CN116106178A - 一种管道内气泡超声检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种超声检测方法，为解决目前利用超声波测量两相流中的颗粒，存在不易观测衰减过程的技术问题，提供一种管道内气泡超声检测方法，在待测管道的外壁上沿周向均匀设置a个激励超声探头，发射器逐一发射超声波，在每个发射器发射超声波后，将各接收器接收信号的波形作为该发射器和各接收器之间通路的通路信号波形，根据所有通路信号波形，确定是否有气泡、气泡所在通路和气泡数量，计算气泡所在通路的接收信号幅值的等效衰减比，结合数值模拟建模方法得到的横坐标为时频图幅值衰减比纵坐标为气泡直径的变化曲线，将等效衰减比代入变化曲线的时频图幅值衰减比，得到气泡的直径。
Description
技术领域
本发明属于一种超声检测方法，具体涉及一种管道内气泡超声检测方法。
背景技术
气泡的运动是气液两相流研究中的一个基本问题，在很多实验和工程问题中起着重要作用，尤其是油中和水中的气泡。在液体火箭发动机试验过程中，若推进剂供应***充填过程中气泡无法完全排出，会造成推进剂中夹杂气体，简称“夹气”。当“夹气”进入到发动机，会影响其正常工作，情况严重时，甚至会导致发动机试车失败。因此，开展围绕推进剂管路“夹气”流动检测的研究，对保障液体火箭发动机试车的顺利进行及发动机的安全具有重要意义。
目前，常见的气液两相测量方法有压差法、热平衡法、光学法、电学法、图像法和超声法。这些方法均得到了较好的应用，但是这些方法都仅适用于特殊场合，具有很大的应用局限性。相比于其他测量方法，其中的超声法具有穿透性强、对中要求低、散射影响小，以及非侵入性、非辐射性、安全性高、***简单且成本低等优点。超声波在气液两相体系中传播时，其衰减程度及过程时间特征与气泡粒径和气泡运动速度有关，可用于气泡测量。
大多数情况下，猝发波和脉冲波形式的超声波被用来测量两相流中的颗粒，虽然它们具有原始信号和反射信号容易区分、能量集中等优点，但是，由于其波形不具有连续性，不易观测衰减过程。
发明内容
本发明为解决目前利用超声波测量两相流中的颗粒，存在不易观测衰减过程的技术问题，提供一种管道内气泡超声检测方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种管道内气泡超声检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，在待测管道的外壁上沿周向均匀设置a个激励超声探头，a个激励超声探头中的一部分作为发射器，另一部分作为接收器；a为大于等于2的偶数；
S2，发射器逐一发射超声波，在每个发射器发射超声波后，将各接收器接收信号的波形作为该发射器和各接收器之间通路的通路信号波形，根据所有通路信号波形，确定是否有气泡、气泡所在通路和气泡数量；
S3，计算气泡所在通路的接收信号幅值的等效衰减比，结合数值模拟建模方法得到的横坐标为时频图幅值衰减比纵坐标为气泡直径的变化曲线，将等效衰减比代入变化曲线的时频图幅值衰减比，得到气泡的直径。
进一步地，步骤S2中，所述是否有气泡具体通过以下方式确定：
根据通路信号波形相较无气泡时的通路信号波形是否发生变化，若发生变化，则该通路和/或相邻通路上有气泡，否则，该通路和/或相邻通路上无气泡。
进一步地，步骤S2中，所述气泡所在通路具体通过以下方式确定：
将经判断有气泡的通路和/或相邻通路作为一个气泡区域，在各气泡区域内，根据通路信号波形，计算对应的接收信号幅值的等效衰减比，以等效衰减比最大值对应的通路作为该气泡所在的通路。
进一步地，步骤S2中，所述气泡数量具体通过以下方式确定：
以有气泡的通路上，通路信号波形中出现的凹坑数量作为气泡数量。
进一步地，步骤S3中，所述数值模拟建模方法具体为有限元法或有限差分法。
进一步地，步骤S2中，所述发射器逐一发射超声波具体为，通过波形发生器输出连续的正弦激励信号，经功率放大器放大后发送至各发射器，发射器逐一发射超声波。
进一步地，步骤步骤S3中，所述计算气泡所在通路的接收信号幅值的等效衰减比具体为，通路信号波形中的信号声压幅值与对应无气泡通过时通路信号波形中的信号声压幅值相除得到等效衰减比。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提出一种管道内气泡超声检测方法，用于管道内夹气流动气泡的检测，利用超声波在气液两相中声阻抗的差异导致超声波发生散射，根据视频图幅值衰减比可确定气泡的大小，依据不同通路信号的波形变化情况，可确定气泡在待测管道中的位置和数量。同时，多个发射器交替发射信号，扇形束投影可覆盖所有接收器，适用于对待测管道内气泡的连续检测。
2.本发明通过逐层分析的方式，能够依次获取是否有气泡、气泡所在通道和气泡数量，检测准确且检测信息较多。
附图说明
图1为本发明一种管道内气泡超声检测方法实施例中搭建的试验***示意图；
图2为本发明实施例中管道内无气泡时的波形图；其中，(a)为1-6通道的波形图，(b)为1-7通道的波形图，(c)为1-8通道的波形图；
图3为本发明实施例中管道内有气泡时的波形图；其中，(a)为1-6通道的波形图，(b)为1-7通道的波形图，(c)为1-8通道的波形图；
图4为本发明实施例中管道内有气泡时1-7通道信号的上下包络图；其中，(a)为上包络图，(b)为下包络图；
图5为0-10mm范围内，气泡直径随时频图幅值衰减比的变化曲线图；
图6为本发明实施例中示波器ch00接口和ch01接口的波形图；其中，(a)为示波器ch00接口的波形图，(b)为ch01接口的波形图；
图7为本发明实施例中7-1通路的通路信号图；
图8为本发明实施例中7-1通路的通路信号幅值衰减图；
图9为本发明实施例中8-2通路的通路信号图；
图10为本发明实施例中8-2通路的通路信号幅值衰减图。
其中：1-波形发生器、2-功率放大器、3-激励超声探头、4-待测管道、5-示波器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
当声波在介质中传播时，声波传输过程中的衰减幅度A满足A＝A0exp(-αl)，其中，A0为声波原始幅值，l为传播距离；α为介质衰减系数，一般表示为：α＝αn+αs，其中，αn为散射衰减系数，αs为吸收衰减系数。在以液相为连续相的气液两相流中，介质衰减系数与超声波波长、温度、离散相气泡的尺寸及数量相关。由于气相与液相的声阻抗相差很大，故在气液分界面，99.84％的能量会被反射。例如，假设气液两相流中的气泡为圆形，当超声波波长远小于气泡的直径时，可忽略衍射效应，即在气液分界面处声波近似于完全反射。因此，气液两相流中的散射衰减系数与气泡尺寸变化呈线性关系。
为了获得管道内气泡的信息，本发明提出了一种管道内气泡检测方法，具体包括：
搭建图1所示的试验***，在待测管道4的外壁上沿周向均匀设置12个激励超声探头3，12个激励超声探头3中的6个作为发射器，6个作为接收器。由波形发生器1输出连续的正弦激励信号，该信号经过功率放大器2之后，分别加载到作为发射器的6个激励超声探头3上：激励超声探头T1、激励超声探头T2、激励超声探头T3、激励超声探头T4、激励超声探头T5、激励超声探头T6，6个激励超声探头3采用轮流激励的方式，每个探头激励时长30ms。再对6个作为接收器的激励超声探头3采集到的信号进行时域数据分析。
以激励超声探头T1为例，激励超声探头T1发射超声波时，激励超声探头T6、激励超声探头T7和激励超声探头T8均能够作为对应的接收器接收信号。波形发生器输出峰值2V的连续正弦激励信号，经过功率放大器放大20倍，得到峰值为40V的连续激励信号，加载到激励超声探头T1上，激励超声探头T6、激励超声探头T7和激励超声探头T8分别连接到示波器5的三条采集通道，采集相应的波形CH1、CH2和CH3，无气泡时，激励超声探头T1到激励超声探头T6之间的1-6通道、激励超声探头T1到激励超声探头T7之间的1-7通道、激励超声探头T1到激励超声探头T8之间的1-8通道采集到的信号波形图分别如图2中的(a)、(b)、(c)所示。如图3所示，有气泡时1-6通道、1-7通道和1-8通道采集到的信号波形都发生了明显变化，其中，1-7通道直接经过气泡，所以其波形出现了明显的突变，出现了凹坑。由图4中1-7通道信号曲线的上下包络曲线可以看出，从凹坑的数量可以判断出经过气泡的数量。而1-6通道和1-8通道由于没有直接经过气泡，所以其波形变化主要来源于气泡上升到液面引起的水面扰动。
然后提取信号时域特征指标。计算上述试验中，1-7通道上气泡引起的接收信号幅值等效衰减比，依据图5所示的0-10mm范围内，气泡直径随时频图幅值衰减比的变化曲线，将等效衰减比代入变化曲线，即可估算出气泡大小。
气泡陆续经过管路时，造成超声信号幅值的衰减会体现在采集信号的波形突变上，利用该特性可以检测管路内气泡数量。同时，通过试验验证，该检测***可以近乎捕捉到流经管路的全部气泡，气泡检出率大于技术指标规定的90％。
在本发明的另一个实施例中，采用竖直布置待测管道4的方式，实际生产中，待测管道4布置的方式有多种形式。将待测管道4水平放置，各个激励超声探头3仍然采用图1所示均匀布置的方式。
设置气源压力0.48MPa，液体煤油流动，注入气泡，启动继电器开关，开关切换间隔时间50ms，波形发生器1输出1MHz、峰值为5V的连续正弦信号，经过功率放大器2放大20倍，得到峰峰值为100V的连续正弦信号，经过继电器开关之后分别连接激励超声探头T7至T12，其作为信号的发射器，激励超声探头T1至T6作为信号接收器，连接示波器5的ch00到ch05接口，其中，ch00接口与ch01接口所得波形图如图6所示。
将激励超声探头T1采集到的信号按时间间隔取样，得到如图7所示与作为发射器的激励超声探头T7之间组成的通路信号，求出图8所示7-1通路的通路信号幅值衰减图，其波谷数据统计如表1所示：
表1 7-1通路的通路信号幅值衰减图波谷数据统计表
由表1可以看出，7-1通路信号幅值最大值为0.05647，气泡造成的信号幅值衰减的波谷处幅值均值为0.03197，幅值衰减比为43.4％，依据图5中0-10mm气泡大小标定估算出气泡平均直径约为3.61mm。
在7-1通路由波形变化判断有气泡的同时，2-8通路经波形变化判断也有气泡，将激励超声探头T2采集到的信号按时间间隔取样，得到如图7所示与作为发射器的激励超声探头T8之间组成的通路信号，并求出通路信号幅值衰减，其波谷数据统计如表2所示：
表2 8-2通路的通路信号幅值衰减图波谷数据统计表
由表2可以看出，8-2通路信号幅值最大值为0.01716，气泡造成的信号幅值衰减的波谷处幅值均值为0.00405，幅值衰减比为76.4％，依据图5中0-10mm气泡大小标定估算出气泡平均直径约为7.21mm。
因此，经7-1通路估计气泡大小约为3.61mm，经8-2通路估计气泡大小约为7.21mm，从仿真分析结果可知，路径穿过气泡圆心(球心)产生的衰减最大，由此估计得到的气泡直径亦然。在7-1通路和8-2通路中，显然8-2通路的衰减比更低，8-2通路更加靠近圆心，即该路径估计得到的气泡直径更加接近真实值。因此，在本组试验中，气泡直径约为7.21mm。
在本发明的其他实施例中，激励超声探头3的数量可进行调整，设置的越密集，检测精度越高。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种管道内气泡超声检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在待测管道(4)的外壁上沿周向均匀设置a个激励超声探头(3)，a个激励超声探头(3)中的一部分作为发射器，另一部分作为接收器；a为大于等于2的偶数；
S2，发射器逐一发射超声波，在每个发射器发射超声波后，将各接收器接收信号的波形作为该发射器和各接收器之间通路的通路信号波形，根据所有通路信号波形，确定是否有气泡、气泡所在通路和气泡数量；
S3，计算气泡所在通路的接收信号幅值的等效衰减比，结合数值模拟建模方法得到的横坐标为时频图幅值衰减比纵坐标为气泡直径的变化曲线，将等效衰减比代入变化曲线的时频图幅值衰减比，得到气泡的直径。
2.根据权利要求1所述一种管道内气泡超声检测方法，其特征在于：步骤S2中，所述是否有气泡具体通过以下方式确定：
根据通路信号波形相较无气泡时的通路信号波形是否发生变化，若发生变化，则该通路和/或相邻通路上有气泡，否则，该通路和/或相邻通路上无气泡。
3.根据权利要求2所述一种管道内气泡超声检测方法，其特征在于：步骤S2中，所述气泡所在通路具体通过以下方式确定：
将经判断有气泡的通路和/或相邻通路作为一个气泡区域，在各气泡区域内，根据通路信号波形，计算对应的接收信号幅值的等效衰减比，以等效衰减比最大值对应的通路作为该气泡所在的通路。
4.根据权利要求3所述一种管道内气泡超声检测方法，其特征在于：步骤S2中，所述气泡数量具体通过以下方式确定：
以有气泡的通路上，通路信号波形中出现的凹坑数量作为气泡数量。
5.根据权利要求1至4任一所述一种管道内气泡超声检测方法，其特征在于：步骤S3中，所述数值模拟建模方法具体为有限元法或有限差分法。
6.根据权利要求5所述一种管道内气泡超声检测方法，其特征在于：步骤S2中，所述发射器逐一发射超声波具体为，通过波形发生器(1)输出连续的正弦激励信号，经功率放大器放大后发送至各发射器，发射器逐一发射超声波。
7.根据权利要求6所述一种管道内气泡超声检测方法，其特征在于：步骤步骤S3中，所述计算气泡所在通路的接收信号幅值的等效衰减比具体为，通路信号波形中的信号声压幅值与对应无气泡通过时通路信号波形中的信号声压幅值相除得到等效衰减比。
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