CN104215356A - 一种基于超声波的管道流体温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声波的管道流体温度测量方法。本发明通过计算超声波脉冲从管道下游超声波探头到上游超声波探头间的单向传播时间t(或者是下游超声波探头从发射超声波脉冲到接收回波信号的时间)，利用高精度流量计得出的流体速度V，推导出实时波速C，通过查询波速与流体温度的关系表得到实时温度。通过使用流速V和单向传播时间(或回波时间)t的计算，有效的减小了通常双向传播时间计算方法精度低引起的误差，减小了数据采集和处理工作量，利用多组波速修正的方法提高了测量结果的精度。

Description

一种基于超声波的管道流体温度测量方法

技术领域

本发明涉及流体温度测量领域，具体涉及一种基于超声波的管道流体温度测量方法。

技术背景

超声波在同一介质中的波速随着介质温度变化而变化，利用这个特性可以快速、精确地测量工业现场管道中流体的瞬时温度。它具有对被测液体无干扰，响应时间快并且能够适应复杂工业环境的特点，在过去的几十年里逐渐演变成了一种新的测温技术手段。

超声波温度测温的方法主要是时移法，基本原理是：某种流体在管道中以一稳定的速度流动，当超声波传播方向与流体流动方向一致时，超声波传播速度随流体速度增加而增加；当超声波传播方向与流体流动方向相反时，超声波转播速度随流体速度增加而减小。通过超声波脉冲在流体中顺流和逆流传播的时间差来推导出超声波实际波速，然后通过查询流体温度与超声波波速关系表得出流体实际温度。

其测温原理是：将两个超声波探头以一定倾角安装在管道两侧，上游的超声波探头发射一组脉冲信号并由下游的超声波探头接收，可得顺流传播时间t1；同时下游的超声波探头发射一组脉冲信号并由上游的超声波探头接收，可得逆流传播时间t2；通过下述方法可求得超声波在流体中波速：

超声波从上游到下游的传播时间：

超声波从下游到上游的传播时间：

其中L为两个超声波探头之间距离，X为两个超声波探头沿流体流动方向上的距离，C是超声波实时波速，V是流体实时流速。

由上述公式可推导出超声波实时波速：

基于C-T的关系，只要测得超声波顺流时间t1，逆流时间t2和超声探头间距离L，即可由波速查表得出流体温度。

时移法虽然避免了流速变化对温度测量精度的影响，但是在实际测量中需要同时控制两个超声波探头的信号收发，受到电路板和超声波探头本身的干扰较大，很难获得非常清晰的波形，在波形的分析中提取的时间信号有较大的误差，而超声波测量温度通常要精确到微秒级别，一个很小的时间误差就能使推导出的温度较大的偏离真实温度；此外，使用的超声波探头的频率一般较高，使用两个超声波探头同时收发信息时信息量非常大，大大增加了处理器的工作量。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供一种新的超声波测量流体温度的方法。该发明在很大程度上改善了因测得时间不精确产生的温度误差，提升了温度测量精度；有效的降低了信号采集量，减轻了处理器的工作量。

本发明主要包括高精度流量计、超声波测温探头、数据采集卡和计算机。

所述的高精度流量计用于提供实时的流体流速，通常工业生产管路中都有精度较高的流量计量装置，其终端连接计算机，用于实时获取实时流速信息V；超声波探头与驱动设备连接，由驱动设备控制超声波探头发射脉冲；数据采集卡与计算机连接，传输接收到的超声波脉冲信号；计算机用于存储和处理从数据采集卡中获取的信息和控制脉冲信号的发射。

上述装置在本发明中的具体使用方式如下：

1.采用一个超声波探头测温方式：将收发一体式超声波探头以一定倾角安装在管壁上，探头表面与流体接触，在探头正对面管壁上开一凹槽，凹槽表面平整且垂直于超声波入射方向，超声波由探头发出经凹槽反射再由探头接收总时间为t；

由公式：超声波顺流传播时间： $t1=\frac{L}{C-V(X/L)}---\left(1\right)$

超声波逆流传播时间： $t2=\frac{L}{C+V(X/L)}---\left(2\right)$

其中L为探头与凹槽表面间距离，X为探头与凹槽间轴向距离，V为流体流速，C为超声波在流体中的实际速度；

可得： $t=t1+t2=\frac{L}{C-V(X/L)}+\frac{L}{C+V(X/L)}$

化简得： $C^2-\frac{2L}{t}C-V^2{\left(\frac{X}{L}\right)}^2=0$

由该一元二次方程的判别式知其定有实根，又超声波波速为正值，故解之得超声波实际波速：

存储30组波速数据，进行误差修正，最终确定实时波速C，通过查询流体温度与波速的关系表可以得出流体实际温度。

2.采用两个超声波探头测温方式：将两个超声波探头以一定倾角安装在管道两侧，探头表面与流体接触，下游探头用于发射脉冲信号，上游探头接收脉冲信号。

通过计算机的软件编程给出一个信号并记录实时时间t，传输至驱动设备，控制下游超声波探头发射一组超声波脉冲信号，该组信号通过管道中流体并由上游的超声波探头接收。上游的超声波探头接收到的脉冲信号由数据采集卡采集，并传输至计算机储存和处理，计算出这组脉冲信号接收到的时刻t’，然后得出超声波逆流传播时间t2＝t’-t。

由上述超声波从下游传播到上游的时间公式：

可以看出t2，L，V，X是已知量，通过计算机计算出实时波速：

存储30组波速数据，进行误差修正，最终确定实时波速C，通过查询流体温度与波速的关系表可以得出流体实际温度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用可拆卸式超声波探头，管壁上空腔固定位置的设计便于探头和温度校准装置的拆卸；2、本发明通过采集单组超声波信号的方式，有效的减小了数据采集和处理的工作量；3、本发明通过只计算一组传播时间(t或t2)的方式，有效的减小了因波形不清晰而导致的双向时间(t1和t2)计算带来的误差；4、在每一组的波速计算中采用多组测量并误差修正的方式，提高了查表求温度的精度。

附图说明

图1为本发明方法一的超声波探头安装基本示意图。其中1-1、第一标准法兰，1-2、第二标准法兰，2-1、凹槽，2-2、下游空腔。

图2为本发明方法二的超声波探头安装基本示意图。其中3-1、第三标准法兰，3-2第四标准法兰，4-1、上游空腔，4-2、下游空腔。

图3为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行更加详细的说明。

1、结合图1说明：第一标准法兰端作为流体流入口，第二标准法兰端作为流体流出口，两端法兰与管道连接；凹槽用于反射超声波脉冲，下游空腔用于安装收发一体式超声波探头，探头表面与流体接触，凹槽与空腔在同一直线上，与管道径向成20度倾角。

上述装置的使用方法主要包括以下步骤：

采用一个超声波探头测温方式：

①开启系统，将L和X输入计算机，并给出温度补偿，其中L是超声波探头与凹槽表面间距离，X是超声波探头与凹槽中心的轴向距离。

②软件程序主要由labview完成，通过数据采集卡采集实时流速信息和超声波信号。

③开启动力设备，流体通过稳流装置后流经高精度流量计，此时由数据采集卡采集实时流速信息并传输至计算机显示，等待流速稳定后，计算机记录30组流速数据，计算均值作为实时流速值V。

④由计算机发出一个信号，该信号传输至驱动设备，驱动设备采用美国泛美的OLYMPUS5077PR，激励超声波探头发射一组脉冲信号；超声波通过流体后在凹槽表面发生反射，再由超声波探头接收。

⑤通过数据采集卡采集超声波回波信号，并将数据传输至计算机储存和处理，由软件编程计算出超声波在流体中传播时间t，即可根据公式：

$C=\frac{L}{t}+\sqrt{\frac{L^2}{t^2}+V^2{\left(\frac{X}{L}\right)}^2}$

计算出超声波实际速度，计算30组波速进行误差修正，然后查询流体速度与超声波速关系表得出流体实际温度。

2、结合图2说明：第三标准法兰端作为流体流入口，第四标准法兰端作为流体流出口，两端法兰与管道连接；上游空腔安装超声波接收探头，下游空腔用于安装超声波发射探头，两个探头在同一直线上，与管道径向成20度倾角。

上述装置的使用方法主要包括以下步骤：

采用两个超声波探头测温方式：

①开启系统，将L和X输入计算机，并给出温度补偿，其中L是两个超声波探头间距离，X是两个超声波探头间的轴向距离。

②软件程序主要由labview完成，通过数据采集卡采集实时流速信息和超声波信号。

③开启动力设备，流体通过稳流装置后流经高精度流量计，此时由流量计将实时流速信号传输至计算机显示，等待流速稳定后，计算机记录30组流速数据，计算均值作为实时流速值V。

④由计算机发出一个信号，该信号传输至驱动设备，驱动设备采用美国泛美的OLYMPUS5077PR，激励下游超声波探头发射一组脉冲信号；超声波通过流体后由上游超声波探头接收。

⑤通过数据采集卡采集超声波信号，由计算机软件编程计算出超声波在流体中逆流传播时间t2，即可根据公式：

$C=\frac{L}{t_2}-V\frac{X}{L}$

计算出超声波实际速度，计算30组波速进行误差修正，然后查询流体速度与超声波速关系表得出流体实际温度。

结合图3说明：该图为本发明的实现流程图，波速计算公式的选择取决于探头的安装方式，流速等参数由技术人员手动调整，数据由数据采集卡采集，数据分析和处理由计算机完成，脉冲信号的发射由采集完一组数据20ns后软件控制发出。

Claims (4)

1.一种基于超声波的管道流体温度测量方法，其特征在于：

系统主要包括高精度流量计、超声波测温探头、数据采集卡和计算机等，高精度流量计和超声波测温探头串联安装在在管路上，通过数据采集卡采集流量计和超声波信号，通过软件实现流体温度的测量。

2.根据权利1所述的一种管道流体测温方法，其特征在于：

采用一个(或两个)超声波探头以一定倾角安装在管道两侧，测量超声波顺流或逆流传播时间，结合高精度流量计测量管道流体流速，然后计算出超声波在介质中的实际速度，通过查表得到管道流体温度。

3.根据权利2所述的一种管道流体测温方法，其特征在于：

采用一个超声波探头测温方式，如图1，将收发一体式超声波探头以一定倾角安装在管壁上，探头表面与流体接触，在探头正对面管壁上开一凹槽，凹槽表面平整且垂直于超声波入射方向，超声波由探头发出经凹槽表面反射后再由探头接收总时间为t；

由公式： $C=\frac{L}{t}+\sqrt{\frac{L^2}{t^2}+V^2{\left(\frac{X}{L}\right)}^2};$

其中L为超声波探头与凹槽表面之间距离，X为超声波探头与凹槽表面间轴向距离，C是超声波实时波速，V是流体实时流速。

计算多组波速进行误差修正，然后查询流体速度与超声波速关系表得出流体实际温度。

4.根据权利2所述的一种管道流体测温方法，其特征在于：

采用两个超声波探头测温方式，如图2，将两个超声波探头以一定倾角安装在管道两侧，探头表面与流体接触，下游探头用于发射脉冲信号，上游探头接收脉冲信号，超声波逆流传播时间为t2：

由公式： $C=\frac{L}{t_2}-V\frac{X}{L};$

其中L为两个超声波探头之间距离，X为两个超声波探头间轴向距离，C是超声波实时波速，V是实时流体流速。

计算多组波速进行误差修正，然后查询流体速度与超声波速关系表得出流体实际温度。