[发明专利]一种基于超表面的分布式管道流量监测装置及方法

权利要求书

1.一种基于超表面的分布式管道流量监测装置，管道包括主管道以及多个分支管道，管道为金属管道或金属外壳包裹的管道，主管道的两端设有流体的出入口作为主流道，每个分支管道的一端与主管道连通，另一端与外界连通作为分支流道的流体出入口，其特征在于：主管道内设有多个超表面结构，多个超表面结构分别依次放置在各个分支管道与主管道的交界区域处，并且每个超表面结构均正对主管道设置，超表面结构的一边作为固定边与主管道的内管壁连接，超表面结构另一侧的表面通过弹簧(12)与内管壁连接，超表面结构在管道内流体和弹簧(12)的作用下具有不同的偏转角度；主管道内还安装有发射天线(1)和接收天线(2)，发射天线(1)向超表面结构发射电磁信号，接收天线(2)采集经超表面结构反射后的反射电磁信号；

所述的超表面结构主要由若干个相同的结构单元以周期排列方式构成，每个结构单元包括两层金属贴片和一层介质基板，两层金属贴片分别设置在介质基板的两侧表面上，介质基板一侧表面上的金属贴片包括两个共平面且对称分布的贴片组，每个贴片组包括两个相同的类螺旋线贴片，两个类螺旋线贴片的外圈的端部相连；介质基板另外一侧表面上的金属贴片为金属栅条；

所述的周期排列方式是指结构单元沿水平方向和垂直方向等距排列，尺寸参数包括结构单元的整体外轮廓尺寸、相邻两个贴片组的间距、类螺旋线贴片的结构尺寸、两个类螺旋线贴片的相连长度；通过改变结构单元的尺寸参数或排列周期来调节超表面结构的谐振频率。

2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的分布式管道流量监测装置，其特征在于：所述的介质基板采用FR-4，金属贴片采用的金属为铜。

3.应用于权利要求1-2任一所述装置的一种基于超表面的分布式管道流量监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)在每个分支流道与主流道的交界区域处均设置一个超表面结构，调整每个超表面结构的尺寸参数使各个超表面结构工作在不同的谐振频率且不会互相干扰；

步骤2)对所有超表面结构均采用相同方法进行标定，单个超表面结构的标定方法具体为：

首先，对管道流量与超表面结构的偏转角度的关系进行标定：管道内不同流量和弹簧(12)的共同作用导致超表面偏转不同的角度，采用多项式拟合的方法建立管道流量与超表面的偏转角度的标定关系：q＝m(θ),θ∈[0,90°]其中q代表管道流量，θ代表偏转角度，m(θ)代表流量-角度拟合多项式；

接着对超表面的偏转角度与谐振频率的关系进行标定：发射天线(1)向超表面结构发射电磁信号，改变超表面结构的偏转角度使超表面的谐振频率随之发生改变，接收天线(2)采集获得超表面结构的谐振频率，根据接收天线(2)采集获得的谐振频率值建立超表面的偏转角度与谐振频率的标定关系：θ＝n(f)，其中f代表谐振频率，n(f)代表角度-频率拟合多项式；

最终得到管道流量与超表面谐振频率的标定关系：q＝m(n(f))，m(n(f))表示流量-频率拟合多项式；

步骤3)流体从主管道的一端流入后从主管道的另一端以及各个分支管道流出，分支管道流量的汇入或汇出使超表面结构所在位置处的管道流量发生变化，发射天线(1)向各个超表面结构发射电磁波信号，由于各个超表面结构所在位置处的管道流量不同，因此各个超表面结构偏转的角度不同，接收天线(2)实时接收来自各个超表面结构的谐振频率信号，从而得到各个超表面结构在对应偏转角度下的谐振频率；

步骤4)将接收到的各个超表面结构的谐振频率根据步骤2)得到的各自的标定关系q＝m(n(f))得到各个分支流道的管道流量，完成分布式的管道流量监测。

4.根据权利要求3所述的一种基于超表面的分布式管道流量监测方法，其特征在于，其特征在于：所述步骤4)中，接收天线(2)将采集到的各个超表面结构的谐振频率信号发送到接收机进行处理后得到各个谐振频率信号对应的调频信号包络，再根据步骤2)的标定关系完成对分布式管道的流量监测。