[发明专利]套管装置超声波实验装置及其实验方法

权利要求书

1.一种套管装置超声波实验装置，其特征在于：利用了高低频声波的不同特性，即高频声波信号强易反射，低频声波穿透性强；

所述套管装置超声波实验装置包括高频换能器(2)、低频换能器(2’)、同侧接收器(3)、对侧接收器(1)、放大器(4)和信号处理系统(5)；其中高频换能器(2)和低频换能器(2’)安装在套管装置同一位置，高频换能器(2)和低频换能器(2’)与同侧接收器(3)安装在套管装置同一母线上，对侧接收器(1)安装低频换能器(2’)对侧即低频换能器(2’)和套管装置轴线的连线与对侧接收器(1)和套管的连线夹角为180°，同侧接收器(3)和对侧接收器(1)同时安装在高频换能器(2)和低频换能器(2’)上游位置或下游位置，高频换能器(2)和低频换能器(2’)与对侧接收器(1)轴线与套管装置轴线夹角为45°，同侧接收器(3)轴线与套管装置轴线夹角为-45°；所述高频换能器(2)发射高频信号，高频信号到达套管装置内管外壁发生反射最终信号被同侧接收器(3)接收；所述低频换能器(2’)发射低频信号，低频信号经套管装置外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被对侧接收器(1)接收；所述高频换能器(2)、低频换能器(2’)、同侧接收器(3)和对侧接收器(1)均连接放大器(4)的输入端，放大器(4)的输出端连接信号处理系统(5)。

2.根据权利要求1所述的一种套管装置超声波实验装置，其特征在于：所述高频换能器(2)发射的高频信号选取具有良好反射性的频段，高频信号频率不低于100kHz。

3.根据权利要求1所述的一种套管装置超声波实验装置，其特征在于：所述低频换能器(2’)发射的低频信号选取具有良好穿透性的频段，信号频率不低于20kHz。

4.根据权利要求1所述的一种套管装置超声波实验装置，其特征在于：所述同侧接收器(3)能够同时作为高频换能器发射高频信号，高频信号到达套管装置内管外壁发生反射最终信号被高频换能器(2)接收，目的是为了提高套管装置超声波实验装置的精度，分别计算声波流体的顺逆流的时间差计算流体流速。

5.根据权利要求1所述的一种套管装置超声波实验装置，其特征在于：所述对侧接收器(1)同时作为低频换能器发射低频信号，低频信号经套管装置外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被低频换能器(2’)接收，目的是为了提高套管装置超声波实验装置的精度，分别计算声波流体的顺逆流的时间差计算流体流速。

6.权利要求1所述的一种套管装置超声波实验装置的实验方法，其特征在于：通过利用高频声波信号强易反射，低频声波穿透性强的特性，并采用同步信号解析套管装置复杂流动；高、低频信号同时发出，高频信号在内管外壁反射，反射信号被同侧接收器(3)接收，低频信号穿透内管壁经外层环流、内管管壁、内管内流体、内管管壁、外层环流最终信号被对侧接收器(1)接收；首先根据高频信号发出和接收的时差计算环流即内管与外管之间的流体流速，其次结合高频信号反馈的环流流速以及低频信号发出和接收的时差计算内管内流量。

7.根据权利要求6所述的一种套管装置超声波实验装置的实验方法，其特征在于：试验开始前对实验装置进行校准、接收器精度检测、信号处理系统稳定性检测；实验方法具体包括以下步骤：

S1、调节高频换能器(2)和低频换能器(2’)功率，观察同侧接收器(3)和对侧接收器(1)的接收信号，保证选定工作功率下具有大的信噪比使接收器能够接受到较为清晰的信号；

S2、标定高频换能器(2)-同侧接收器(3)测量的流量，给定已知的额定流量，通过高频换能器(2)发出高频信号和同侧接收器(3)接收高频信号的时间差计算测量流量；按照额定流量与测量流量的比值给定修正系数，该流量标定在套管装置上完成；

S3、标定低频换能器(2’)-对侧接收器(1)测量的流量，给定已知的额定流量，通过低频换能器(2’)发出低频信号和对侧接收器(1)接收低频信号的时间差计算测量流量；按照额定流量与测量流量的比值给定修正系数，高频信号给出了环流对声波信号的影响，因此低频信号的流量标定在单圆管上完成；

S4、套管装置内两种不同状态的流动的计算方法：放大器(4)分别将接收到的高频换能器(2)、低频换能器(2’)、同侧接收器(3)和对侧接收器(1)的信号进行放大并将放大后的信号传输给信号处理系统(5)，信号处理系统(5)接收到放大器(4)传递的信号后，首先通过高频信号的传输时差求解环流流体的流速，计算环流流体的流量；通过低频信号传输时差计算等效流速，低频信号的传输时差由三部分组成：第一部分是低频信号在环流流体中的传播，第二部分是低频信号在内管管壁中的传播，第三部分是低频信号在内管内流体中的传播；其中，声音在环流流体中的传播时差已通过高频信号计算得出，声音在管壁金属传播的时间为常数，因此能够求解内管内流量，再通过对时间进行积分得出套管装置内两种流动状态的流量，具体计算方法如下：

D₁，D₂为外管外径和内径，d₁，d₂为内圆管的外径和内径，α为高频换能器和低频换能器与同侧接收器轴线与套管装置轴线的夹角，L₁为高频换能器和低频换能器与同侧接收器之间的距离，L₂为高频换能器和低频换能器与对侧接收器之间的距离，S₁为反射信号，S₂穿透信号，c为声速，u为流体的流速；其中高频声波在内管外壁处发生反射，反射信号S₁由同侧接收器接收，发射信号和接收信号的时差表示为：

事实上，换能器也是接收器，通常都采用双向信号最终取平均值的办法来减小误差；通过测量得到低频信号总的传输时间T_t；总的传输时间包括三部分：第一部分是低频信号在环流流体中传输所用的时间T₁’，第二部分是低频信号在金属管壁上传输所用的时间T’，第三部分是低频信号在内管内流体中传输所用的时间T₂，即：

T_t＝T₁'+T₂+T' (2)

因为管壁的厚度与整个通道的直径相比要小的多，另外，声音在固体中的传播速度比流体中大的多，因此声音在金属管道上传输的时间T’非常小，在计算中忽略；而T₁’近似等于T₁；反射信号S₁的传输路程与穿透信号S₂在外层流体中传输的距离和产生的效果是相同的，假设信号在传输过程中的微小时间段内流体的速度不发生变化，那么有：

T₁＝T₁' (3)

基于以上结论，公式(2)简化为：

T₂＝T_t-T₁ (4)

其中T_t以及T₁分别是对侧接收器(1)接收到低频信号与低频换能器(2’)发出的低频信号的时间差以及同侧接收器(3)接收到高频信号与高频换能器(2)发出的高频信号的时间差，都是已知量，因此得到T₂的值；T₂表示为：

将公式(4)带入公式(5)化简得内管内的流速u_h的表达式为：

从表达式中能够看出u_h根据测量值计算；值得注意的是，公式中用的声速c是相同的，在实际应用时应替换为声音在该材料下的声速。