[发明专利]一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于气体流速测量技术领域，特别涉及一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置及其方法。

背景技术

准确地测量气体流速在实际工程应用中有重要的意义，相对于小管径流道，大口径流道由于其管道较大，管内流场相对复杂，流速的准确测量显得更加困难，气体流速的方法有以下几种：

1.皮托管、文丘里管：该方法是基于伯努利方程，通过测量流体的动压和静压求得流场单点的平均流速。这是一种传统的接触式测量方式，在长时间的使用过程中，容易发生腐蚀和磨损，使得测量精度下降。同时，皮托管等都是点测量的方式，难以反映整个流场的整体情况，对大口径流道流速测量的精度会更低。

2.热线风速仪：其原理是将一根通电加热的细金属丝(俗称热线)置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，流速变化时，金属丝的温度就会随之改变，从而促使电信号发生变化，这种变化和风速之间具有一一对应的单调关系，从而测得流速。热线风速仪在测混合气体时，容易发生腐蚀而使得热线变细和断裂，因此热线风速仪不适合测量带杂质气体的气体流速；同时，热线风速仪也属于单点测量技术，无法获得大口径风道流场信息。

3.粒子图像测速仪：粒子图像测速技术是一种应用于全流场、瞬态、无接触的流体测量技术，但是由于测量系统的复杂以及成本的高昂，目前粒子图像测速仪主要还应用在实验室研究应用中，偏重于微尺度条件下流动机理的测量，实际工程应用相对较少。

4.激光多普勒测速仪：利用气体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得气体的速度信息，再利用入射光和散射光的相位差与颗粒尺寸呈线性关系，可以同时得到颗粒的粒径信息。但是这些方法都是点测量；同时，成本较高也是限制其发展的又一重要因素。由上述测量方式可以看出，对于大口径流道流速的测量仍然存在很多的不足，目前为止没有一种特别行之有效的办法能够对大口径流道的整个流场情况进行实时监测。声波测速作为一种非接触式的测量技术，已经有了长时间的研究和实际应用，然而目前声波测速技术中，声源信号主要还是集中在超声波频段，采用可听声频段作为测量信号的研究很少。但是，由于超声波频段高，能量衰减快，在大尺寸的空间内，从超声波换能器发出的超声波难以渡越测量空间到达接收端，因此超声波在大尺度测量对象上的应用具有很大的局限性。同时，超声波具有很强的直线型，这就要求超声波传播路径上不能存在任何障碍物，否则超声波无法到达接收端，可能出现在大口径流道中整体流速测量不全的缺点；而可听声波长较长，能够绕过一定的障碍物到达接收端，对安装和流道的要求低。根据可听声的传播特点，可听声可以在流道内很好地进行发散，从而形成多条传播路径，并不受空间尺寸和位置的影响。根据这些路径的声波飞渡时间信息，可以推算出声波传播的速度，从而重建出流道内的速度场，具有很强的可行性和实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置及其方法，其特征在于，所述基于声学技术的多路径管道流速测量装置由声源、N个传感器、信号放大器、数据采集卡、工控机由相关线路连接组成；其中声波信号发生装置安装在大口径流道某一截面的四周，每一个声波信号发生装置的声波导管是安装声波信号传感器M₁，在声波发生装置两边的大口径流道的任一截面四周分别布置第2-第n个测试传感器M_2-N；其中n＝1,2,3…N，从而形成多条声波路径；声波发生装置先后发出固定频率的声波，声波信号传感器M₁将信号传给信号放大器，通过声卡传递给工控机；测试传感器M_2-N得到的声波信号通过采集卡传递给工控机，工控机将两路信号进行计算和分析，得出测量结果。

所述N个传感器包含声波信号传感器M₁与测试传感器M_2-N；测试传感器M_2-N根据大口径流道的大小和测量精度要求确定安装的数量；其中N为正整数。

一种基于声学技术的多路径管道流速测量装置的多路径管道流速方法，其特征在于，包括：

1)根据流道结构和尺寸大小选择声波发生装置和声波传感器的布置。合理的布置声波发生装置和声波传感器应该以声波传感器不失真地接收声源信号为前提，进而准确地对流场进行重建；

2)基于最小二乘法的速度场重建算法，根据各条路径上有限的声波飞渡时间数据，得出整个流道的二维速度场，最小二乘法能够达到重建的精度要求，具备一定的抗噪声能力；