基于超声波的管道流量测量及流速分布层析成像方法研究

Ultrasonic flow measurement in conduct is affected by model errors as it is restricted by the flow velocity distribution in conduct,which must be therefore simulated or corrected according to different applications. This project designs a new arrangement for sound channels, with which a high-precision ultrasonic echo time of flight can be obtained. By using a computerized tomographying method, a flow velocity distribution countour map can be established and the conduct flow can be accurately obtained. This new ultrasonic flow measurement system can be used to monitor various flow velocity distributions for various applications. In addition, since new ultrasonic probes and sound channel arrangemnts are adopted in the system, a complete sampling over a whole conduct section can be realized, and the influence of the eddies in the flow field on the measurement can be effectively avoided. With the new sound channel arrangement and the high-precision algorithm for measutement of echo time of flight, the measurement accuracy of the system can be improved greatly.

利用超声波进行管道流量测量受管道内流速分布的制约，存在模型误差，需要根据不同应用场合分别进行仿真或实流校正。本项目拟设计一种新型声道布置方式，在此布置下获取高精度的超声波飞行时间，利用计算机层析成像方法建立管道内的流速分布剖面图，最终精确地获取管道流量。这种新型的超声波流量测量系统能够实现对多种流速分布状态的监测，具有很强的适用性。此外，由于新型探头和声道布置方式的采用，该测量系统能对管道截面进行全面取样，并很好地消除流场内漩涡对测量的影响。新型声道布置方式配合高精度的飞行时间测量算法，该系统的测量准确度大幅度提高。

管道内流场的测量具有重要的科学研究和工程应用价值。本课题设计了基于超声层析原理的流场成像测量系统，为保证系统的鲁棒性和空间、时间分辨率，围绕换能器布置、飞行时间测量和流场图像层析重建算法展开研究。课题的主要研究内容和成果包括：.设计并实现了轴向流场超声层析成像系统。提出了重叠声道网络换能器布置方法，通过引入投影重叠的声道实现对横向涡流和空间压缩效应的补偿，并分析了换能器数目对空间分辨率的影响。在此基础之上，制作了包含2×12个凸球面换能器的探测管段，并搭建了超声信号激励与采集系统的硬件电路和软件平台，可通过扇形束电子扫描的方式在160 ms内完成对流场的探测。.提出了基于邻域判别的数字相关法，以解决气体流场超声层析成像系统回波信号成分复杂，脉冲飞行时间测量易出现跳周误差的问题。首先采用改进的Hilbert变换数字相关法初步测量各声道脉冲飞行时间，并以归一化相关系数作为可靠度判据；然后，通过均值判别、模式识别判别等邻域判别策略甄别低可靠度声道的飞行时间测量结果。方法可有效降低跳周误差出现概率，测时精度可达52.2 ns。.针对液体流场超声层析成像系统，融合时幅变换和脉冲计数原理，搭建了时幅变换内插飞行时间测量系统，可同时满足大量程、高精度的测时要求。设计了高频稳定的同步电路和时幅变换电路，分析了二者的固定系统误差。提出了双通道TAC联合标定方法，采用一个标准时间间隔同时标定两路TAC单元，可实现对同步电路延时误差的校正，并降低标定难度。标定后，系统可在500 us动态范围内实现优于50 ps的高精度飞行时间测量。.提出了迭代滤波反投影算法，用于流场图像的实时、高精度重建。借鉴SIRT算法原理，将滤波反投影算法融入迭代重建过程，并给出了迭代步长的优化选择方法。采用平行束迭代滤波反投影算法对流场图像进行层析重建，在重建过程中引入投影数据的平行重排和细分内插预处理以及中间结果的圆域修正。算法可在0.63 s内重建得到分辨率为200×200像素的流场图像。同时研究了用于流场重建的滤波反投影算法和SIRT算法，并比较了三者的重建质量。.通过实际流场测量实验，验证气体流场超声层析成像系统对对称流场和非对称流场均能实现可靠成像，零流下平均测量误差为8.3 mm/s。