技术领域
[0001] 本
发明涉及一种X射线和
超声波联合测量多相流动参数的装置与方法，属于多相流测量技术领域。
背景技术
[0002] 各种物质在自然界中的存在形式可以用三种相来描述，即气相，液相和固相。多相流动通常指两种或两种以上的物质的流动，这些物质可以以上述三相中任何一种形式存在。多相流动是自然界中最常见的现象之一，例如自然
水体的带沙流动，泥石流灾害等。同时，多相流动现象也广泛地存在于众多工农业领域的生产和处理过程中，例如石油化工催化裂化生产过程，
冶金矿物浮选过程，污
水处理中
曝气池净化过程以及农业生产中的
种子包衣过程等，完成以上过程的装置都属于多相反应器。
[0003] 认识和掌握多相反应器（如催化裂化塔，
矿石浮选机，污水曝气池等）内流动规律是其优化设计与高效运行的
基础和关键所在。但是由于多相反应器内包含有气体和液体两种连续相和固体离散相，与单相流动或两相流动相比，其流动规律更加复杂，而其流动形态和流动参数(如各相的含量和分布，各相运动速度等)更加难以测量，针对多相反应器内气液固三相流动的研究常常难以开展，导致多种工业多相反应器的设计运行还多依赖于工程经验。因此开发针对多相反应器内气液固三相流动的非侵入式三维测量方法及测量装置，并在此基础之上对其内部气液固三相流动规律开展研究，认识相间
传热传质的机理，最终掌握不同操作参数下多相反应器的运行规律，对科学研究、工程设计和工业应用都具有重要的意义。
[0004] 目前，针对多相反应器内流动参数的测量手段主要还是以借鉴单相流动或两相流动的测量方法为主。例如皮托管，PIV方法，
放射性元素标记法，取样测量方法，基于X光或超声波的方法。皮托管属于侵入式测量手段，易
对流动造成干扰，原本主要用于单一连续相的流速测量，在气液固三相流动可以用于近似测量连续相的速度，准确性较差，并且由于流动含有固相，容易造成皮托管小孔阻塞。PIV原本主要用于连续相
湍流结构和气固两相流动固相运动的测量，可以运用在某些条件下气液固三相流动的流动形态和流动参数的测量，但是由于属于可见光测量，对于相间或者流动界面的遮挡往往无能为
力。放射性元素标记法是一种非
接触式测量方法，可以用于连续相或离散相的速度测量或相含量的测量，但是放射性元素的使用往往伴随着安全问题。取样测量方法主要是通过获取一部分气液固三相流动的样品来测量各相含量，但是取样测量方法是一种侵入式测量方法，会对三相流动产生干扰，因此准确性也有一定的问题。最有潜力和希望的测量技术是基于X光或超声波的方法。两者均属于非接触式的测量方法，但是，由于X光穿透能力较强，使得X光透射方法往往难以提供气相的测量数据，而且其不能提供三相分布的三维数据；X光
断层扫描方法虽然能提供详细的三相分布的三维数据（如CN200510086250.2公开的方法），但是由于其断层扫描过程持续时间长，导致其时间准确性差；超声波方法准确性和信息完整性较好，但是其遇到固相时容易造成剧烈衰减，导致误差，所以其常常用于
气液两相流动的测量（如CN201210321362.1，CN200610015327.1公开的方法）。
[0005] 多相反应器内流动参数的测量一直以来都是国际性难题，目前没有一种方法可以完全实现对流场无干扰、三维和准确。为了大力推动多相反应器的科学研究、工程设计和工业应用，国内外众多高校、科研机构和企业都投入大量人力物力，致力于开发新型的气液固三相流动参数测量装置与方法，以抢夺知识产权的高地。
发明内容
[0006] 发明目的：为了克服
现有技术中存在的不足，本发明提供X射线和超声波联合测量多相流动参数的装置与方法，实现了对流场无干扰、三维和准确的测量装置与方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0008] X射线和超声波联合测量多相流动参数的装置，包括正对布置在目标区域前后两平行壁面外侧的发射部分和接收部分，所述发射部分包括X光
光源和布置在以X光光源为圆心的圆周上的多个超声波发生器，所述X光光源由可调制高压电源驱动，所述超声波发生器与高频
驱动器连接，所述接收部分包括X光
平板探测器和布置在以X光平板探测器的中心为圆心的圆周上的多个超声波
传感器，所述X光平板探测器与图像
信号采集器连接，所述
超声波传感器与超声波信号采集器连接，所述可调制高压电源、高频驱动器、图像信号采集器以及超声波信号采集器均与处理计算机连接。
[0009] 所述X光光源发出的X光射线穿过目标区域的中心与X光平板探测器的中心对准，所述超声波发生器和超声波传感器均通过
角度调节器布置，所述超声波发生器与超声波传感器一一对应，所述超声波发生器发出的超声波信号穿过目标区域的中心被相应的超声波传感器接收。
[0010] 所述角度调节器包括用以固定超声波发生器或超声波传感器的移动板、通过连接
轴承与移动板连接的
固定板、
导轨、
丝杠轴承板、调节丝杠和承载轴承，所述导轨固定在固定板上，所述导轨与丝杠轴承板之间为滑轨结构，所述丝杠轴承板通过转动调节丝杠在导轨上水平移动，所述丝杠轴承板顶部固定有用以
挤压移动板的承载轴承。
[0011] X射线和超声波联合测量多相流动参数的装置的测量方法，包括以下步骤，[0012] 步骤一，定义三维笛卡尔坐标，X轴的正轴方向与X光射线发射方向一致，YZ平面与目标区域前后的壁面平行；
[0013] 步骤二，运用X光射线测量获得气液固三相在目标区域YZ平面的含量和分布，同时运用超声波信号测量获得目标区域在多个超声波信号方向上的超声波透射数据；
[0014] 所述运用X光射线测量获得气液固三相在目标区域YZ平面的含量和分布的步骤为：
[0015] A）运用大于60KeV的X光射线测量获得固相在目标区域YZ平面的含量和分布；
[0016] B）运用小于30KeV的X光射线测量获得液固两相在目标区域YZ平面的含量和分布；
[0017] C）将前两步中获得的结果相减，获得液相在目标区域YZ平面的含量和分布；
[0018] D）然后通过总体积减去液固两相在目标区域YZ平面的含量和分布，获得气相在目标区域YZ平面的含量和分布；
[0019] 步骤三，根据获得的气液固三相在目标区域YZ平面的含量和分布，估计气液固三相在目标区域XY平面的含量和分布，然后在此基础上依照超声波衰减规律计算获得在多个超声波信号方向上的超声波透射数据；
[0020] 步骤四，将测量获得的超声波透射数据与计算获得的超声波透射数据进行比较，-4 -4如果两者之间的偏差不小于10 ，则转至步骤五，如果两者之间的偏差小于10 ，转至步骤六；
[0021] 步骤五，利用偏差修正气液固三相在目标区域XY平面的含量和分布的估计值，然后在此基础上依照超声波衰减规律计算获得在多个超声波信号方向上的超声波透射数据，转至步骤四；
[0022] 步骤六，根据估计的气液固三相在目标区域XY平面的含量和分布以及步骤二中获得的气液固三相在目标区域YZ平面的含量和分布获得目标区域中气液固三相在XYZ三维空间内的含量和分布。
[0023] 本发明有益效果：1、本发明可以实现对目标区域中流动参数（含量，分布和运动速度）的非接触式三维测量，克服传统方法对于流动的干扰；2、克服传统单纯X光透射方法空间
精度差和单纯X光断层方法时间精度差的缺点，采用一套X光光源和X光平板探测器，降低使用成本；3、克服传统超声波方法因为固相衰减造成的误差，使得超声波测量方法的使用领域从气液两相拓展至气液固三相，并提高了测量的准确性；4、在获得目标区域YZ平面的气液固三相含量和分布信息后，使用
迭代计算的方法重构出目标区域XY平面的气液固三相含量和分布信息，从而获得目标区域气液固三相含量和分布的三维信息，提高了测量的准确性。
附图说明
[0024] 图1为发射部分和接收部分的结构三视图和立体图，其中（A）为俯视图，（B）为侧视图，（C）为正视图，（D）立体图。
[0025] 图2为X射线和超声波联合测量多相流动参数的装置的结构示意图。
[0026] 图3为角度调节器的结构三视图和立体图。
[0028] 图5为本发明的方法中运用X光射线测量获得气液固三相在目标区域YZ平面的含量和分布的流程图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0030] 如图1和2所示，X射线和超声波联合测量多相流动参数的装置，包括正对布置在目标区域11前后两平行壁面外侧的发射部分和接收部分，所述发射部分包括X光光源1和布置在以X光光源1为圆心的圆周上的多个超声波发生器2，在本
实施例中X光光源1有一个，超声波发生器2有四个，所述X光光源1由可调制高压电源驱动6，所述超声波发生器2与高频驱动器7连接，所述接收部分包括X光平板探测器4和布置在以X光平板探测器4的中心为圆心的圆周上的多个超声波传感器5，本实施例中X光平板探测器4有一个，多个超声波传感器5有四个，所述X光平板探测器4与图像信号采集器8连接，所述超声波传感器5与超声波信号采集器9连接，所述可调制高压电源6、高频驱动器7、图像信号采集器8以及超声波信号采集器9均与处理计算机10连接。
[0031] 上述的X光光源1发出的X光射线穿过目标区域11的中心与X光平板探测器4的中心对准，所述超声波发生器2和超声波传感器5均通过角度调节器3布置，所述超声波发生器2与超声波传感器5一一对应，所述超声波发生器2发出的超声波信号穿过目标区域11的中心被相应的超声波传感器5接收。
[0032] 如图3所示，所述角度调节器3包括用以固定超声波发生器2或超声波传感器5的移动板12、通过连接轴承17与移动板12连接的固定板16、导轨18、丝杠轴承板14、调节丝杠15和承载轴承13，所述导轨18固定在固定板16上，所述导轨18与丝杠轴承板14之间为滑轨结构，所述丝杠轴承板14通过转动调节丝杠15在导轨18上水平移动，所述丝杠轴承板14顶部固定有用以挤压移动板12的承载轴承13。角度调节器3通过通过转动调节丝杠15使丝杠轴承板14在导轨18上水平移动，承载轴承13挤压移动板12使移动板12与固定板16之间的角度发生变化。
[0033] 如图4所示，X射线和超声波联合测量多相流动参数的装置的测量方法，包括以下步骤，
[0034] 步骤一，定义三维笛卡尔坐标，X轴的正轴方向与X光射线发射方向一致，YZ平面与目标区域11前后的壁面平行。
[0035] 步骤二，运用X光射线测量获得气液固三相在目标区域11YZ平面的含量和分布，同时运用超声波信号测量获得目标区域11在多个超声波信号方向上的超声波透射数据。
[0036] 处理计算机10控制高频驱动器7驱动X光光源1周边的四个超声波发生器2，四个超声波发生器2均发出超声波信号穿过目标区域11的中心被相应的四个超声波传感器5接收，超声波传感器5将接收到的超声波信号转化为
电信号，然后将电信号传递给超声波信号采集器9处理，处理后上传给处理计算机10，处理计算机10储存目标区域11在四个方向上的超声波透射数据。
[0037] 如图5所示，所述运用X光射线测量获得气液固三相在目标区域11YZ平面的含量和分布的步骤为：
[0038] A）运用大于60KeV的X光射线测量获得固相在目标区域11YZ平面的含量和分布。
[0039] 处理计算机10发出
控制信号使可调制高压电源6发射出经过调制的高压信号（一般为80KV）驱动X光光源1，X光光源1发出
能量较高（大于60KeV）的X光射线，这些X光射线可以以微小的损失穿透气液两相，但是以较大损失穿透固相，并最终到达X光平板探测器4，X光平板探测器4将接收到的X光射线处理为电信号，并传递给图像信号采集器8转化为图像后上传至处理计算机10，处理计算机10通过分析图像获得能量衰减信息，从而获得固相在目标区域11YZ平面的含量和分布，该步骤持续约5毫秒。
[0040] B）运用小于30KeV的X光射线测量获得液固两相在目标区域11YZ平面的含量和分布。
[0041] 处理计算机10发出控制信号使可调制高压电源6发射出经过调制的低压信号驱动X光光源1，X光光源1发出能量较低（小于30KeV）的X光射线，这些X光射线可以以微小的损失穿透气相，但是以较大损失穿透液相和固相，并最终到达X光平板探测器4，X光平板探测器4将接收到的X光射线处理为电信号，并传递给图像信号采集器8转化为图像后上传至处理计算机10，处理计算机10通过分析图像获得能量衰减信息，从而获得液固两相在目标区域11YZ平面的含量和分布，该步骤持续约5毫秒。
[0042] C）将前两步中获得的结果相减，获得液相在目标区域11YZ平面的含量和分布。
[0043] D）然后通过总体积减去液固两相在目标区域11YZ平面的含量和分布，获得气相在目标区域11YZ平面的含量和分布。
[0044] 步骤三，根据获得的气液固三相在目标区域11YZ平面的含量和分布，估计气液固三相在目标区域11XY平面的含量和分布，然后在此基础上依照超声波衰减规律计算获得在四个超声波信号方向上的超声波透射数据。
[0045] 步骤四，将测量获得的超声波透射数据与计算获得的超声波透射数据进行比较，-4 -4如果两者之间的偏差不小于10 ，则转至步骤五，如果两者之间的偏差小于10 ，转至步骤六。
[0046] 步骤五，利用偏差修正气液固三相在目标区域11XY平面的含量和分布的估计值，然后在此基础上依照超声波衰减规律计算获得在四个超声波信号方向上的超声波透射数据，转至步骤四。
[0047] 步骤六，根据估计的气液固三相在目标区域11XY平面的含量和分布以及步骤二中获得的气液固三相在目标区域11YZ平面的含量和分布获得目标区域11中气液固三相在XYZ三维空间内的含量和分布。
[0048] 如果要获得气液固三相的运动速度，只需在经过Δt时间后，重复以上步骤，获得Δt时间后气液固三相在XYZ三维空间内的含量和分布，将气液固三相在三维空间中各自移动的距离除以Δt，即可获得气液固三相的运动速度。
[0049] 本发明的总体思路是将X光测量和超声测量两种方法结合在一起，实现对目标区域中流动参数（含量，分布和运动速度）的非接触式三维测量，克服传统方法对于流动的干扰，克服传统单纯X光透射方法空间精度差和单纯X光断层方法时间精度差的缺点，采用一套X光光源和X光平板探测器，降低使用成本，克服传统超声波方法因为固相衰减造成的误差，使得超声波测量方法的使用领域从气液两相拓展至气液固三相，并提高了测量的准确性。
[0050] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出多个改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
