太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置

《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》是中國人民解放軍國防科學技術大學於2016年12月30日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN106679748A，專利公布日：2017年5月17日，發明人：陳勇；黃奕勇；庹洲慧；陳小前; 姚雯；趙勇；張翔。

《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》公開了一種太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法與裝置，通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭；測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取被測流體的流量信息和氣泡信息。《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置，採用一套裝置同步實現對衛星管道中的流量測量與氣泡檢測，從而提高超音波測量裝置集成化程度，增加利用效率；降低風險、成本、體積與重量。

2018年12月20日，《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。

（概述圖為《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置
• 申請人：中國人民解放軍國防科學技術大學
• 申請日：2016年12月30日
• 公布號：CN106679748A
• 公布日：2017年5月17日
• 申請號：201611258301X
• 發明人：陳勇；黃奕勇；庹洲慧；陳小前; 姚雯；趙勇；張翔
• 代理機構：長沙智嶸專利代理事務所
• 地址：湖南省長沙市開福區徳雅路109號
• 類別：發明專利
• Int. Cl.：G01F1/66(2006.01)I
• 代理人：胡亮

專利背景

對於管道中的流量或氣泡兩相流的測量，截至2016年末技術中存在諸如渦街、渦輪以及電磁測量方法，而超音波測量技術以不侵入被測介質、無運動部件、不影響流場和可測量導電介質等優點，在工業中已有相關方案採用超音波測量技術分別解決管道流量測量與氣泡檢測的方法。

工業所用超音波流量測量方法大多採用脈衝波體系。具體而言，以圖1為例，第一超音波探頭1發射一個或者一束脈衝波，第二超音波探頭2檢測聲波到達時間，記為t1。另一方面，超音波探頭2發射脈衝波，第一超音波探頭1檢測聲波到達時間，記為t2。

記聲波在無約束靜水中的傳播速度為c，管道流動的平均流速為u，聲波傳播通道距離為L。在<<的情況下，管道流動的平均流速可以表示為：（1）

在管道橫截面積A已知的情況下，管道流動流量可以表示為：（2）

由於聲波在管道中傳播存在各種傳播模式，每一種傳播模式具有不同的傳播速度。隨著頻率的增加，傳播模式更多，導致對到達波的檢測非常困難，如圖2所示。另一方面，由於脈衝波的寬頻特點，聲波在探頭共振頻率上的激勵能量將減小，導致接收信號的信噪比降低。此外，工業生產中的超音波探頭存在不一致，使得兩個超音波探頭的共振頻率不一致，而且隨著外界環境的改變而變化。

這些問題在脈衝波體系下無法避免。而在連續波激勵中，能量能夠集中在固定頻點上，信噪比將增加。另一方面，連續波體系下的超音波探頭處於受迫振動狀態，很好地解決了頻率不一致的問題。Yang提出了一種基於連續波體系的流量測量方法，然而該方法只適用於不存在模糊數的情況，測量範圍受到了限制。為了得到較大的測量範圍，基於連續波與脈衝波體系的技術由Folkestad提出，然而該方法中的頻率不一致性也沒有得到解決。超音波流量計利用管道流動中聲波順逆流傳播的顯著區別，通過處理聲波信號獲得管道平均流速信息，進而預測管道流動流量。作者Yang提出了一種基於側音測量的連續波流量測量方法，如圖3所示，利用不同側音的相位解決了測量模糊數的問題，理論上擴大了連續波體系的流量測量範圍。該方法解決了管道流量的寬範圍與高精度測量問題，但是沒有解決氣泡兩相流的檢測問題。

對於兩相流測量方法，主要有兩大類，一種是基於目測方法，即通過人直接觀察管道內部的流動狀態，但是這種方法缺點明顯。由於現場環境等因素，管道透明度影響，以及人為誤差等因素的影響。對於空間自主測量而言，該方法行不通。

基於差壓感測器的流體檢測技術運用差壓感測器安裝在兩相流的實驗管段，在流體流動期間採集兩相流的過程檢測參數，但是由於測量精度和成本的原因，現如今普遍採用這種測量方法進行測量，但是該方法需要接觸被測介質。高速攝影，需要利用高速攝攝像機，通過透明的實驗管段或者視窗來進行現場拍攝，並且針對不同的流動狀態進行，相比較而言高速攝像方法較目測法有了進一步的改進。但是，在複雜工況條件下，高速攝影由於受到光照條件，兩相流體容易受到反射折射的影響。射線吸收的方法，通過設備發出相應的X射線或者多束射線使之穿過兩相流的管壁，通過最終測得射線的衰減程度最終確定管段的吸收情況，從而判別出管道內部的流動狀況。缺點就是關於發射探頭的選擇尤為關鍵，以及合適的材料減少管道材質對射線的吸收。接觸式探頭，如光導探頭或者電導方式，利用光或者電的導電性進行檢測，從而確定流體的流動介質情況。這種測量方法缺點就是需要接觸管道內部的流體，探頭易受到介質的影響，並且會影響流場的分布。過程層析成像，主要方法有電容層析成像和電阻層析成像，超聲成像，微波成像等測量原理選擇適當的敏感元件，並且能夠對兩相流型進行線上檢測，這些方法配置較為複雜。

在間接法測量方面，超音波技術套用較為廣泛。對於兩相流檢測問題，當液體中存在氣泡時，可以採用都卜勒效應對其測量，但是超聲都卜勒方法不能測量純淨流體。由於空間流體總體處於單相流動狀態，兩相流狀態出現的可能性較小，都卜勒方法套用效益低下。對於超音波氣泡檢測方法，工業上主要採用三種方法進行測量：超音波散射法、反射法以及滲透法。

超音波散射法根據超音波散射效應，利用非集流、非轉子的方式來測量混合介質中含氣率，從而實現含氣率的測量，由於散射法將影響流場，不能很好地體現超音波檢測技術的非侵入優點。超音波回波反射法根據超音波穿透管道後在管壁處形成回波信號，並根據回波信號的大小計算聲阻抗。通過分析聲阻抗以及渡越時間等參數來分析兩相流。超音波透射法是利用超音波在穿越氣液兩相流的過程中遇到兩相形成的阻抗界面時，會產生反射以及吸收衰減，從而導致接收到的超音波信號能量降低，並且信號能量的衰減幅度與氣相的含量有關。在氣泡存在下，由於超音波回波的能量較低，超聲發射探頭100安裝在第一壁面200管徑側壁，超聲接收探頭500安裝在第二壁面200管徑側壁，樣品池200設定在第一壁面200和第二壁面200之間，如圖4所示。

由於傳統的超音波流量與兩相流測量方法利用不同的原理，需要用兩套測量裝置實現，增加了空間設備的體積，重量以及安全風險等，因此，現有技術中無法採用一套測量裝置來同時測量流量與兩相流，是一個亟待解決的技術問題。

發明內容

專利目的

《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》提供了一種太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置，以解決截至2016年末技術中無法採用一套測量裝置來同時測量流量與兩相流的技術問題。

技術方案

《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》採用的技術方案如下：

根據《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》的一個方面，提供一種太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，套用於太空飛行器流量與兩相流同步測量儀中，太空飛行器流量與兩相流同步測量儀包括設定在太空飛行器流體管道的外壁的對應位置上的第一超音波探頭和第二超音波探頭，該太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法包括：

通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭；

測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取被測流體的流量信息和氣泡信息。

進一步地，通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭的步驟之前還包括：採用鎖相環對穿過太空飛行器流體管道內的純淨流體後的聲波信號進行跟蹤，獲取純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差，並將獲取的純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差作為純淨流體標準幅度閾值存儲在資料庫中。

進一步地，測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取被測流體的流量信息和氣泡信息的步驟包括：

若識別到鎖相環無法對被測流體中聲波傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷被測流體記憶體在氣泡，並對被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差進行測量。

進一步地，若識別到鎖相環無法對被測流體中聲波傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷被測流體記憶體在氣泡，並對被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差進行測量的步驟之後還包括：將測量出的被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差與事先存儲在數據中的純淨流體標準幅度閾值進行比較，若測量出的被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差不在純淨流體標準幅度閾值範圍內時，則判定被測流體中存在氣泡。

進一步地，將測量出的被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差與事先存儲在數據中的純淨流體標準幅度閾值進行比較，若測量出的被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差不在純淨流體標準幅度閾值範圍內時，則判定流體中存在氣泡的步驟之後還包括：

根據預先建立在資料庫中的聲波幅度值與含氣率映射表和測量出的被測流體中的聲波幅度值，獲取被測流體的含氣率，其中，聲波幅度值與含氣率映射表中映射有聲波幅度值與含氣率的對應關係，該對應關係可對在軌測量到的純淨流體中的聲波幅度值進行線上修正。

根據《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》的另一方面，還提供了一種太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，套用於太空飛行器流量與兩相流同步測量儀中，太空飛行器流量與兩相流同步測量儀包括設定在太空飛行器的太空飛行器流體管道的外壁的對應位置上的第一超音波探頭和第二超音波探頭，太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置包括：

激勵模組，用於通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭；

獲取模組，用於測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取被測流體的流量信息和氣泡信息。

進一步地，太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置還包括預置模組，預置模組，用於採用鎖相環對穿過太空飛行器流體管道內的純淨流體後的聲波信號進行跟蹤，獲取純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差，並將獲取的純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差作為純淨流體標準幅度閾值存儲在資料庫中。

進一步地，獲取模組包括相位檢測單元，相位檢測單元，用於若識別到鎖相環無法對被測流體中聲波傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷被測流體記憶體在氣泡，並對被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差進行測量。

進一步地，獲取模組還包括幅度比較單元，幅度比較單元，用於將測量出的被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差與事先存儲在數據中的純淨流體標準幅度閾值進行比較，若測量出的被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差不在純淨流體標準幅度閾值範圍內時，則判定被測流體中存在氣泡。

進一步地，獲取模組還包括含氣率獲取單元，含氣率獲取單元，用於根據預先建立在資料庫中的聲波幅度值與含氣率映射表和測量出的被測流體中的聲波幅度值，獲取被測流體的含氣率，其中，聲波幅度值與含氣率映射表中映射有聲波幅度值與含氣率的對應關係，該對應關係可對在軌測量到的純淨流體中的聲波幅度值進行線上修正。

改善效果

《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》具有以下有益效果：

《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置，通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭；測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取被測流體的流量信息和氣泡信息。《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置，採用一套裝置同步實現對衛星管道中的流量測量與氣泡檢測，從而提高超音波測量裝置集成化程度，增加利用效率；降低風險、成本、體積與重量。

附圖說明

構成《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》申請的一部分的附圖用來提供對該發明的進一步理解，《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》的示意性實施例及其說明用於解釋《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》，並不構成對《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》的不當限定。在附圖中：

圖1是微小管徑超音波流量測量示意圖；

圖2是脈衝波測量中接收聲波信號示意圖；

圖3是側音連續波體系下的激勵信號示意圖；

圖4是超音波回波發射法的探頭安裝方式示意圖；

圖5是《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法第一實施例的流程示意圖；

圖6是《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法第二實施例的流程示意圖；

圖7是圖5中測量穿過所述被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取所述被測流體的流量信息和氣泡信息的步驟的細化流程示意圖；

圖8是《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置第一實施例的結構框圖；

圖9是《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置第二實施例的結構框圖；

圖10是圖8中獲取模組優選實施例的功能模組示意圖。

附圖示號說明：100、超聲發射探頭；200、第一壁面；300、第二壁面；400、樣品池；500、超聲接收探頭；10、激勵模組；20、獲取模組；30、預置模組；21、相位檢測單元；22、幅度比較單元；23、含氣率獲取單元。

技術領域

《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》涉及太空飛行器領域，特別地，涉及一種太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置。

權利要求

1.一種太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，其特徵在於，套用於太空飛行器流量與兩相流同步測量儀中，所述太空飛行器流量與兩相流同步測量儀包括設定在太空飛行器流體管道的外壁的對應位置上的第一超音波探頭和第二超音波探頭，所述太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法包括：

採用鎖相環對穿過所述太空飛行器流體管道內的純淨流體後的聲波信號進行跟蹤，獲取純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差，並將獲取的所述純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差作為純淨流體標準幅度閾值存儲在資料庫中；通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過所述太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給所述第二超音波探頭；測量穿過所述被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取所述被測流體的流量信息和氣泡信息；所述測量穿過所述被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取所述被測流體的流量信息和氣泡信息的步驟包括：若識別到所述鎖相環無法對所述被測流體中聲波傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷所述被測流體記憶體在氣泡，並對所述被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差進行測量。

2.根據權利要求1所述太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，其特徵在於，所述若識別到所述鎖相環無法對所述被測流體中聲波傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷所述被測流體記憶體在氣泡，並對所述被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差進行測量的步驟之後還包括：

將測量出的所述被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差與事先存儲在數據中的所述純淨流體標準幅度閾值進行比較，若測量出的所述被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差不在所述純淨流體標準幅度閾值範圍內時，則判定所述被測流體中存在氣泡。

3.根據權利要求2所述太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，其特徵在於，所述將測量出的所述被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差與事先存儲在數據中的所述純淨流體標準幅度閾值進行比較，若測量出的所述被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差不在所述純淨流體標準幅度閾值範圍內時，則判定所述流體中存在氣泡的步驟之後還包括：

根據預先建立在資料庫中的聲波幅度值與含氣率映射表和測量出的所述被測流體中的聲波幅度值，獲取所述被測流體的含氣率，其中，所述聲波幅度值與含氣率映射表中映射有聲波幅度值與含氣率的對應關係，該對應關係可對在軌測量到的所述純淨流體中的聲波幅度值進行線上修正。

4.一種太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，其特徵在於，套用於太空飛行器流量與兩相流同步測量儀中，所述太空飛行器流量與兩相流同步測量儀包括設定在太空飛行器流體管道的外壁的對應位置上的第一超音波探頭和第二超音波探頭，所述太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置包括：

預置模組（30），用於採用鎖相環對穿過所述太空飛行器流體管道內的純淨流體後的聲波信號進行跟蹤，獲取純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差，並將獲取的所述純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差作為純淨流體標準幅度閾值存儲在資料庫中；激勵模組（10），用於通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過所述太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給所述第二超音波探頭；獲取模組（20），用於測量穿過所述被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取所述被測流體的流量信息和氣泡信息；所述獲取模組（20）包括相位檢測單元（21），

所述相位檢測單元（21），用於若識別到所述鎖相環無法對所述被測流體中聲波傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷所述被測流體記憶體在氣泡，並對所述被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差進行測量。

5.根據權利要求4所述太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，其特徵在於，所述獲取模組（20）還包括幅度比較單元（22），所述幅度比較單元（22），用於將測量出的所述被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差與事先存儲在數據中的所述純淨流體標準幅度閾值進行比較，若測量出的所述被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差不在所述純淨流體標準幅度閾值範圍內時，則判定所述被測流體中存在氣泡。

6.根據權利要求5所述太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，其特徵在於，所述獲取模組（20）還包括含氣率獲取單元（23），所述含氣率獲取單元（23），用於根據預先建立在資料庫中的聲波幅度值與含氣率映射表和測量出的所述被測流體中的聲波幅度值，獲取所述被測流體的含氣率，其中，所述聲波幅度值與含氣率映射表中映射有聲波幅度值與含氣率的對應關係，該對應關係可對在軌測量到的所述純淨流體中的聲波幅度值進行線上修正。

實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》。

參照圖5，《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》的優選實施例提供了一種太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，套用於太空飛行器流量與兩相流同步測量儀中，太空飛行器流量與兩相流同步測量儀包括設定在太空飛行器的太空飛行器流體管道的外壁的對應位置上的第一超音波探頭和第二超音波探頭，該太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法包括：

步驟S100、通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭。

首先將第一超音波探頭和第二超音波探頭相對設定在太空飛行器的太空飛行器流體管道的兩側外壁上，其中，太空飛行器流體管道可以為微小管道，直徑在4～10mm，太空飛行器流體管道內載有流動的被測流體，被測流體可能是單相介質，也可能是雙相介質，例如氣泡兩相流。然後通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的連續聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭。

步驟S200、測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取被測流體的流量信息和氣泡信息。

通過超音波流量計測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位得到被測流體中聲波傳播相位，以及通過超音波氣泡計檢測穿過被測流體後的聲波信號的幅度得到被測流體中聲波傳播幅度。根據超音波流量計測量到的被測流體中聲波傳播相位，獲取被測流體的流量信息。根據超音波氣泡計檢測到的被測流體中聲波傳播幅度，獲取被測流體的氣泡信息。在該實施例中，根據超音波流量計和超音波氣泡計測得的聲波在傳播過程中的相位與幅度，並通過對相位與幅度進行處理，得到流量與兩相流信息。

該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭；測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取被測流體的流量信息和氣泡信息。該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，採用一套裝置同步實現對衛星管道中的流量測量與氣泡檢測，從而提高超音波測量裝置集成化程度，增加利用效率；降低風險、成本、體積與重量。

優選地，如圖6所示，圖6是《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法第二實施例的流程示意圖，在第一實施例的基礎上，步驟S100之前還包括：

步驟S100A、採用鎖相環對穿過太空飛行器流體管道內的純淨流體後的聲波信號進行跟蹤，獲取純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差，並將獲取的純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差作為純淨流體標準幅度閾值存儲在資料庫中。

在側音測相過程中，對於某一設定頻率f，其傳播相位差採用鎖相環進行跟蹤，同時跟蹤順流或者逆流傳播過程中的聲波幅度信息，獲取純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差，存儲純淨流體中的純淨流體幅度值和純淨流體幅度變化方差，並將獲取的純淨流體幅度值和純淨流體幅度變化方差作為純淨流體標準幅度閾值存儲在資料庫中，以便於與被測流體進行對比，快速識別帶有兩相流的被測流體。

該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，預先在資料庫中建立純淨流體標準幅度閾值，以便於與被測流體進行對比，從而快速識別帶有兩相流的被測流體。該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，解決了氣泡兩相流的檢測問題，且檢測方便快捷。

優選地，如圖7所示，圖7是《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法中S200的細化流程示意圖，在該實施例中，步驟S200包括：

步驟S210、若識別到鎖相環無法對被測流體中聲波傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷被測流體記憶體在氣泡，並對被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差進行測量。

當被測流體是單相介質時，傳播相位差的變化較慢，此時鎖相環能夠對相位進行鎖定。當被測流體出現氣泡後，由於氣泡對聲波存在散射和折射等作用，其相位將發生突然變化，同時幅度相應也會發生變化，在此過程中，鎖相環將無法對相位突變進行相位鎖定。若識別到鎖相環無法對穿過被測流體後的聲波信號的被測流體傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷被測流體記憶體在氣泡，並對被測流體的被測流體幅度值和被測流體幅度變化方差進行測量以進一步得出是否存在氣體的判斷。

該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，通過對鎖相環的相位鎖定功能進行測量，若相環無法對穿過被測流體後的聲波信號的被測流體傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷被測流體記憶體在氣泡，並對被測流體的被測流體幅度值和被測流體幅度變化方差進行測量以確認被測流體內是否存在氣泡，從而快速識別帶有兩相流的被測流體。該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，解決了氣泡兩相流的檢測問題，且檢測方便快捷。

進一步地，參見如圖7，該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，步驟S210之後還包括：

步驟S220、將測量出的被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差與事先存儲在數據中的純淨流體標準幅度閾值進行比較，若測量出的被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差不在純淨流體標準幅度閾值範圍內時，則判定被測流體中存在氣泡。

在該實施例中，將測量出的被測流體中的被測流體幅度值X和被測流體幅度變化方差S與事先存儲在數據中的純淨流體標準幅度閾值進行比較，即將純淨流體中的純淨流體幅度值和純淨流體幅度變化方差進行比較，若被測流體幅度值X和純淨流體幅度值存在較大差別以及被測流體幅度變化方差S與純淨流體幅度變化方差差別較大時，可以判定被測流體中存在氣泡。

該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，將測量出的被測流體中的被測流體幅度值和被測流體幅度變化方差與事先存儲在數據中的純淨流體標準幅度閾值進行比較，從而快速識別帶有兩相流的被測流體。該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，解決了氣泡兩相流的檢測問題，且檢測方便快捷。

優選地，參見如圖8，該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，步驟S220之後還包括：

步驟S320、根據預先建立在資料庫中的聲波幅度值與含氣率映射表和測量出的被測流體中的聲波幅度值，獲取被測流體的含氣率，其中，聲波幅度值與含氣率映射表中映射有聲波幅度值與含氣率的對應關係，該對應關係可對在軌測量到的純淨流體中的聲波幅度值進行線上修正。

在該實施例中，幅度值與含氣率的對應關係可以提前通過試驗進行標定，並記錄標定過程中的純淨流體中的幅度， 以在計算過程中修正純淨流體幅度值帶來的偏差。同時，將標定的幅度值與含氣率的對應關係記錄在幅度值與含氣率映射表中，然後將幅度值與含氣率映射表存儲在資料庫中，一旦測量到被測流體幅度值X，即可根據幅度值與含氣率映射表獲取被測流體的含氣率。

該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，根據預先建立在資料庫中的幅度值與含氣率映射表和測量出的被測流體中的被測流體幅度值，獲取被測流體的含氣率，從而快速獲取帶有兩相流的被測流體的含氣率。該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法，解決了氣泡兩相流的檢測問題，且檢測方便快捷。

如圖8所示，《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》還提供了一種太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，套用於太空飛行器流量與兩相流同步測量儀中，太空飛行器流量與兩相流同步測量儀包括設定在太空飛行器的太空飛行器流體管道的外壁的對應位置上的第一超音波探頭和第二超音波探頭，太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置包括：

激勵模組10，用於通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭；

獲取模組20，用於測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取被測流體的流量信息和氣泡信息。

將第一超音波探頭和第二超音波探頭相對設定在太空飛行器的太空飛行器流體管道的兩側外壁上，其中，太空飛行器流體管道可以為微小管道，直徑在4～10mm，太空飛行器流體管道內載有流動的被測流體，被測流體可能是單相介質，也可能是雙相介質，例如氣泡兩相流。激勵模組10通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的連續聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭。

獲取模組20通過超音波流量計測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位得到被測流體中聲波傳播相位，以及通過超音波氣泡計檢測穿過被測流體後的聲波信號的幅度得到被測流體中聲波傳播幅度。根據超音波流量計測量到的被測流體中聲波傳播相位，獲取被測流體的流量信息。根據超音波氣泡計檢測到的被測流體中聲波傳播幅度，獲取被測流體的氣泡信息。在該實施例中，根據超音波流量計和超音波氣泡計測得的聲波在傳播過程中的相位與幅度，並通過對相位與幅度進行處理，得到流量與兩相流信息。

該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，通過第一超音波探頭將激勵的設定頻率的聲波信號穿過太空飛行器流體管道內的被測流體後傳輸給第二超音波探頭；測量穿過被測流體後的聲波信號的傳播相位和幅度，同步獲取被測流體的流量信息和氣泡信息。該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，採用一套裝置同步實現對衛星管道中的流量測量與氣泡檢測，從而提高超音波測量裝置集成化程度，增加利用效率；降低風險、成本、體積與重量。

如圖9所示，圖9是《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置第二實施例的結構框圖，在第一實施例的基礎上，該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置還包括預置模組20，預置模組20，採用鎖相環對穿過太空飛行器流體管道內的純淨流體後的聲波信號進行跟蹤，獲取純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差，並將獲取的純淨流體中聲波幅度值和幅度變化方差作為純淨流體標準幅度閾值存儲在資料庫中。

在側音測相過程中，預置模組20對於某一設定頻率f，其傳播相位差採用鎖相環進行跟蹤，同時跟蹤順流或者逆流傳播過程中的聲波幅度信息，存儲純淨流體中的純淨流體幅度值和純淨流體幅度變化方差，並將獲取的純淨流體幅度值和純淨流體幅度變化方差作為純淨流體標準幅度閾值存儲在資料庫中，以便於與被測流體進行對比，快速識別帶有兩相流的被測流體。

該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，預先在資料庫中建立純淨流體標準幅度閾值，以便於與被測流體進行對比，從而快速識別帶有兩相流的被測流體。該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，解決了氣泡兩相流的檢測問題，且檢測方便快捷。

參見圖10，該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，獲取模組20包括相位檢測單元21，相位檢測單元21，用於若識別到鎖相環無法對被測流體中聲波傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷被測流體記憶體在氣泡，並對被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差進行測量。

當被測流體是單相介質時，傳播相位差的變化較慢，此時鎖相環能夠對相位進行鎖定。當被測流體出現氣泡後，由於氣泡對聲波存在散射和折射等作用，其相位將發生突然變化，同時幅度相應也會發生變化，在此過程中，鎖相環將無法對相位突變進行相位鎖定。相位檢測單元21若識別到鎖相環無法對穿過被測流體後的聲波信號的被測流體傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷被測流體記憶體在氣泡，並對被測流體的被測流體幅度值和被測流體幅度變化方差進行測量以進一步得出是否存在氣體的判斷。

該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，通過對鎖相環的相位鎖定功能進行測量，若相環無法對穿過被測流體後的聲波信號的被測流體傳播相位差進行相位鎖定時，則初步判斷被測流體記憶體在氣泡，並對被測流體的被測流體幅度值和被測流體幅度變化方差進行測量以確認被測流體內是否存在氣泡，從而快速識別帶有兩相流的被測流體。該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，解決了氣泡兩相流的檢測問題，且檢測方便快捷。

進一步地，如圖10所示，該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，獲取模組20還包括幅度比較單元22，幅度比較單元22，用於將測量出的被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差與事先存儲在數據中的純淨流體標準幅度閾值進行比較，若測量出的被測流體中的聲波幅度值和幅度變化方差不在純淨流體標準幅度閾值範圍內時，則判定被測流體中存在氣泡。

在該實施例中，幅度比較單元22將測量出的被測流體中的被測流體幅度值X和被測流體幅度變化方差S與事先存儲在數據中的純淨流體標準幅度閾值進行比較，即將純淨流體中的純淨流體幅度值和純淨流體幅度變化方差進行比較，若被測流體幅度值X和純淨流體幅度值存在較大差別以及被測流體幅度變化方差S與純淨流體幅度變化方差差別較大時，可以判定被測流體中存在氣泡。

該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，將測量出的被測流體中的被測流體幅度值和被測流體幅度變化方差與事先存儲在數據中的純淨流體標準幅度閾值進行比較，從而快速識別帶有兩相流的被測流體。該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，解決了氣泡兩相流的檢測問題，且檢測方便快捷。

可選地，如圖10所示，該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，獲取模組20還包括含氣率獲取單元23，含氣率獲取單元23，根據預先建立在資料庫中的聲波幅度值與含氣率映射表和測量出的被測流體中的聲波幅度值，獲取被測流體的含氣率，其中，聲波幅度值與含氣率映射表中映射有聲波幅度值與含氣率的對應關係，該對應關係可對在軌測量到的純淨流體中的聲波幅度值進行線上修正。

在該實施例中，幅度值與含氣率的對應關係可以提前通過試驗進行標定，並記錄標定過程中的純淨流體中的幅度， 以在計算過程中修正純淨流體幅度值帶來的偏差。同時，含氣率獲取單元23將標定的幅度值與含氣率的對應關係記錄在幅度值與含氣率映射表中，然後將幅度值與含氣率映射表存儲在資料庫中，一旦測量到被測流體幅度值X，即可根據幅度值與含氣率映射表獲取被測流體的含氣率。

該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，根據預先建立在資料庫中的幅度值與含氣率映射表和測量出的被測流體中的被測流體幅度值，獲取被測流體的含氣率，從而快速獲取帶有兩相流的被測流體的含氣率。該實施例提供的太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量裝置，解決了氣泡兩相流的檢測問題，且檢測方便快捷。

以上所述僅為《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》的優選實施例而已，並不用於限制《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》，對於本領域的技術人員來說，《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》可以有各種更改和變化。凡在《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》的保護範圍之內。

榮譽表彰

2018年12月20日，《太空飛行器超音波流量與兩相流同步測量方法及裝置》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。