[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

说明书

本发明公开了一种基于超表面的分布式管道流量监测装置及方法。所基于的超表面具有的谐振特性，会对特定频率的入射电磁波具有显著的反射吸收特性，将不同单元尺寸的超表面结构置于金属管道或金属外壳包裹的管道内的不同位置，并用一定频段的发射天线向其发射宽频/扫频电磁波。超表面结构的一边作为固定边与主管道的内管壁连接，底面通过弹簧与内管壁连接，超表面结构在流体和弹簧的作用下具有不同的偏转角度，其谐振频率会发生改变，通过接收机采集、校准和标定，可实现分布式管道流量监测。本发明具有检测成本低、精度高、方式灵活的优点。

技术领域

本发明属于利用电磁波特性进行物质状态测量的技术领域，具体为一种基于超表面的分布式管道流量监测装置及方法。

背景技术

超材料通常定义为通过特定几何形状的宏观基本单元的周期性或非周期性排布阵列，从而具有超常电磁特性的人工复合结构。二维超材料，也就是超表面，可以通过改变阵列谐振单元的几何形状，进而灵活地操控电磁波。

在管道流量监测领域，传统方法主要基于悬浮颗粒或气泡对超声波反射的原理，以多普勒信息窗内粒子反射出来的平均频率等效整个管道内粒子反射出来的平均频率来计算管道流量，在低流速或小口径测量方面精度较低。除此外还有利用水力学法的计量堰测流法，让水流过堰槽的收缩断面并控制水流，利用水流通过断面最狭窄部分时，出现的稳定水位-流量关系来计算流量。该法为保证精度需要监测断面上游水流平缓且稳定。此外，当有分支管道流量汇入/汇出时，主管道内流量会发生突变，此时上述传统方法将难以准确测定流量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种新型的基于超表面的分布式管道流量监测装置及方法，检测精度高，原料易获取，整体结构简单、轻质、微型、易加工。

本发明基于如下原理：等效为波导的金属管道或金属外壳包裹的管道具有截止频率，低于截止频率时，电磁波无法有效传输，具体体现为全反射，反射系数S₁₁值接近0dB，此时如果在探测端口附近管道内放置具有磁谐振效应的超表面结构，当超表面谐振频率低于截止频率时，反射系数在谐振频率附近可形成反射吸收峰，具体体现为S₁₁值显著减小，从而在电磁波传输禁带中形成通带。

本发明利用此原理提出的技术方案如下：

一、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(即垂直于主管道的轴线方向设置)，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与内管壁连接，超表面结构在管道内流体和弹簧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和接收天线，发射天线向超表面结构发射电磁信号，接收天线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(x方向)和垂直方向(y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。

所述的介质基板采用FR-4，金属贴片采用的金属为铜。