一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置。定义特征参数m

【技术实现步骤摘要】
一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置


[0001]本专利技术属于超声传感
，涉及一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置，也涉及超声一种流量计。

技术介绍

[0002]当今世界，人们对高精度测量的需求越来越广泛，例如管道系统的自动化控制，离不开无数个流量计量节点的精确测量。同时，管道流体测量精度的微小偏差，就会导致巨大经济代价。
[0003]自上世纪六十年代以来，流量传感技术飞速发展，已被广泛应用。如今，相对传统流量计，在以物联网、AI技术为核心的新工业革命大背景下，流量传感器优越性越发显著。
[0004]目前，超声流量计的测量原理，主要有时差法、频差法(多普勒)两种，他们的缺点如下：1)适用流体范围较窄：时差法超声流量计，只能用于清洁(单相)流体；多普勒超声流量计，只能用于流体含一定颗粒或气泡；(3)超声流量计的测量电子系统较复杂，成本较高：工业计量液体流速(单位m/s)，一般为～101的量级，其带给声速的变化最大也是10
‑3数量级，这意味着若测量精度达
±
1％，则仪器对于声速分辨率小于10
‑6量级，必须有完善的测量电子系统才能实现。
[0005]根据雷诺数Re的定义，在几何相似管道，流体的雷诺数相同意味着流场几何相似。因此，雷诺数可以表征几何相似管道的流场结构的几何特征，但是目前缺少传感技术可以感测雷诺数。
[0006]旨在克服或改善现有技术缺点，丰富流体传感技术类型，本专利技术提出一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置，实现超声感测管道流体雷诺数的技术效果，至少可应用于超声流量计量领域。

技术实现思路

[0007]本专利技术公开一种管道流体雷诺数的超声感测方法和装置，实现一种以超声脉冲为感测信号的流场雷诺数Re和流量值的传感技术。
[0008]首先，对于所述本专利技术方法的核心理念，即所述特征参数m
min
、表征流场几何特征的雷诺数Re，构建两者的单变量函数的可行性，对此从理论研究、实验研究两方面，说明如下：
[0009]所述恒定的超声信号(进入流场前)，记作E0；由于实际流体有粘性，只要流动就有紊乱度(速度脉动)；超声脉冲穿过脉动流场后，成为幅值波动的脉动信号，连续m个所述脉动信号的平均信号的平均信号上式中，的脉动幅度，随m增加而减小。问题是：m至少要多大(m
min
)，才完全抑制的脉动。
[0010]根据各态遍历的假说、系综统计理论：上式说明，对于超声脉冲E0经充分发展湍流后的随机信号理论上充分发展湍流只有连续采样m趋于无穷，才等于的系综平均<E>。需要无穷多采样，意味着本专利技术将不可实现。
[0011]根据Kolmogorov的湍流统计理论：湍流中湍流动能E
K
的传递是一种级联过程，由大涡传递给小涡再传递给更小涡，这样逐级地传递，当一个涡刚好能将从上一级传递给它的能量全部耗散成热时，这个涡就是最小尺度的涡。所述最小旋涡，其Kolmogorov长度尺寸记作η，其Kolmogorov时间尺寸(周期)记作τ
η
，则使用有限元方法数值求解非稳态的三维有旋流场需要的最少网格数目N
∑
＝N3×
N
T
，其中N3为计算空间节点数，N
T
为计算时间节点数，其中，L、U为最大旋涡的特征长度、特征速度，v为流体运动粘度，符号代表
″
数量级
″
相同；则根据Kolmogorov的湍流统计理论，数值计算湍流场的最少计算节点数量这需要的测量次数，也是难以实现。
[0012]根据实验研究：考虑到仪器有检测阈值，只要脉动幅度小于仪器检测阈值，即为常量输出。对于本专利技术所述，实际超声感测仪器，都具有最小检测阈值，定义最小可检测旋涡，其特征长度η
*
＝K1×
η，其特征时间τ
η*
＝K2×
τ
η
，则理论上所述m
min
，其数量级满足：其中K1、K2为比例系数。基于多装置(管道)、多流体介质的系列实验：1、在确定的管道，所述为常量输出，所需要连续采样m的最小值m
min
，与测量流体的雷诺数Re正相关；2、在Re大约处于0～750000范围，m
min
在0～200范围，可有为常量输出，满足下式：实验表明，考虑到仪器有检测阈值，实际仪器输出为常量信号，所需m
min
的数值远小于理论值，仪器有稳定输出，这使得基于实验标定，构建经验函数(拟合函数)成为可能。
[0013]基于上述，理论和实验研究，本专利技术提出所述的一种管道流体雷诺数的超声感测方法，其特征在于：第一，定义一个特征参数m
min
，超声发射探头的周期性重复脉冲，在待测流体等距传输后到达接收探头的为脉动信号，连续m个所述脉动信号(1≤i≤m)的平均信
号为号为要使为常量信号，所需m的最小值即为m
min
；第二，基于实验测量流经
″
试验管道
″
的一种单相流，利用可连续采样输出平均信号的超声收发仪器(信号强度的可检测阈值ε)，在n个Re的流态下，分别测量所述特征参数m
min
；由n个离散的数对(Re，m
min
)，使用公知数值方法构建拟合函数；第三，对于流经所述
″
试验管道
″
的几何相似管道的任意单相流体的雷诺数Re的超声感测问题，使用一种超声仪器可连续采样输出平均信号的超声收发仪器(信号强度的可检测阈值ε)，测量所述平均信号为为常量信号(的脉动分量小于ε)条件的所述特征参数m
min
的值，由所述函数转换输出雷诺数Re。
[0014]所述函数虽然是基于对于特定的
″
试验管道
″
和
″
单相流
″
的试验数据所构建。但是，在理论上，几何相似管道，不同单相流体的流体边界几何相似时(几何相似管道，流过几何相似物体等)，若雷诺数Re相等，则流体流动状态也是几何相似的，几流场结构几何相似，流体动力学相似；因此，理论上所述函数可用于几何相似的不同单相流；在系列实验中，所测的
″
试验管道
″
包括几何相似的圆管、方管、含阻流体的圆管、含阻流体的方管，使用流体除了纯净水、氯化钠溶液、乙醇溶液，验证了所述函数可描述几何相似管道的单相流的m
min
和Re的数值关系。
[0015]一种流体雷诺数的超声感测装置，实施了所述的一种管道流体雷诺数的超声感测方法，其结构至少包含：超声脉冲收发模块、数据处理模块、通讯模块、人机交互模块、计量管道；所述超声脉冲收发模块，包含超声脉冲发生器、超声收发探头(单探头或双探头)、数据采集器、AD转换器；所述人机交互模块，包含显示器、输入装置；所述计量管道，与所述...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管道流体雷诺数的超声感测方法，其特征在于：第一，定义一个特征参数m
min
，超声发射探头的周期性重复脉冲，在待测流体等距传输后到达接收探头的为脉动信号，连续m个所述脉动信号的平均信号为要使为常量信号，所需m的最小值即为m
min
；第二，基于实验测量流经
″
试验管道
″
的一种单相流，利用可连续采样输出平均信号的超声收发仪器(信号强度的可检测阈值ε)，在n个Re的流态下，分别测量所述特征参数m
min
；由n个离散的数对(Re，m
min
)，使用公知数值方法构建拟合函数第三，对于流经所述
″
试验管道
″
的几何相似管道的任意单相流体的雷诺数Re的超声感测问题，使用一种超声仪器可连续采样输出平均信号的超声收发仪器(信号强度的可检测阈值ε)，测量所述平均信号为为常量信号(的脉动分量小于ε)条件的所述特征参数m
min
的值，由所述函数转换输出雷诺数Re。2.根据权利要求1所述的一种管道流体雷诺数的超声感测方法，其特征在于：其还是超声流量感测方法；由权利要求1所述管道流体雷诺数的超声感测方法，感测流体雷诺数Re，根据雷诺数公式Re＝<V>d/v，获得计量管道的流体的特征速度<V&am...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚丽辉，缪亚东，谢柠蔚，袁晶，邱圣欢，刘帆，
申请(专利权)人：南通理工学院，
类型：发明
国别省市：