基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)及方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)提供的基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)及方法，其系統(tǒng)包括換能器Ⅰ、換能器Ⅱ和處理器，所述換能器Ⅰ和換能器Ⅱ分別設(shè)置于被測管道外部的異側(cè)且工作表面與被測管道不接觸，根據(jù)改變超聲波的傳播方向，獲取兩次獲取的Lamb波信號獲取管道內(nèi)流體流量的流速；本發(fā)明專利技術(shù)無需打開管道，免去耦合劑并且直接反映流速大小，安裝過程不需要復(fù)雜的機(jī)械加工以及打斷現(xiàn)場的工作，完全擺脫耦合劑的使用，節(jié)省了人力和物力成本，提高了測量的準(zhǔn)確性，使得本發(fā)明專利技術(shù)中的高效的流體流量測量系統(tǒng)具有重要的市場經(jīng)濟(jì)價值。

Non contact flow measurement system and method based on Lamb wave

Lamb wave non-contact flow measurement system and method based on the provided by the invention, the system comprises a transducer and transducer I, II processor, the transducer I and II transducer are respectively arranged on the measured pipe outside the opposite side and the working surface and the measured pipe does not contact, according to the propagation direction of ultrasonic, access Lamb wave two times obtained fluid flow in pipe flow; the invention does not need to open the pipeline, replacing the coupling agent and directly reflect the flow velocity, the installation process does not require machining complex and interrupt the work of the scene, completely free from the use of coupling agent, save the cost of manpower and material resources, and improve the measurement the accuracy of the market has an important economic value in the present invention makes efficient fluid flow measurement system.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及工業(yè)自動化檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)及方法。
技術(shù)介紹
超聲波流量儀表是以“速度差法”為原理，測量圓管內(nèi)液體流量的儀表。它采用多脈沖技術(shù)、信號數(shù)字化處理技術(shù)及糾錯技術(shù)，使流量儀表更能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境，計(jì)量更方便、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確。產(chǎn)品達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、給排水等領(lǐng)域，其中，夾持式超聲波流量計(jì)具有便攜可靠的優(yōu)點(diǎn)，其安裝過程并不需要復(fù)雜機(jī)械加工以及工藝，另外對于安裝位置也沒有特殊的要求。但是，為了獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果，需要加強(qiáng)超聲波的傳播，因此在流量計(jì)的換能器與管壁之間仔細(xì)涂抹耦合劑，排除間隙中的空氣，減小聲阻抗差異。但是，在使用耦合劑的過程中，需要根據(jù)現(xiàn)場工況的溫度以及使用的時限來選取，并且還需要注意以下問題：比如涂抹量，氣泡是否排除，環(huán)境中的灰塵，以及使用人員對其的過敏反應(yīng)等，因此，如果想要合理使用耦合劑，需在前期做大量繁雜且耗時的準(zhǔn)備工作。Lamb波指因物體兩平行表面所限而形成的縱波與橫波組合的波，它在整個物體內(nèi)傳播，質(zhì)點(diǎn)作橢圓軌跡運(yùn)動，是一種在板狀結(jié)構(gòu)中傳播的特殊波形，傳統(tǒng)的夾持式超聲波流量計(jì)普遍采用縱波以及剪切波，相比而言，Lamb波可以在管壁中傳播很長的距離，并且同時向鄰近的介質(zhì)中(例如空氣)中泄漏部分能量，形成一系列高能平面波(泄漏Lamb波)。因此，將Lamb波應(yīng)用于超聲波流量計(jì)，更多的能量可以進(jìn)入流動介質(zhì)中。換而言之，發(fā)生共振的管壁本身可以作為換能器而不斷向中間的流體投射能量。例如德國FLEXIM公司的便攜式氣體流量計(jì)，采用了Lamb波的換能器，不過該裝置仍需要耦合劑。即便如此，得益于管壁的共振，Lamb波的傳遞效率仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的剪切波和縱波。因此，亟需開發(fā)一種非接觸，無耦合劑并且高效的流體流量測量系統(tǒng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)提供一種基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)及方法，以解決上述問題。本專利技術(shù)提供的基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)，包括換能器Ⅰ、換能器Ⅱ和處理器，所述換能器Ⅰ和換能器Ⅱ分別設(shè)置于被測管道外部的異側(cè)且工作表面與被測管道不接觸；將所述換能器Ⅰ作為超聲波發(fā)射端，換能器Ⅱ作為接收端，獲取Lamb波信號，再將換能器Ⅱ作為發(fā)射端，換能器Ⅰ作為接收端，重新獲取Lamb波信號，處理器根據(jù)兩次獲取的Lamb波信號獲取管道內(nèi)流體流量的流速。進(jìn)一步，通過所述換能器Ⅰ發(fā)出超聲波，通過管壁激勵出第一個Lamb波，第一個Lamb波的泄露能量穿過管道中的流體，進(jìn)入到另一管壁中，激勵出第二個Lamb波，換能器Ⅱ接收第二個Lamb波信號，再將所述換能器Ⅱ作為發(fā)射端，換能器Ⅰ作為接收端，使超聲波在管道中反向傳播，重新上述過程并重新獲取Lamb波信號，根據(jù)兩次獲取的Lamb波信號獲取管道內(nèi)流體流量的平均流速。進(jìn)一步，所述管道內(nèi)流體流量的平均流速通過如下公式獲取： V a = c · cos β 2 D 0 C g · Δ t ]]>其中，Va是流體的平均速度，c是超聲波在流體中的傳播速度，β是泄漏Lamb波在流體中的傳播方向角，Cg是Lamb波在管壁中的群速度，△t是逆流、順流條件下的時間差，D0是管道直徑。進(jìn)一步，換能器Ⅰ和換能器Ⅱ分別與管壁的指向角為10度到60度。進(jìn)一步，還包括放大器Ⅰ和放大器Ⅱ，所述放大器Ⅰ和換能器Ⅰ連接，所述放大器Ⅱ和換能器Ⅱ連接，用于對接收的Lamb波信號進(jìn)行放大處理。本專利技術(shù)還提供一種基于Lamb波的非接觸式流體流量測量方法，包括在被測管道外部分別設(shè)置換能器Ⅰ和換能器Ⅱ，所述換能器Ⅰ和換能器Ⅱ分別設(shè)置在被測管道的異側(cè)且工作表面與被測管道不接觸，將所述換能器Ⅰ作為超聲波發(fā)射端，換能器Ⅱ作為接收端，獲取Lamb波信號，再將換能器Ⅱ作為發(fā)射端，換能器Ⅰ作為接收端，重新獲取Lamb波信號， 處理器根據(jù)兩次獲取的Lamb波信號獲取管道內(nèi)流體流量的流速。進(jìn)一步，通過所述換能器Ⅰ發(fā)出超聲波，通過管壁激勵出第一個Lamb波，第一個Lamb波的泄露能量穿過管道中的流體，進(jìn)入到另一管壁中，激勵出第二個Lamb波，換能器Ⅱ接收第二個Lamb波信號，再將所述換能器Ⅱ作為發(fā)射端，換能器Ⅰ作為接收端，使超聲波在管道中反向傳播，重新上述過程并重新獲取Lamb波信號，根據(jù)兩次獲取的Lamb波信號獲取管道內(nèi)流體流量的平均流速。進(jìn)一步，所述管道內(nèi)流體流量的平均流速通過如下公式獲取： V a = c · cos β 2 D 0 C g · Δ t ]]>其中，Va是流體的平均速度，c是超聲波在流體中的傳播速度，β是泄漏Lamb波在流體中的傳播方向角，Cg是Lamb波在管壁中的群速度，△t是逆流、順流條件下的時間差，D0是管道直徑。進(jìn)一步，換能器Ⅰ和換能器Ⅱ分別與管壁的指向角為10度到60度。進(jìn)一步，還包括設(shè)置放大器Ⅰ和放大器Ⅱ，所述放大器Ⅰ和換能器Ⅰ連接，所述放大器Ⅱ和換能器Ⅱ連接，用于對接收的Lamb波信號進(jìn)行放大處理。本專利技術(shù)的有益效果：本專利技術(shù)中的基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)，無需打開管道，免去耦合劑并且直接反映流速大小，安裝過程不需要復(fù)雜的機(jī)械加工以及打斷現(xiàn)場的工作，完全擺脫耦合劑的使用，并且利用Lamb波 的管壁共振特征，向流體投射更多的能量，提高信號強(qiáng)度，另外可用于傳統(tǒng)超聲波流量計(jì)難以適用的高溫環(huán)境，方便為后端的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化提供有效的技術(shù)支持，本專利技術(shù)避免了在測試工作前期做大量繁雜且耗時的準(zhǔn)備工作，節(jié)省了人力和物力成本，提高了測量的準(zhǔn)確性，使得本專利技術(shù)中的高效的流體流量測量系統(tǒng)具有重要的市場經(jīng)濟(jì)價值。附圖說明下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本專利技術(shù)作進(jìn)一步描述：圖1是本專利技術(shù)的原理示意圖。圖2是本專利技術(shù)在逆流條件下的測量信號延時原理示意圖。圖3是本專利技術(shù)在順流條件下的測量信號延時原理示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本專利技術(shù)作進(jìn)一步描述：圖1是本專利技術(shù)的原理示意圖；圖2是本專利技術(shù)在逆流條件下的測量信號延時原理示意圖；圖3是本專利技術(shù)在順流條件下的測量信號延時原理示意圖。如圖1所示，本實(shí)施例中的基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)包括換能器Ⅰ1、換能器Ⅱ2和處理器，所述換能器Ⅰ1和換能器Ⅱ2分別設(shè)置于被測管道外部的異側(cè)且工作表面與被測管道不接觸，工作表面指的是換能器發(fā)射端或接收端的表面，將換能器Ⅰ1作為超聲波發(fā)射端，換能器Ⅱ2作為接收端，獲取 Lamb波信號，再將換能器Ⅱ2作為發(fā)射本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)，其特征在于：包括換能器Ⅰ、換能器Ⅱ和處理器，所述換能器Ⅰ和換能器Ⅱ分別設(shè)置于被測管道外部的異側(cè)且換能器Ⅰ和換能器Ⅱ的工作表面與被測管道不接觸；將所述換能器Ⅰ作為超聲波發(fā)射端，換能器Ⅱ作為接收端，獲取Lamb波信號，再將換能器Ⅱ作為發(fā)射端，換能器Ⅰ作為接收端，重新獲取Lamb波信號，處理器根據(jù)兩次獲取的Lamb波信號獲取管道內(nèi)流體流量的流速。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)，其特征在于：包括換能器Ⅰ、換能器Ⅱ和處理器，所述換能器Ⅰ和換能器Ⅱ分別設(shè)置于被測管道外部的異側(cè)且換能器Ⅰ和換能器Ⅱ的工作表面與被測管道不接觸；將所述換能器Ⅰ作為超聲波發(fā)射端，換能器Ⅱ作為接收端，獲取Lamb波信號，再將換能器Ⅱ作為發(fā)射端，換能器Ⅰ作為接收端，重新獲取Lamb波信號，處理器根據(jù)兩次獲取的Lamb波信號獲取管道內(nèi)流體流量的流速。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)，其特征在于：通過所述換能器Ⅰ發(fā)出超聲波，通過管壁激勵出第一個Lamb波，第一個Lamb波的泄露能量穿過管道中的流體，進(jìn)入到另一管壁中，激勵出第二個Lamb波，換能器Ⅱ接收第二個Lamb波信號，再將所述換能器Ⅱ作為發(fā)射端，換能器Ⅰ作為接收端，使超聲波在管道中反向傳播，重新上述過程并重新獲取Lamb波信號，根據(jù)兩次獲取的Lamb波信號獲取管道內(nèi)流體流量的平均流速。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)，其特征在于：所述管道內(nèi)流體流量的平均流速通過如下公式獲取：其中，Va是流體的平均速度，c是超聲波在流體中的傳播速度，β是泄漏Lamb波在流體中的傳播方向角，Cg是Lamb波在管壁中的群速度，△t是逆流、 順流條件下的時間差，D0管道直徑。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)，其特征在于：換能器Ⅰ和換能器Ⅱ分別與管壁的指向角為10度到60度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Lamb波的非接觸式流體流量測量系統(tǒng)，其特征在于：還包括放大器Ⅰ和放大器Ⅱ，所述放大器Ⅰ和換能器Ⅰ連接，所述放大器Ⅱ和換能器Ⅱ連接，用于對接收的Lamb波信號進(jìn)行放大處理...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：范子川，
申請(專利權(quán))人：西南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：重慶;50