方立德, 孔恒正, 韩棒棒, 田梦园, 李小亭

(1.河北大学 质量技术监督学院,河北 保定 071002; 2.计量仪器与系统国家地方联合工程研究中心,河北 保定 071002;3.河北省能源计量与安全检测技术重点实验室,河北 保定 071002)

1 引 言

气液两相流在医药、冶金、化工、制冷、能源、运输等领域中广泛存在[1～3]。化工生产中的气液搅拌器、鼓泡塔,石油工业的生产井中均存在气液两相流[4～6]。超声波在气液两相流领域拥有广泛的应用,基于超声波的散射、反射及透射现象,可以实现两相流流速、流量和截面含气率测量[7～9]。超声波在流体中传播具有穿透性强、能量集中、指向性好等优点，且对被测物不会产生破坏作用,因此可实现无扰动的参数检测[10]。超声波测量作为一种非接触性测量的测量手段,具有良好的方向性,这使得超声检测方式逐渐成为研究重点。由于界面效应和相对速度的影响,两相流中介质分布呈现随机变化状态的特征。在两相流测量中,回波信号容易受到干扰,衰减严重,使得信噪比降低。采用多发多收的超声阵列检测技术,可以实现超声波对整个气液两相流界面的覆盖,提高测量的准确性。相控阵在单个探头组件中使用多个晶片偏转、聚焦和扫描声束,有利于实现全方位扫描。相控阵传感器常应用在无损检测领域,用来进行缺陷检测[11～14],通过传感器的采集信号可以进行二维、三维成像[15,16]。Munkbhat等[17]使用超声波阵列传感器测量多条测量线上气泡的瞬时速度；方立德等[18]采用超声相控阵技术对两相(空气-水)垂直流进行实验,通过图像处理和应用算法来识别流型。超声信号也可以用来成像,叶晓同等[19]通过调整声波聚焦位置等聚焦参数来对物体进行扫描,实现物体的三维成像。

本文基于阵列超声传感器来对气液两相界面的特征进行研究,设计了气液界面高度测量的静态实验,同时通过阵列超声传感器数据构建了分层流状态下的气液间的界面,并与真实状态下的分层流气液界面进行对比,验证了阵列超声传感器对气液两相界面特征探究的可行性。

2 交界面检测原理

阵列超声传感器由多个独立超声阵元组成,单独进行发射接收工作。通过控制各个阵元发射接收的延时时间,实现对某个方向上声束的合成,使超声波波束产生偏转聚焦的效果[20]。

图1所示为分层流检测,上方为气相,下方为水相,阵列超声传感器置于管道底部,当超声波声束遇到分层流的气液界面时,全部原路返回到原入射阵元处。根据各阵元合成的回波信号,可以得到由气液界面反射导致的回波峰值的位置,根据回波峰值位置可得到气液界面的位置。

图1 分层流检测原理图Fig.1 Schematic diagram of stratified flow detection

相控阵偏转聚焦的原理是通过求不同阵元到聚焦点的距离来得到传播距离,进而得到传播时间差和延时值。声束偏转聚焦的原理如图2所示,声束的偏转聚焦可以使合成声束沿设定方向传播。

图2 声束偏转聚焦原理图Fig.2 Schematic diagram of beam deflection focusing

图2中,相控阵阵元个数为n，n为偶数,聚焦点为F,阵元所在直线到聚焦点的距离为h,Δd为2个阵元中心间的距离,设传播方向与竖直方向夹角为θ,则第i个阵元到聚焦点的距离si为：

(1)

将阵元传播距离的最大值定义为smax,图2所示第1个阵元距离聚焦点最远,则第i个阵元与距离聚焦点最远阵元的距离差为：

Δsi=smax-si

(2)

第i个阵元相对于第1个阵元需要添加的延迟时间为：

(3)

式中:v为超声波在介质中的速度;t1为控制延迟时间,为固定值。根据控制延迟时间,可以使得超声阵列传感器实现偏转聚焦。

相控阵发射和接收声束的过程是互逆的。在进行信号接收时,对各个阵元接收到的回波信号叠加和相控阵发射时相同的延时时间,得到相干叠加后增强的回波信号。超声波探测气液界面时,依据反射法对气液界面实现探测,探头发射的超声波在物体内部进行传播时,当遇到不同的介质,会被反射回来。反射位置即反射面相对于阵元的距离l,主要由速度v和传播时间t来决定：

(4)

在实际的接收延时调节中,根据计算得到的各个阵元叠加的延时,以采样点的形式存储回波数据,第i个阵元的接收信号需要添加采样点数量mi为:

mi=Δti×f

(5)

式中f为采样频率。

假设超声波的声束宽度是s,采样点的数量为m,则相邻采样点间的距离Δx为：

(6)

这样可根据各阵元合成的回波信号采样点的变化数量,可以得到由气液界面反射导致的回波峰值位置的变化,从而得到气液界面的位置变化量。

3 阵列超声传感器的气液两相流实验

3.1 阵列超声传感器系统

整个检测系统主要由相控阵检测仪器,监控主机和相控阵探头组成,通过设置16个线性排列的阵元参数实现对超声波声束控制,每次扫描最多发射128个方向的声束,每条超声波束方向上采集448个数据点,这些数据组成1个128×448的数据矩阵,前400个点对应设定的采样范围,即信号传播的深度,后48个点用作超范围显示和采集,每1 min可采集60次。

3.2 气液两相流静态实验

为实现阵列超声传感器对气液界面的高度测量,将阵列超声传感器固定于玻璃水箱下方,水箱的长为25 cm,宽为16 cm,高为15 cm,玻璃厚度为 5 mm,液面高度由20 mm开始以10 mm为单位递增。利用阵列超声传感器进行检测,并采集扇扫图像,分别采集了20～100 mm不同高度下所接收到的超声回波信号,每组静态实验采集10组以上的数据。超声回波显示距离设置为120 mm,传播速度设置为1 450 m/s,扫描角度设置为-45°～45°。

3.3 气液两相流动态实验

动态实验在河北大学多相流实验测试平台进行,该装置可以进行单相、两相和三相流实验。通过变频器控制多级离心泵进行流体速度,从而产生不同的流型。测试管段的材质为有机玻璃,内径为 50 mm,壁厚为5 mm,表面为曲面,为了使阵列超声传感器和测试管道贴合,采用设计专用楔块来实现。

将超声探头、楔块与管道连接,并在探头与楔块间和楔块与管道间分别添加耦合剂,使其接触稳定。在水平测试管道上,进行了分层流实验,水平管道实验图如图3所示。探头采集管道内流体状态信号。同时,利用高速摄像机对透明管道内流型进行观察并记录流型。

图3 分层流实验Fig.3 Layered flow experiment

4 阵列超声传感器结果分析

4.1 气液界面高度测量

图4为液面高度60 mm时相控阵界面示意图,其可分为3部分：图像顶部的盲区,图像中间由气液界面产生的反射信号,图像底部的二次回波区域。

图4 液面高度60 mm扇扫图像Fig.4 Fan scanning image of liquid level height of 60 mm

图5为第64条声束的回波信号,共有3个峰值,分别为盲区部分的峰值信号,气液界面引起峰值信号,二次回波引起的峰值信号。其中盲区是距离超声探头最近的位置,在15 mm以内,这部分是由超声发射过程中余振所产生的回波信号,在此区域内,无法实现正常的检测。

图5 第64条声束对应的回波图像Fig.5 Echo image corresponding to the 64 sound beam

4.2 超声波声束信号

图6所示为液面高度60 mm时,提取不同方向的声束超声回波对比图。由图6可以看出,当液位一定时,不同方向上超声波波束,峰值的区域大致相同，均出现的3次峰值,采样点0～50的峰值对应盲区位置、采样点200～250的峰值对应气液界面位置,采样点350～400的峰值对应二次回波位置。

图6 不同方向上声束的回波信号Fig.6 Echo signals of upper beam in different directions

当液面逐渐变化时,对第1，32，64，96，128条超声波声束在不同液面下的信号提取,如图7所示。由图7可以看出不同液面高度下采集的超声回波信号第1个峰值(即盲区部分对应的峰值)基本重叠,而由气液界面引起的峰值位置和二次回波峰值出现差异,峰值的位置随气液界面高度增加明显后移。

图7 不同液面高度下的声束回波信号Fig.7 Acoustic beam echo signals at different liquid level heights

对图7中的气液界面处的峰值信号进行提取,在去掉盲区和二次回波峰值,并将多余信号归零处理,得到不同深度的回波信号图,如图8所示。

图8 采样点截取后不同液面高度下的声束回波图Fig.8 Acoustic Beam echo diagram at different liquid level height after sampling point interception

从图8可以观察到,回波峰值信号随着不同液面高度下的差异,随着液面高度的上升,气液分界面所产生的超声波的峰值也在逐步的后移。

为分析阵列超声传感器采集数据对距离的分辨能力,求取不同液面高度下阵列超声传感器采集得到距离差,提取不同高度下峰值点出现的位置,不同峰值的采样点序号如表1所示。

表1 峰值对应的采样点序号Tab.1 Serial number of sampling points corresponding to peak value

由表1可知,相邻峰值间的间距约为33个采样点,图8中前400个点所采集的距离对应所设定的120 mm,则相邻采样点间所代表的距离为：

(7)

式中：s为超声波声束设定的距离。因此图8中相邻峰值间的间距约为：

Δs=33×Δx=9.9 mm

(8)

相邻峰值代表了间隔为9.9 mm的气液两相分流的界面,而真实的界面距离差为10 mm。基于阵列超声传感器计算得到的界面距离差与真实界面距离差接近,但仍然存在一定误差,主要由以下3个原因导致：1)液面高度值是人为测量得到,故和水面真实高度存在差异;2)超声波的真实传播速度与设定速度不同;3)超声波声束在玻璃与水面的交界处发生反射,传播路径改变。

为进一步探究阵列超声传感器对气液界面的检测效果,将气液界面差设定为2 mm,得到了液面高度50～60 mm采集的回波数据。在液位高度变化的情况下,提取第64条声束的回波信号,并截取气液界面位置处的回波进行对比,如图9所示。

图9 不同高度下第64条声束回波图Fig.9 Echoes of the 64th beam at different heights

由图9中可以看到不同高度下气液界面回波位置的区别,证明了阵列超声传感器能够分辨2 mm以上的液位差。

4.3 分层流动截面重构

由于阵列超声传感器实验采集的数据矩阵与扇扫图像中128条扫描线上的回波信号相对应,因此可以得到数据矩阵中采样点的真实位置。对数据矩阵进行坐标转化并对图像优化,可以实现对动态流动下管道截面的重建。图像优化包括无效信号去除和形态学处理2个步骤。

扇扫图像经过坐标转换和无效信号去除后的结果如图10(a)所示。坐标转换法则与设定的聚焦法则相关,将楔块中心看作声束入射点,声束传播方向近似为楔块中心与聚焦点连线所在的方向。以阵列中心为坐标原点,重新建立直角坐标系,去除由液面波动、水中杂质导致的无效信号以及超声的二次回波信号。图10(b)是经过形态学处理,进行了一次膨胀后得到的图像。图10(a)和图10(b)是超声波遇到气液界面反射引。图10(c)为高速摄像机拍摄的管道内的图像,阵列超声传感器所重构的图像与高速相机拍摄的图像的液面大致相符。

截面含气率也称为空泡份额,是指两相流动中的某一截面上,气相所占面积与总截面积之比。将高速摄像机拍摄的图像进行轮廓处理,将轮廓收缩到水相,从而锁定相机拍摄图像的截面含气率,如图10(d)所示。截面含气率的测量也可以间接对所构建的分层流截面高度进行验证。通过matlab程序,求得图片的截面含气率为70.19%,所构建的图像的截面含气率为69.92%,相对误差为3.84%。

图10 截面含气率对比图像Fig.10 Cross section gas holdup contrast image

5 结 论

使用阵列超声传感器检测了两相气液界面,包括对液位高度的测量以及分层流截面重构。当液面高度一定时,不同方向下的气液界面回波信号的位置基本重合,峰值所对应的声束采样点大致相同。当液面在逐渐的变化时,液界面引起的峰值位置明显后移,移动的距离与真实的界面距离大致相符合。通过对阵列超声传感器检测的数据矩阵进行坐标转化并对扇扫图像进行优化,可以实现对流动管道截面的重建。高速摄像机拍摄得到的截面含气率和重构得到的截面含气率的相对误差为3.84%,因而超声信号对分层流截面的重构能达到良好的效果。