，导致测量的信号不准；
(2)对环境要求比较高，对于比较恶劣的工厂环境，例如：高温、高压等环境下可能造成信号的失真，测量误差较大。
因此，发展基于无接触测试技术、瞬态实时分析技术的简易快捷、安全环保的发射信号检测方法，对于卡门涡街频率精确测量以及工业介质的流体流量测量有着重要的意义。
卡门涡街交替脱落时会产生振动，并发出声响效应，这种声响是由于卡门涡街周期性脱落时引起的流体中的压强脉动所造成的声发射信号，因此可通过检测周期性的声发射信号确定卡门涡街的发放频率。
发明内容
本发明提供一种基于声发射信号的流量检测方法，可以在确保不对管道内部流体产生影响的情况下实现对管路中涡街信号的准确捕捉，获取涡街的发放频率。
该方法主要包括以下步骤：
a、在管路外壁面沿轴向方向布置一列声发射信号传感器；
b、在管道中安装钝体，向管道中通入已知流速V的流体，接收管路壁面的声发射信号；
c、选取声发射信号的频率f、能量E、时间t作为特征值；
d、通过能量E判断的钝体下游的有效检测点；通过钝体下游各个有效检测点接收到的声发射信号的频率f确定卡门涡街的发放频率fvs；
e、改变管路内流体流速V，得到不同流速下涡街发放频率fvs，作出fvs-V图，拟合数据得到St准数与钝体特征尺寸的比值St/d，结合钝体的特征尺寸可计算得到St准数；
f、在检测流体未知的流量时，根据钝体下游各个有效检测点接收到的声发射信号的频率f确定的卡门涡街发放频率fvs以及所得的St准数计算流量
Figure BDA0001992995780000021
其中A为管道截面积，d为钝体的特征尺寸。
本发明的方法适用的流体包括：气相、液相及气液两相流，可用于水平管路与竖直管路之中。
所述钝体为三棱柱或四棱柱，其高度等于管径。钝体的俯视截面为三角形、矩形或梯形，其较长边位于流体流向下游。
声发射信号传感器的接收频率范围为0Hz～20MHz，其最优接收频率范围为0Hz～1Hz，数量为5-50个，其中的一个安装于钝体上游管路外壁面，其余安装于钝体下游管路外壁面，分布间距在0.5倍管径-5倍管径之间。
管路内的动态声发射信号通过设置在钝体下游管壁处的声发射接收装置进入放大装置进行信号的放大，然后进入声发射信号采集装置进行信号的A/D转换，最后进入声发射信号处理装置(计算机)进行处理和分析。选取声发射信号的频率f、能量E、时间t作为特征值进一步分析。
当钝体下游接收到的声能量大于钝体上游的声能量的3倍时，该检测点为有效检测点，表明此处的声发射信号是由涡街产生的。
将钝体下游各个有效检测点采集到的声发射信号的频率f进行平均计算得到卡门涡街的发放频率fvs。计算不同流量条件下的涡街发放频率fvs，作出数据点的对象为fvs-V图，线性拟合得到斜率为St准数与钝体特征尺寸的比值St/d，结合钝体的特征尺寸可计算得到St准数。
在检测流量时，根据拟合计算得到的St准数以及发放频率fvs计算流量：
Figure BDA0001992995780000031
采集钝体上游10倍直径距离处的声发射信号随时间t的变化，在钝体上游10倍距离处，可排除钝体的影响，此时可获取管路内流体流动的基础信号。采集得到钝体下游不同轴向距离处的声发射信号随时间的变化，在钝体下游轴向距离较小的区域内，流体受钝体的影响，出现涡街周期性发放，此时声发射信号的幅值相对较大，而随着轴向距离的增加，声发射的信号幅值逐渐减弱，信号能量E也逐渐减弱。这是因为随着流体沿轴向的发展，流动不断恢复，钝体对流动的干扰逐渐减弱。
采用水在直径为50mm的管路中进行试验，钝体为楔形。测得钝体上游处的声发射信号，此时声发射信号为水与管壁摩擦产生，是管路内流体流动的基础信号。同时采集得到钝体下游不同轴向距离处的声发射信号随时间t的变化。随着水流经钝体时，产生周期性涡发放。在近钝体区域内，流体受钝体的影响较大，流体湍度较大，此时信号峰值较大，对应的声能量越高；随着流动在轴向上的发展，流动趋于稳定，此时流体的湍度降低，信号峰值逐渐降低，对应声能量逐渐降低。在同一流量下，不同轴向距离处的频率一致；增大流体流量时，测得的信号峰值逐渐增大，且得到的涡街频率也随之线性增大。
本发明与现有的方法相比有如下优点：
1)对于涡街信号的变化非常灵敏，当水的流量发生改变时，涡街的特征信号发生显著改变，表明声发射检测卡门涡街在空间与时间上存在着高敏感性；
2)声发射信号监测装置是非***式的，安装时候只要直接贴于管路壁面上就可以了，简易方便，因此不会影响管路内部的流场，对***内部的流动不会造成影响，也不会产生压降；
3)对环境要求比较低，能在比较恶劣的工厂环境全天候工作，即使在高温、高压等苛刻环境下仍能保持信号的真实程度，真实反映管路内流体流动的真实状况。
4)声发射信号能直接反映流体流经钝体时涡街的演化规律，是通过钝体附近的流体与管路壁面之间的碰撞直接接收的。
5)是一种安全、绿色、环保的方法，对人体无害，并且采用无源或/和有源声发射原理，对于具有易燃易爆物质的管路也是安全的，不会由于静电等原因造成反应器的***。
附图说明
图1实验装置示意图；
图2声能量沿管路轴向分布图；
图3不同流速条件下不同轴向位置接收到的声发射信号频率；
图4距离钝体50mm处声发射信号频率随流速变化图及拟合直线。
具体实施方式
在长6000mm、内径50mm的有机玻璃管中，设置宽度为15mm的楔形钝体，以水为介质，水的流速分别为0.283m/s、0.354m/s、0.427m/s、0.566m/s、0.637m/s、0.708m/s、0.778m/s、0.849m/s。无源声发射换能器贴于钝体下游50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm处，采样频率为16kHz，每次采样时长为20s，实验装置见图1。
在不同液速下，通过管路壁面上不同位置的若干个无源声发射换能器对水与壁面碰撞的声发射信号进行了测定，来确定卡门涡街的频率以及涡的演化规律。声发射信号经过快速傅里叶变换后得到频谱图，从图中可以得到信号频率f。声能量沿管路轴向分布如图2所示，离钝体越远声能量越小。不同轴向位置声发射信号频率f如图3，距离钝体50mm处不同流体流速条件下声发射信号频率及数据拟合如图4。在相同的液速条件下，随着轴向距离的增大，声发射的能量峰值逐渐减小，但是频率基本保持不变；在相同的轴向位置处，随着液速的增大，声发射信号的能量峰值不断增大，涡街频率线性增大。图4拟合直线斜率为14.41，即St/d＝14.41.可知St＝14.41×0.015＝0.22，与文献数据接近，说明声发射信号对于卡门涡街的测量有较高的精度。
使用相同***对同一股流体进行流量检测。转子流量计测得流量为50m3/h。采集到的钝体下游各个位置声发射信号频率f平均值为100.5Hz，计算可得流量为49.3m3/h，两者测得的流量相近。

Claims (7)

1.一种基于声发射信号的流量检测方法，其特征在于包括以下步骤：
a、在管路外壁面沿轴向方向布置一列声发射信号传感器；
b、在管路中安装钝体，向管路中通入已知流速V的流体，接收管路壁面的声发射信号；
c、选取声发射信号的频率f、能量E、时间t作为特征值；
d、通过能量E判断钝体下游的有效检测点；通过钝体下游各个有效检测点接收到的声发射信号的频率f确定卡门涡街的发放频率fvs；所述的通过能量E判断钝体下游的有效检测点具体为：
在相同一段时间内当钝体下游某个传感器接收到的声发射信号能量E大于钝体上游接受到的声发射信号能量E的3倍时，认为该点为有效检测点，其所接收的声发射信号是由涡街产生的；
e、改变管路内流体流速V，得到不同流速下涡街发放频率fvs，作出fvs-V图，拟合数据得到St准数与钝体特征尺寸的比值St/d，结合钝体的特征尺寸可计算得到St准数；
f、在检测流体未知的流量时，根据钝体下游各个有效检测点接收到的声发射信号的频率f确定的卡门涡街发放频率fvs，并根据步骤e所得的St准数计算流量
Figure FDA0002566912950000011
其中A为管路截面积，d为钝体的特征尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号的流量检测方法，其特征在于：所述的声发射信号的接收频率范围为0Hz～20MHz。
3.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号的流量检测方法，其特征在于：所述钝体为三棱柱或四棱柱，其高度等于管径；钝体的俯视截面为三角形、矩形或梯形，其较长边位于体流向下游。
4.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号的流量检测方法，其特征在于：所述的声发射信号传感器数量为5-50个，其中一个声发射信号传感器安装于钝体上游10倍管径距离处的外壁面上，其余安装于钝体下游管路外壁面上。
5.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号的流量检测方法，其特征在于：钝体下游管路外壁面的声发射信号传感器的间距为0.5倍管径～5倍管径。
6.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号的流量检测方法，其特征在于：所述卡门涡街的发放频率fvs为钝体下游各个有效检测点采集到的声发射信号的频率f的平均值。
7.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号的流量检测方法，其特征在于：拟合数据点的对象为fvs-V图，拟合方法为线性拟合；其中fvs为涡街的发放频率，V为流速。
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