CN109253396A - 一种浆液复合管道流量的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种浆液复合管道流量的检测方法，步骤包括：在浆液复合管道上沿浆液流动方向布置至少三个能够发射和接收超声波信号的传感器；任意两个传感器之间交替发射和接收超声波信号，计算超声波信号发射和接收的时间差和频率差；根据时间差和频率差分别计算浆液流速V_t、V_f；如果V_t与V_f大致相等，则将二者的平均值作为最终测量速度；如果V_t与V_f差异很大，则根据时间差与相位差的关系找出其中正确的速度，以该速度作为最终测量速度；根据上述最终测量流速计算浆液流量。本发明还提供一种浆液复合管道流量的检测装置，包括发射信号单元、超声换能器单元、信号检测解调单元、流量显示单元。

Description

一种浆液复合管道流量的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及浆液处理领域，具体涉及一种时间差与频率差相结合的浆液复合管道流量的检测方法及装置。

背景技术

用于传输浆液的复合管道由于具有橡胶内衬，且管道内流动的是具有一定含固量的酸性液体，因此流量不易测量。同时若要在不影响生产的情况下进行接触式测量也不现实，因此非接触式测量是最佳的选择。非接触式流量测量目前有两种测量方案：一种是由超声波探头、超声波信号检测与处理模块、流量显示和键盘输入模块组成。超声波探头一般由一对探头组成，超声波发射电路输出一定幅度、一定频率的高频信号，这种信号施加到超声波发射换能器后产生超声波信号，超声波接收换能器则实现把接收到的超声波信号转变成电信号，转变成电信号后再经过放大、滤波等过程实现对超声波回波信号的提取；另一种是利用光电技术计算滴液数量来测定流量，用于自动注射器等产品，但只有滴液状态才能测量，应用也很局限。

现有的技术无法实现对不同流体介质的流量测量，例如涡轮流量计进行流量测量时需要将其串入被测系统管路，破坏了系统的流阻特性，且安装维护非常不方便；容积式流量计是通过内部转子的转动，被测流体通过计量室排出的次数作为依据进行计量的。由于存在机械转子、轴、轴承和齿轮等机械转动部件，计量表容易磨损，导致维护量较大，特别是对于含杂质较多的浆液，过滤网容易堵塞，造成计量表无法准确计量。同时由于本系统中管道外径比较大，电磁流量计也没法使用。因此市场上目前还没有一款非接触式、能自动根据介质特性选择不同测量方法的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种浆液复合管道流量的检测方法及装置，针对的复合管道的管壁是由多层不同的材料组合在一起，其折射和反射过程复杂，在不停止生产情况下本方法通过时间差与频率差相结合的方法，来消除由于多层介质引起的直达波，即从时间差、频率差和相位差等三种信息的综合利用和分析，来唯一并准确地确定流体的流速，进而根据流速确定流量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种浆液复合管道流量的检测方法，步骤包括：

在浆液复合管道上沿浆液流动方向布置至少三个能够发射和接收超声波信号的传感器；

任意两个传感器之间交替发射和接收超声波信号，计算超声波信号发射和接收的时间差和频率差；

根据时间差和频率差分别计算浆液流速V_t、V_f；

如果V_t与V_f大致相等，则将二者的平均值作为最终测量速度；

如果V_t与V_f差异很大，则根据时间差与相位差的关系找出其中正确的速度，以该速度作为最终测量速度；

根据上述最终测量流速计算浆液流量。

优选地，根据时间差计算浆液流速V_t的公式为：

其中，Δt表示时间差，c表示超声波在浆液中的速度，α为超声波进入浆液方向与管道方向的夹角，L为两个传感器之间的距离。

优选地，根据频率差计算浆液流速V_f的公式为：

其中，Δf表示频率差，L为两个传感器之间的距离。

优选地，如果V_t与V_f的差值不超过二者中较大值的10％，则认为V_t与V_f大致相等，否则认为差异很大。

优选地，根据时间差与相位差的关系找出其中正确的速度，是指如果测到的时间差相对于超声波信号的周期值求余后，与接收到的超声波信号的相位差相对应，则根据时间差计算的速度为正确速度，否则根据频率差计算的速度为正确速度。

一种浆液复合管道流量的检测装置，包括：

发射信号单元，用于发射正弦波序列信号；

超声换能器单元，用于将正弦波序列信号转换为超声波信号，发射和接收超声波信号，包括沿浆液流动方向布置的至少三个传感器；

信号检测解调单元，用于将超声波信号进行信息解调并计算浆液流量；

流量显示单元，用于将解调的信息发送至显示设备上进行显示。

优选地，还包括一Zigbee模块，用于将信号检测解调单元解调的信息传输给流量显示单元。

优选地，位于两端的传感器各含有一个发射和吸收超声波信号的敏感面，位于中间的传感器为复合传感器，复合传感器含有两个发射和吸收超声波信号的敏感面。

与现有技术相比，本发明方法适应的流体更为广泛，浆液中固体杂质的固体颗粒直径和密度分布范围大，基于时间差测量浆液流速适合于较纯净的流体，基于频率差测量浆液流速适合于含有一定固体杂质的流体，二者结合后可适应于复合管道中的复杂浆液测量。

附图说明

图1是一种浆液复合管道流量的检测装置结构图。

图2是正弦波序列信号示意图。

图3是传感器工作原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

本实施例提供一种浆液复合管道流量的检测方法，实现该方法的装置如图1所示，由发射信号单元、超声换能器单元、信号检测解调单元以及流量显示单元组成。发射信号单元发射多个如图2所示的正弦波序列信号，正弦波序列信号加载到超声换能器单元，图中dt表示发射信号结束后，声波信号经过液体传播到接收传感器所用的时间。超声换能器单元由多个传感器构成，沿流速方向布置，能够将正弦波信号以超声波信号的方式发出，各个传感器能够发射和接收超声波信号。信号检测解调单元主要用于获取超声波信号并进行信息解调。流量显示单元主要用于把从Zigbee模块传输过来的流量信息显示在便携式笔记本上。

检测过程如下：

(1)首先一传感器发射超声波信号，然后另一传感器接收该超声波信号，得出接收和发射的时间差和频率差，然后根据时间差和频率差分别计算出当前的流速；

(2)如果计算出的两个流速大致相同，则认为两种都准确，取平均值得出流速值。

(3)如果两个流速不一致，这时需要判断到底哪个更准确。判别方法是：假设发射信号为1μs，接收的时间差为10.1μs，接收信号的初始相位应为10个整周期再加1/10个周期，即接收信号的初始相位应为36度，这时说明基于时间差的测试结果是正确的。这是因为测到的时间差一般情况下不可能是整数倍的周期值，时间差恰好与相位差一致，说明基于时间差的测试结果是正确的。反之，如果时间差相对于周期值求余后，与相位差对应不起来，说明时间差的结果是错误的，所以只能以频率差为准。

传感器的布置如图3所示，为了不破坏管壁，采取最外层管壁的表贴式安装方式。本实施例由三个传感器A、B和C构成，这三个传感器的工作模式如下：

1)传感器A和B交替进行发射和接收，即A发B收，然后B发A收，交替进行；由于反射点D不移动，只能得到时间差，得不到频率差。A发射时，除B收到时间差信号外，C也同时收到频率差信号，频率低于发射信号f_A；

2)同理，B发射时，除A收到时间差信号外，C也同时收到频率差信号，频率高于发射信号f_B；

3)传感器C是一个复合传感器，可同时用于发射和接收，含有两个敏感面，互成的夹角角度与距离配合，确保反射质点在被测管道的轴线上，这样才能消除管壁引起的流速不均匀问题，在本实施例中互成90度。

具体计算过程如下：

一、基于时间差计算浆液流速：

设A、B的水平距离为L，浆液流速为V，超声波在浆液中的速度为c，则A发B收的时间差为t_AB为：

其中，α为超声波进入浆液方向与管道方向的夹角。

同理，B发送A接收所用的时间t_BA为：

由以上两式得：

由于C>>V，那么C²-V²≈C²，因此测得的浆液流速V_t为：

由上式可知，流速V_t和时间差Δt有关。

二、基于频率差计算浆液流速：

通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量浆液流速，假设顺流时脉冲循环频率率f₁和逆流时脉冲循环频率率f₂分别为：

则顺流和逆流时的声脉冲循环频率差为：

因此测得的浆液流速V_f为：

由上式可知，流速V_f和频率差Δf有关。

需要强调的是，本发明至少需要三个传感器，这是因为如果只使用两个传感器，如只用A和B，因为D点不移动，不存在多普勒效应，所以得不到频率。如只用A、C两个或者B、C两个，因反射点是移动的，得到的不是一种完全意义上的时间差信号。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种浆液复合管道流量的检测方法，其特征在于，步骤包括：

在浆液复合管道上沿浆液流动方向布置至少三个能够发射和接收超声波信号的传感器；

任意两个传感器之间交替发射和接收超声波信号，计算超声波信号发射和接收的时间差和频率差；

根据时间差和频率差分别计算浆液流速V_t、V_f；

如果V_t与V_f大致相等，则将二者的平均值作为最终测量速度；

如果V_t与V_f差异很大，则根据时间差与相位差的关系找出其中正确的速度，以该速度作为最终测量速度；

根据上述最终测量流速计算浆液流量。

2.如权利要求1所述的一种浆液复合管道流量的检测方法，其特征在于，根据时间差计算浆液流速V_t的公式为：

其中，Δt表示时间差，c表示超声波在浆液中的速度，α为超声波进入浆液方向与管道方向的夹角，L为两个传感器之间的距离。

3.如权利要求1所述的一种浆液复合管道流量的检测方法，其特征在于，根据频率差计算浆液流速V_f的公式为：

其中，Δf表示频率差，L为两个传感器之间的距离。

4.如权利要求1所述的一种浆液复合管道流量的检测方法，其特征在于，如果浆液流速V_t与V_f的差值不超过二者中较大值的10％，则认为V_t与V_f大致相等，否则认为差异很大。

5.如权利要求1所述的一种浆液复合管道流量的检测方法，其特征在于，根据时间差与相位差的关系找出其中正确的速度，是指如果测到的时间差相对于超声波信号的周期值求余后，与接收到的超声波信号的相位差相对应，则根据时间差计算的速度为正确速度，否则根据频率差计算的速度为正确速度。

6.一种浆液复合管道流量的检测装置，其特征在于，包括：

发射信号单元，用于发射正弦波序列信号；

超声换能器单元，用于将正弦波序列信号转换为超声波信号，发射和接收超声波信号，包括沿浆液流动方向布置的至少三个传感器；

信号检测解调单元，用于将超声波信号进行信息解调并计算浆液流量；

流量显示单元，用于将解调的信息发送至显示设备上进行显示。

7.如权利要求6所述的一种浆液复合管道流量的检测装置，其特征在于，还包括一Zigbee模块，用于将信号检测解调单元解调的信息传输给流量显示单元。

8.如权利要求6所述的一种浆液复合管道流量的检测装置，其特征在于，位于两端的传感器各含有一个发射和吸收超声波信号的敏感面，位于中间的传感器为复合传感器，复合传感器含有两个发射和吸收超声波信号的敏感面。

9.如权利要求6所述的一种浆液复合管道流量的检测装置，其特征在于，复合传感器的两个敏感面互成的夹角角度确保超声波反射质点在被测管道的轴线上。