一种基于超表面的分布式管道流量监测装置及方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

本发明的装置不需要获取能量驱动有源电路，而且可在管道内不同区域放置不同的超表面结构实现分布式测量，响应速度快，实现对管道内的整体流量监测。

二、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，接收天线采集获得超表面结构的谐振频率，根据接收天线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。

所述步骤4)中，接收天线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。

本发明的方法利用特定的超表面结构压缩谐振频率带宽，来得到相对准确、敏感的变化信号，从而抑制了分布式测量时不同超表面结构之间的互相耦合和干扰，提高了测量精度和灵活性。

综上，本发明通过在管壁内安装超表面结构来测量管道流量，不同流量会使超表面结构发生不同角度的偏转，改变超表面的谐振频率，分别利用超表面偏转角度与管道流量、超表面谐振频率之间的关系，通过在管道内多个位置放置工作在不同谐振频率的超表面结构，可以实现分布式管道流量监测，测量的精度、灵活性大大提升。

本发明的有益效果如下：

本发明所基于的超表面，其谐振频率处的带宽较窄，而在其他频率处较为平坦，改变结构单元的尺寸参数可以使放置在不同位置的超表面结构工作在不同的谐振频率处，而且超表面之间不会互相耦合干扰，因此实现分布式的管道测量监测。

本发明用的介质基板为fr-4，金属为铜，原材料均为pcb板中的常用材料，生产工艺与pcb板工艺兼容，材料轻质、超薄(1mm)。

本发明结构尺寸小，而且多变，改变尺寸参数可以让其工作在不同频段，检测方法的灵活性较高。

本发明通过设计优化超表面结构尺寸和几何形状，实现了一种基于超表面的分布式管道流量监测方法。本方法具有相对简单的结构、超薄的尺寸，低廉的成本，还可灵活调控电磁波，在测量传感器、分布式探测等领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为监测方法测量装置示意图；

图2为超表面单元顶面示意图；

图3为超表面单元底面示意图；

图4为分布式监测的管道俯视图；

图5为分布式监测流程示意图；

图6为分布式监测结果示意图。

其中：1.发射天线，2.接收天线，3.第一超表面，4.第二超表面，5.第三超表面，6.第一分支管道，7.第二分支管道，8.第三分支管道，9.金属栅格，10.主管道，11.泡沫，12.弹簧。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步描述和说明：本实例以本发明技术方案为前提，给出了具体实施方式和操作流程，本发明的保护范围包括但不限于下述实例。

如图1所示，待监测的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，为避免主管道在与各个分支管道相连位置处湍流的影响，如图4所示，超表面结构均正对主管道设置，并且将超表面结构放置于相连位置之后，即主管道的轴线与分支管道轴线的相交区域处。发射天线1和接收天线2分别从主管道的上方打孔插入，为保持管壁的金属特性，将分支管道6、7、8通过金属栅格9从主管道10引出，超表面3、4、5分别安装于主管道10与分支管道6、7、8的交界处，超表面的底面通过泡沫11和弹簧12与主管道管壁实现无电气特性连接。

如图2、图3所示，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(作为超表面结构的顶面)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(作为超表面结构的底面)上的金属贴片为金属栅条。

超表面结构的一边作为固定边与主管道的内管壁连接，超表面结构在流体的作用下绕固定边偏转，超表面结构的底面还通过弹簧12与管内壁连接，流体作用在超表面结构的顶面，弹簧12作用在超表面结构的底面，两者共同作用使超表面发生不同角度的偏转；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。

本发明采用的超表面结构整体尺寸为50×50×1mm³，工作在厘米波长的波段。发射天线1发射1ghz-7ghze极化波，接收天线2接收1ghz-7ghze极化波，3、4、5为工作在不同谐振频率的超表面，6、7、8为分支管道，9为金属栅格，10为主管道。

超表面的结构单元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。

如图3所示，本实例所设计的三种超表面，其结构单元的底面均为宽度为w＝0.5mm，间距为gap＝2mm的金属栅条。本发明所基于的超表面，由于其底面金属栅条的存在，电磁波在穿透超表面结构以后，其能量不会发生明显的衰减。通过改变结构单元的尺寸参数，使各个超表面结构工作在不同的谐振频率，不会互相耦合、干扰。

具体实施中，第一超表面3的谐振频率为2.18ghz，结构参数为a＝3.8mm，b＝0.3mm，c＝7mm，m＝3mm，e＝3mm，f＝2.3mm，g＝2.5mm，h＝1.5mm。

第二超表面4的谐振频率为3.85ghz，结构参数为a＝3.8mm，b＝0.3mm，c＝8mm，m＝3mm，e＝3mm，f＝2.5mm，g＝2.5mm，h＝1.8mm。

第三超表面5的谐振频率为5.45ghz，结构参数为a＝3.8mm，b＝0.3mm，c＝9mm，m＝3mm，e＝3mm，f＝2.8mm，g＝2.5mm，h＝2.2mm，三种超表面各自的结构单元沿x和y方向按周期l＝10mm排列。

具体实施中，金属贴片的金属采用铜质贴片，厚度为0.018mm，采用的介质基板为fr-4，相对介电常数为4.3，损耗正切角0.025，介质基板厚度为1mm。超表面在x方向和y方向单元数量一致，均为5个。

如图1、图4所示，本实例通过发射天线1向第一、第二、第三超表面3、4、5发射一定频段的e极化电磁波，当超表面结构相对管壁发生角度偏转时，接收天线2采集到的超表面谐振频率会改变，在主管道10与分支管道6、7、8的分界处放置谐振频率分别为2.18ghz的第一超表面3，谐振频率为3.85ghz的第二超表面4和谐振频率为5.45ghz的第三超表面5，接收天线2采集反射电磁信号的谐振频率变化。

如图4所示，本实例实施过程中，当分支管道6、7、8有流量汇入/汇出时，主管道10与分支管道6、7、8分界处流量会发生变化，导致超表面结构相对管壁发生不同角度的偏转，从俯视角度，将第一、第二、第三超表面3、4、5的偏转角度分别用α、β、γ表示。发射天线1向超表面3、4、5发射一定频段的电磁波，当超表面结构相对管壁发生角度偏转时，超表面的谐振频率会改变，通过在不同区域放置尺寸参数不同的超表面结构，利用接收天线2采集超表面结构的谐振频率，再经接收机后处理可实现分布式管道流量监测。

本发明通过发射天线向超表面发射一定频段的电磁波，当超表面结构相对管壁发生角度偏转时，超表面的谐振频率随之改变，导致通带偏移。本发明利用超表面结构在管道内不同偏转角度下谐振频率发生偏移的特性，通过在不同区域放置尺寸参数不同的超表面结构，利用接收天线采集超表面谐振频率的改变特征，再经接收机后处理可实现分布式管道流量监测。

如图5所示，本发明的流量监测方法具体如下：

步骤1)在每个分支流道与主流道的相接位置之后设置超表面结构，调整每个超表面结构的尺寸参数使各个分支流道的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)对每个超表面结构进行标定；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：管道内不同流量使超表面结构在弹簧(12)的作用下偏转不同的角度，通过多项式拟合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波信号，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，通过多项式拟合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))；

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，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反射电磁信号，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)将采集到的超表面结构的谐振频率发送到接收机，经过接收机后处理得到调频信号包络，结合步骤2)得到的管道流量与超表面谐振频率的标定关系q＝m(n(f))，完成分布式的管道流量监测。

本发明的测量结果如图6所示，超表面的谐振频率随偏转角度单调变化，分布式流量监测时，通过接收端采集的反射电磁信号的谐振频率变化信息，接收机后处理得到调频信号包络。图6也显示，超表面在谐振频率处的带宽极窄，而在其他频率处较为平坦，不同超表面之间可以独立工作、互不影响。结合前述超表面偏转角度与反射电磁信号、以及管道流量与偏转角度的标定关系，完成分布式的管道流量监测。

本发明的超表面结构由于其顶面的类螺旋线和底面的金属栅条结构而具有使一定频段的入射电磁波在特定频率处被显著反射吸收的谐振特性。基于超表面结构的谐振特性，本发明通过对各个超表面结构进行尺寸参数和几何形状的调整来优化设计超表面结构，压缩了各个谐振频率的带宽，得到了相对准确、敏感的变化信号，从而抑制了分布式测量时不同超表面结构之间的互相耦合和干扰，提高了测量精度和灵敏度。