CN106153132A - 基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统及方法，其系统包括换能器Ⅰ、换能器Ⅱ和处理器，所述换能器Ⅰ和换能器Ⅱ分别设置于被测管道外部的异侧且工作表面与被测管道不接触，根据改变超声波的传播方向，获取两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的流速；本发明无需打开管道，免去耦合剂并且直接反映流速大小，安装过程不需要复杂的机械加工以及打断现场的工作，完全摆脱耦合剂的使用，节省了人力和物力成本，提高了测量的准确性，使得本发明中的高效的流体流量测量系统具有重要的市场经济价值。

Description

基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统及方法

技术领域

本发明涉及工业自动化检测领域，尤其涉及一种基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统及方法。

背景技术

超声波流量仪表是以“速度差法”为原理，测量圆管内液体流量的仪表。它采用多脉冲技术、信号数字化处理技术及纠错技术，使流量仪表更能适应工业现场的环境，计量更方便、经济、准确。产品达到国内外先进水平，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域，其中，夹持式超声波流量计具有便携可靠的优点，其安装过程并不需要复杂机械加工以及工艺，另外对于安装位置也没有特殊的要求。但是，为了获得准确的测量结果，需要加强超声波的传播，因此在流量计的换能器与管壁之间仔细涂抹耦合剂，排除间隙中的空气，减小声阻抗差异。但是，在使用耦合剂的过程中，需要根据现场工况的温度以及使用的时限来选取，并且还需要注意以下问题：比如涂抹量，气泡是否排除，环境中的灰尘，以及使用人员对其的过敏反应等，因此，如果想要合理使用耦合剂，需在前期做大量繁杂且耗时的准备工作。

Lamb波指因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动，是一种在板状结构中传播的特殊波形，传统的夹持式超声波流量计普遍采用纵波以及剪切波，相比而言，Lamb波可以在管壁中传播很长的距离，并且同时向邻近的介质中(例如空气)中泄漏部分能量，形成一系列高能平面波(泄漏Lamb波)。因此，将Lamb波应用于超声波流量计，更多的能量可以进入流动介质中。换而言之，发生共振的管壁本身可以作为换能器而不断向中间的流体投射能量。例如德国FLEXIM公司的便携式气体流量计，采用了Lamb波的换能器，不过该装置仍需要耦合剂。即便如此，得益于管壁的共振，Lamb波的传递效率仍远远高于传统的剪切波和纵波。因此，亟需开发一种非接触，无耦合剂并且高效的流体流量测量系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统及方法，以解决上述问题。

本发明提供的基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统，包括换能器Ⅰ、换能器Ⅱ和处理器，所述换能器Ⅰ和换能器Ⅱ分别设置于被测管道外部的异侧且工作表面与被测管道不接触；

将所述换能器Ⅰ作为超声波发射端，换能器Ⅱ作为接收端，获取Lamb波信号，再将换能器Ⅱ作为发射端，换能器Ⅰ作为接收端，重新获取Lamb波信号，处理器根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的流速。

进一步，通过所述换能器Ⅰ发出超声波，通过管壁激励出第一个Lamb波，第一个Lamb波的泄露能量穿过管道中的流体，进入到另一管壁中，激励出第二个Lamb波，换能器Ⅱ接收第二个Lamb波信号，再将所述换能器Ⅱ作为发射端，换能器Ⅰ作为接收端，使超声波在管道中反向传播，重新上述过程并重新获取Lamb波信号，根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的平均流速。

进一步，所述管道内流体流量的平均流速通过如下公式获取：

$V_a=\frac{c\·\cos \mathrm{\β}}{2D_0}{C}_g\·\mathrm{\Δ}t$

其中，V_a是流体的平均速度，c是超声波在流体中的传播速度，β是泄漏Lamb波在流体中的传播方向角，C_g是Lamb波在管壁中的群速度，△t是逆流、顺流条件下的时间差，D₀是管道直径。

进一步，换能器Ⅰ和换能器Ⅱ分别与管壁的指向角为10度到60度。

进一步，还包括放大器Ⅰ和放大器Ⅱ，所述放大器Ⅰ和换能器Ⅰ连接，所述放大器Ⅱ和换能器Ⅱ连接，用于对接收的Lamb波信号进行放大处理。

本发明还提供一种基于Lamb波的非接触式流体流量测量方法，包括在被测管道外部分别设置换能器Ⅰ和换能器Ⅱ，所述换能器Ⅰ和换能器Ⅱ分别设置在被测管道的异侧且工作表面与被测管道不接触，

将所述换能器Ⅰ作为超声波发射端，换能器Ⅱ作为接收端，获取Lamb波信号，再将换能器Ⅱ作为发射端，换能器Ⅰ作为接收端，重新获取Lamb波信号， 处理器根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的流速。

进一步，通过所述换能器Ⅰ发出超声波，通过管壁激励出第一个Lamb波，第一个Lamb波的泄露能量穿过管道中的流体，进入到另一管壁中，激励出第二个Lamb波，换能器Ⅱ接收第二个Lamb波信号，再将所述换能器Ⅱ作为发射端，换能器Ⅰ作为接收端，使超声波在管道中反向传播，重新上述过程并重新获取Lamb波信号，根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的平均流速。

进一步，所述管道内流体流量的平均流速通过如下公式获取：

$V_a=\frac{c\·\cos \mathrm{\β}}{2D_0}{C}_g\·\mathrm{\Δ}t$

其中，V_a是流体的平均速度，c是超声波在流体中的传播速度，β是泄漏Lamb波在流体中的传播方向角，C_g是Lamb波在管壁中的群速度，△t是逆流、顺流条件下的时间差，D₀是管道直径。

进一步，换能器Ⅰ和换能器Ⅱ分别与管壁的指向角为10度到60度。

进一步，还包括设置放大器Ⅰ和放大器Ⅱ，所述放大器Ⅰ和换能器Ⅰ连接，所述放大器Ⅱ和换能器Ⅱ连接，用于对接收的Lamb波信号进行放大处理。

本发明的有益效果：本发明中的基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统，无需打开管道，免去耦合剂并且直接反映流速大小，安装过程不需要复杂的机械加工以及打断现场的工作，完全摆脱耦合剂的使用，并且利用Lamb波 的管壁共振特征，向流体投射更多的能量，提高信号强度，另外可用于传统超声波流量计难以适用的高温环境，方便为后端的工业互联网以及工业生产优化提供有效的技术支持，本发明避免了在测试工作前期做大量繁杂且耗时的准备工作，节省了人力和物力成本，提高了测量的准确性，使得本发明中的高效的流体流量测量系统具有重要的市场经济价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明在逆流条件下的测量信号延时原理示意图。

图3是本发明在顺流条件下的测量信号延时原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图；图2是本发明在逆流条件下的测量信号延时原理示意图；图3是本发明在顺流条件下的测量信号延时原理示意图。

如图1所示，本实施例中的基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统包括换能器Ⅰ1、换能器Ⅱ2和处理器，所述换能器Ⅰ1和换能器Ⅱ2分别设置于被测管道外部的异侧且工作表面与被测管道不接触，工作表面指的是换能器发射端或接收端的表面，将换能器Ⅰ1作为超声波发射端，换能器Ⅱ2作为接收端，获取 Lamb波信号，再将换能器Ⅱ2作为发射端，换能器Ⅰ1作为接收端，重新获取Lamb波信号，处理器根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的流速，由于Lamb波的传播衰减很小，因此在本实施例中并未对换能器之间的位置进行限定，本领域技术人员可以知晓并根据实际的测量过程中选择合适的位置进行测量，在此不再赘述。

在本实施例中，测量时，换能器的工作状态分为两个步骤，通过收发方式的改变获取超声波在逆流、顺流下的信号时间差，最终来解算流速。换能器直接安装在被测管道的异侧，换能器的工作表面不接触管道，指向角不做特殊要求，在10度到60度之间均可，本实施例中的指向角是指换能器发射端与管道径向方向之间的夹角，决定了超声波的入射角，另外无需对管道进行特殊加工，仅需要简单的清洁处理。测量系统在工作时，换能器先后发出超声波，得到经流体作用后的顺、逆流时间差，再依据平均流速关于时间差的计算公式得到平均流速。

下面列举一个具体实施例进行详细说明:

换能器Ⅰ1释放一束超声波，在管壁3中激励出第一个Lamb波，其泄漏能量穿过管道中间的流体，进入到管壁4中；随后，第二个Lamb波在管壁4中被激发，并且向邻近的空气中释放能量，附近的换能器Ⅱ2感测第二个Lamb波的信号；相对于无流速的情况，由于流体的作用，管道内的超声波场会发生偏移，导致信号接收端附近，即管壁4中第二个Lamb波的激发位置会发生变化，因此，Lamb波信号在管壁4中传播路径随即发生改变，最终接收的信号相对于无流速时的接收信号将会有变化。

如图2所示，以逆流为例，可以看到在流体作用下，逆流条件下的超声波场9相对于无流速条件下的超声波场8有很大的不同，进而导致接收端附近的管壁中，Lamb波激励位置的改变。

同理，改变换能器的收发方式，超声波的传播方向相反，得方向相反变化的时间。

如图3所示，以顺流为例，可以看到在流体作用下，顺流条件下的超声波场10相对于无流速条件下的超声波场8也有很大的不同，进而导致接收端附近的管壁中，Lamb波激励位置的改变。

最后，换能器接收的两次信号经过放大器Ⅰ5和放大器Ⅱ6进行信号放大处理，再发送到处理器7,处理器7根据计算公式，计算平均流速。

平均流速的计算依据为，逆流、顺流条件下的激发位置偏移量分别为：

${\mathrm{\Δx}}_{up}=\frac{D_0}{c\·cos\mathrm{\β}}\·V_a---\left(1\right)$

${\mathrm{\Δx}}_{down}=-\frac{D_0}{c\·cos\mathrm{\β}}\·V_a---\left(2\right)$

由此，逆流、顺流条件下的时间差为：

$\mathrm{\Δ}t=t_{up}-t_{down}=\frac{{\mathrm{\Δx}}_{up}}{C_g}-\frac{{\mathrm{\Δx}}_{down}}{C_g}=\frac{2D_0}{c\·\cos \mathrm{\β}}\·\frac{V_a}{C_g}---\left(3\right)$

式中，t_up和t_down分别表示逆流和顺流的声波传播总时间，Δx_up和Δx_down分别表示逆流和顺流作用下的Lamb波激励位置偏移量，c是超声波在流体中 的传播速度，由流体的性质查阅确定，β是泄漏Lamb波在流体中的传播方向角，即Lamb波从管壁传播到流体的折射角，C_g是Lamb波在管壁中的群速度，β和C_g由激发信号频率和管壁材料查阅确定，V_a是流体的平均速度，D₀是管道直径。。

因此，平均流速关于时间差的表达式：

$V_a=\frac{c\·\cos \mathrm{\β}}{2D_0}{C}_g\·\mathrm{\Δ}t---\left(4\right)$

相应地，本实施例还提供了一种基于Lamb波的非接触式流体流量测量方法，包括在被测管道外部分别设置换能器Ⅰ和换能器Ⅱ，所述换能器Ⅰ和换能器Ⅱ分别设置在被测管道的异侧且工作表面与被测管道不接触，

将所述换能器Ⅰ作为超声波发射端，换能器Ⅱ作为接收端，获取Lamb波信号，再将换能器Ⅱ作为发射端，换能器Ⅰ作为接收端，重新获取Lamb波信号，处理器根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的流速。

通过所述换能器Ⅰ发出超声波，通过管壁激励出第一个Lamb波，第一个Lamb波的泄露能量穿过管道中的流体，进入到另一管壁中，激励出第二个Lamb波，换能器Ⅱ接收第二个Lamb波信号，再将所述换能器Ⅱ作为发射端，换能器Ⅰ作为接收端，使超声波在管道中反向传播，重新上述过程并重新获取Lamb波信号，根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的平均流速。平均流速根据公式(4)进行获取。换能器直接安装在被测管道的异侧，换能器的工作表面不接触管道，指向角不做特殊要求，在10度到60度之间均可，另 外无需对管道进行特殊加工，仅需要简单的清洁处理。在本实施例中，换能器和被测管道之间采取非接触的方式，无需耦合剂，避免了在测试工作前期做大量繁杂且耗时的准备工作，节省了人力和物理成本，提高了测量的准确性，使得本实施例中的高效的流体流量测量系统具有重要的市场经济价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统，其特征在于：包括换能器Ⅰ、换能器Ⅱ和处理器，所述换能器Ⅰ和换能器Ⅱ分别设置于被测管道外部的异侧且换能器Ⅰ和换能器Ⅱ的工作表面与被测管道不接触；

将所述换能器Ⅰ作为超声波发射端，换能器Ⅱ作为接收端，获取Lamb波信号，再将换能器Ⅱ作为发射端，换能器Ⅰ作为接收端，重新获取Lamb波信号，处理器根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的流速。

2.根据权利要求1所述的基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统，其特征在于：通过所述换能器Ⅰ发出超声波，通过管壁激励出第一个Lamb波，第一个Lamb波的泄露能量穿过管道中的流体，进入到另一管壁中，激励出第二个Lamb波，换能器Ⅱ接收第二个Lamb波信号，再将所述换能器Ⅱ作为发射端，换能器Ⅰ作为接收端，使超声波在管道中反向传播，重新上述过程并重新获取Lamb波信号，根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的平均流速。

3.根据权利要求2所述的基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统，其特征在于：所述管道内流体流量的平均流速通过如下公式获取：

其中，V_a是流体的平均速度，c是超声波在流体中的传播速度，β是泄漏Lamb波在流体中的传播方向角，C_g是Lamb波在管壁中的群速度，△t是逆流、 顺流条件下的时间差，D₀管道直径。

4.根据权利要求3所述的基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统，其特征在于：换能器Ⅰ和换能器Ⅱ分别与管壁的指向角为10度到60度。

5.根据权利要求1所述的基于Lamb波的非接触式流体流量测量系统，其特征在于：还包括放大器Ⅰ和放大器Ⅱ，所述放大器Ⅰ和换能器Ⅰ连接，所述放大器Ⅱ和换能器Ⅱ连接，用于对接收的Lamb波信号进行放大处理。

6.一种基于Lamb波的非接触式流体流量测量方法，其特征在于：包括在被测管道外部分别设置换能器Ⅰ和换能器Ⅱ，所述换能器Ⅰ和换能器Ⅱ分别设置在被测管道的异侧且工作表面与被测管道不接触，

将所述换能器Ⅰ作为超声波发射端，换能器Ⅱ作为接收端，获取Lamb波信号，再将换能器Ⅱ作为发射端，换能器Ⅰ作为接收端，重新获取Lamb波信号，处理器根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的流速。

7.根据权利要求6所述的基于Lamb波的非接触式流体流量测量方法，其特征在于：通过所述换能器Ⅰ发出超声波，通过管壁激励出第一个Lamb波，第一个Lamb波的泄露能量穿过管道中的流体，进入到另一管壁中，激励出第二个Lamb波，换能器Ⅱ接收第二个Lamb波信号，再将所述换能器Ⅱ作为发射端，换能器Ⅰ作为接收端，使超声波在管道中反向传播，重新上述过程并重新获取Lamb波信号，根据两次获取的Lamb波信号获取管道内流体流量的平均流速。

8.根据权利要求7所述的基于Lamb波的非接触式流体流量测量方法， 其特征在于：所述管道内流体流量的平均流速通过如下公式获取：

其中，V_a是流体的平均速度，c是超声波在流体中的传播速度，β是泄漏Lamb波在流体中的传播方向角，C_g是Lamb波在管壁中的群速度，Δt是逆流、顺流条件下的时间差，D₀管道直径。

9.根据权利要求8所述的基于Lamb波的非接触式流体流量测量方法，其特征在于：换能器Ⅰ和换能器Ⅱ分别与管壁的指向角为10度到60度。

10.根据权利要求6所述的基于Lamb波的非接触式流体流量测量方法，其特征在于：还包括设置放大器Ⅰ和放大器Ⅱ，所述放大器Ⅰ和换能器Ⅰ连接，所述放大器Ⅱ和换能器Ⅱ连接，用于对接收的Lamb波信号进行放大处理。