航天器超声波流量与两相流同步测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种航天器超声波流量与两相流同步测量方法与装置，通过第一超声波探头将激励的设定频率的声波信号穿过航天器流体管道内的被测流体后传输给第二超声波探头；测量穿过被测流体后的声波信号的传播相位和幅度，同步获取被测流体的流量信息和气泡信息。本发明专利技术提供的航天器超声波流量与两相流同步测量方法及装置，采用一套装置同步实现对卫星管道中的流量测量与气泡检测，从而提高超声波测量装置集成化程度，增加利用效率；降低风险、成本、体积与重量。

Synchronous measurement method and device for supersonic flow and two-phase flow of spacecraft

The invention discloses a spacecraft ultrasonic flow and two-phase flow measurement method and apparatus, acoustic signal frequency setting will inspire through the first ultrasonic probe of the spacecraft through the fluid in the pipeline fluid to be detected and then transmitted to the second ultrasonic probe; measurement of phase and amplitude of acoustic signals transmitted through the fluid after being tested, the synchronization acquisition flow information and information of the measured fluid bubble. Synchronous measurement method and device of the invention provides flow spacecraft ultrasonic flow and two-phase flow measurement, synchronous detection of satellite and bubble in the pipeline by using a set of equipment, so as to improve the ultrasonic measurement device integrated degree, increase utilization efficiency; reduce the risk, cost, volume and weight.

【技术实现步骤摘要】
航天器超声波流量与两相流同步测量方法及装置
本专利技术涉及航天器领域，特别地，涉及一种航天器超声波流量与两相流同步测量方法及装置。
技术介绍
对于管道中的流量或气泡两相流的测量，现有技术中存在诸如涡街、涡轮以及电磁测量方法，而超声波测量技术以不侵入被测介质、无运动部件、不影响流场和可测量导电介质等优点，在工业中已有相关方案采用超声波测量技术分别解决管道流量测量与气泡检测的方法。工业所用超声波流量测量方法大多采用脉冲波体系。具体而言，以图1为例，第一超声波探头1发射一个或者一束脉冲波，第二超声波探头2检测声波到达时间，记为t1。另一方面，超声波探头2发射脉冲波，第一超声波探头1检测声波到达时间，记为t2。记声波在无约束静水中的传播速度为c，管道流动的平均流速为u，声波传播通道距离为L。在u2<<c2的情况下，管道流动的平均流速可以表示为：在管道横截面积A已知的情况下，管道流动流量可以表示为：由于声波在管道中传播存在各种传播模式，每一种传播模式具有不同的传播速度。随着频率的增加，传播模式更多，导致对到达波的检测非常困难，如图2所示。另一方面，由于脉冲波的宽频特点，声波在探头共振频率上的激励能量将减小，导致接收信号的信噪比降低。此外，工业生产中的超声波探头存在不一致，使得两个超声波探头的共振频率不一致，而且随着外界环境的改变而变化。这些问题在脉冲波体系下无法避免。而在连续波激励中，能量能够集中在固定频点上，信噪比将增加。另一方面，连续波体系下的超声波探头处于受迫振动状态，很好地解决了频率不一致的问题。Yang提出了一种基于连续波体系的流量测量方法，然而该方法只适用于不存在模糊数的情况，测量范围受到了限制。为了得到较大的测量范围，基于连续波与脉冲波体系的技术由Folkestad提出，然而该方法中的频率不一致性也没有得到解决。超声波流量计利用管道流动中声波顺逆流传播的显著区别，通过处理声波信号获得管道平均流速信息，进而预测管道流动流量。作者Yang提出了一种基于侧音测量的连续波流量测量方法，如图3所示，利用不同侧音的相位解决了测量模糊数的问题，理论上扩大了连续波体系的流量测量范围。该方法解决了管道流量的宽范围与高精度测量问题，但是没有解决气泡两相流的检测问题。对于两相流测量方法，主要有两大类，一种是基于目测方法，即通过人直接观察管道内部的流动状态，但是这种方法缺点明显。由于现场环境等因素，管道透明度影响，以及人为误差等因素的影响。对于空间自主测量而言，该方法行不通。基于差压传感器的流体检测技术运用差压传感器安装在两相流的实验管段，在流体流动期间采集两相流的过程检测参数，但是由于测量精度和成本的原因，现如今普遍采用这种测量方法进行测量，但是该方法需要接触被测介质。高速摄影，需要利用高速摄摄像机，通过透明的实验管段或者窗口来进行现场拍摄，并且针对不同的流动状态进行，相比较而言高速摄像方法较目测法有了进一步的改进。但是，在复杂工况条件下，高速摄影由于受到光照条件，两相流体容易受到反射折射的影响。射线吸收的方法，通过设备发出相应的X射线或者多束射线使之穿过两相流的管壁，通过最终测得射线的衰减程度最终确定管段的吸收情况，从而判别出管道内部的流动状况。缺点就是关于发射探头的选择尤为关键，以及合适的材料减少管道材质对射线的吸收。接触式探头，如光导探头或者电导方式，利用光或者电的导电性进行检测，从而确定流体的流动介质情况。这种测量方法缺点就是需要接触管道内部的流体，探头易受到介质的影响，并且会影响流场的分布。过程层析成像，主要方法有电容层析成像和电阻层析成像，超声成像，微波成像等测量原理选择适当的敏感元件，并且能够对两相流型进行在线检测，这些方法配置较为复杂。在间接法测量方面，超声波技术应用较为广泛。对于两相流检测问题，当液体中存在气泡时，可以采用多普勒效应对其测量，但是超声多普勒方法不能测量纯净流体。由于空间流体总体处于单相流动状态，两相流状态出现的可能性较小，多普勒方法应用效益低下。对于超声波气泡检测方法，工业上主要采用三种方法进行测量：超声波散射法、反射法以及渗透法。超声波散射法根据超声波散射效应，利用非集流、非转子的方式来测量混合介质中含气率，从而实现含气率的测量，由于散射法将影响流场，不能很好地体现超声波检测技术的非侵入优点。超声波回波反射法根据超声波穿透管道后在管壁处形成回波信号，并根据回波信号的大小计算声阻抗。通过分析声阻抗以及渡越时间等参数来分析两相流。超声波透射法是利用超声波在穿越气液两相流的过程中遇到两相形成的阻抗界面时，会产生反射以及吸收衰减，从而导致接收到的超声波信号能量降低，并且信号能量的衰减幅度与气相的含量有关。在气泡存在下，由于超声波回波的能量较低，超声发射探头100安装在第一壁面200管径侧壁，超声接收探头500安装在第二壁面200管径侧壁，样品池200设置在第一壁面200和第二壁面200之间，如图4所示。由于传统的超声波流量与两相流测量方法利用不同的原理，需要用两套测量装置实现，增加了空间设备的体积，重量以及安全风险等，因此，现有技术中无法采用一套测量装置来同时测量流量与两相流，是一个亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种航天器超声波流量与两相流同步测量方法及装置，以解决现有技术中无法采用一套测量装置来同时测量流量与两相流的技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：根据本专利技术的一个方面，提供一种航天器超声波流量与两相流同步测量方法，应用于航天器流量与两相流同步测量仪中，航天器流量与两相流同步测量仪包括设置在航天器流体管道的外壁的对应位置上的第一超声波探头和第二超声波探头，该航天器超声波流量与两相流同步测量方法包括：通过第一超声波探头将激励的设定频率的声波信号穿过航天器流体管道内的被测流体后传输给第二超声波探头；测量穿过被测流体后的声波信号的传播相位和幅度，同步获取被测流体的流量信息和气泡信息。进一步地，通过第一超声波探头将激励的设定频率的声波信号穿过航天器流体管道内的被测流体后传输给第二超声波探头的步骤之前还包括：采用锁相环对穿过航天器流体管道内的纯净流体后的声波信号进行跟踪，获取纯净流体中声波幅度值和幅度变化方差，并将获取的纯净流体中声波幅度值和幅度变化方差作为纯净流体标准幅度阈值存储在数据库中。进一步地，测量穿过被测流体后的声波信号的传播相位和幅度，同步获取被测流体的流量信息和气泡信息的步骤包括：若识别到锁相环无法对被测流体中声波传播相位差进行相位锁定时，则初步判断被测流体内存在气泡，并对被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差进行测量。进一步地，若识别到锁相环无法对被测流体中声波传播相位差进行相位锁定时，则初步判断被测流体内存在气泡，并对被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差进行测量的步骤之后还包括：将测量出的被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差与事先存储在数据中的纯净流体标准幅度阈值进行比较，若测量出的被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差不在纯净流体标准幅度阈值范围内时，则判定被测流体中存在气泡。进一步地，将测量出的被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差与事先存储在数据中的纯净流体标准幅度阈值进行比较，若测量出的被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差不在纯净流体标准幅度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天器超声波流量与两相流同步测量方法，其特征在于，应用于航天器流量与两相流同步测量仪中，所述航天器流量与两相流同步测量仪包括设置在航天器流体管道的外壁的对应位置上的第一超声波探头和第二超声波探头，所述航天器超声波流量与两相流同步测量方法包括：通过第一超声波探头将激励的设定频率的声波信号穿过所述航天器流体管道内的被测流体后传输给所述第二超声波探头；测量穿过所述被测流体后的声波信号的传播相位和幅度，同步获取所述被测流体的流量信息和气泡信息。

【技术特征摘要】
1.一种航天器超声波流量与两相流同步测量方法，其特征在于，应用于航天器流量与两相流同步测量仪中，所述航天器流量与两相流同步测量仪包括设置在航天器流体管道的外壁的对应位置上的第一超声波探头和第二超声波探头，所述航天器超声波流量与两相流同步测量方法包括：通过第一超声波探头将激励的设定频率的声波信号穿过所述航天器流体管道内的被测流体后传输给所述第二超声波探头；测量穿过所述被测流体后的声波信号的传播相位和幅度，同步获取所述被测流体的流量信息和气泡信息。2.根据权利要求1所述航天器超声波流量与两相流同步测量方法，其特征在于，所述通过第一超声波探头将激励的设定频率的声波信号穿过所述航天器流体管道内的被测流体后传输给所述第二超声波探头的步骤之前还包括：采用锁相环对穿过所述航天器流体管道内的纯净流体后的声波信号进行跟踪，获取纯净流体中声波幅度值和幅度变化方差，并将获取的所述纯净流体中声波幅度值和幅度变化方差作为纯净流体标准幅度阈值存储在数据库中。3.根据权利要求2所述航天器超声波流量与两相流同步测量方法，其特征在于，所述测量穿过所述被测流体后的声波信号的传播相位和幅度，同步获取所述被测流体的流量信息和气泡信息的步骤包括：若识别到所述锁相环无法对所述被测流体中声波传播相位差进行相位锁定时，则初步判断所述被测流体内存在气泡，并对所述被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差进行测量。4.根据权利要求3所述航天器超声波流量与两相流同步测量方法，其特征在于，所述若识别到所述锁相环无法对所述被测流体中声波传播相位差进行相位锁定时，则初步判断所述被测流体内存在气泡，并对所述被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差进行测量的步骤之后还包括：将测量出的所述被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差与事先存储在数据中的所述纯净流体标准幅度阈值进行比较，若测量出的所述被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差不在所述纯净流体标准幅度阈值范围内时，则判定所述被测流体中存在气泡。5.根据权利要求4所述航天器超声波流量与两相流同步测量方法，其特征在于，所述将测量出的所述被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差与事先存储在数据中的所述纯净流体标准幅度阈值进行比较，若测量出的所述被测流体中的声波幅度值和幅度变化方差不在所述纯净流体标准幅度阈值范围内时，则判定所述流体中存在气泡的步骤之后还包括：根据预先建立在数据库中的声波幅度值与含气率映射表和测量出的所述被测流体中的声波...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇，黄奕勇，庹洲慧，陈小前，姚雯，赵勇，张翔，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43