本發(fā)明專利涉及流體粘度與流速測(cè)量，具體涉及到一種非破壞性安裝的流體粘度與流速在線檢測(cè)裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、對(duì)于流體粘度，目前的測(cè)量方法主要包括毛細(xì)管法、旋轉(zhuǎn)法、落球法以及振動(dòng)法等。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，無論采用基于上述何種原理的粘度計(jì)，均需多時(shí)間間隔采樣并進(jìn)行離線測(cè)試，或者設(shè)計(jì)浸入式檢測(cè)模塊進(jìn)行在線檢測(cè)。然而，離線檢測(cè)周期長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差，精度易受操作過程、檢測(cè)人員水平等因素的影響；在線浸入式檢測(cè)則具有設(shè)計(jì)成本高，破壞性安裝，維修更換不便等問題。cn115266472a的發(fā)明專利設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置式在線粘度測(cè)量裝置，將粘度計(jì)固定于攪拌罐的上方齒輪箱內(nèi)的安裝座上，用于物料攪拌領(lǐng)域的粘度測(cè)量。盡管該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)的目的，但其將粘度計(jì)置于容器內(nèi)部直接與流體接觸，屬于浸入式檢測(cè)，相對(duì)易出現(xiàn)故障損壞，維護(hù)更換不便；同時(shí)，該發(fā)明需要重新設(shè)計(jì)、更換已有容器及設(shè)備的結(jié)構(gòu)，成本較大，且普遍適用性較為受限。

2、對(duì)于流體流速，目前的常用的設(shè)備有科里奧利流量計(jì)、壓差式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)以及超聲波流量計(jì)等，其中僅有電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)可以在理論上實(shí)現(xiàn)非浸入式測(cè)量。然而，電磁流量計(jì)只能測(cè)量導(dǎo)電流體，適用范圍較?。怀暡髁坑?jì)的非浸入式安裝方式會(huì)導(dǎo)致聲波偏轉(zhuǎn)、能量損失等問題，影響測(cè)量精度，故實(shí)際中多使用浸入式安裝方式。cn110658357a的發(fā)明專利針對(duì)石油工程管道運(yùn)輸技術(shù)領(lǐng)域設(shè)計(jì)了一種超聲波多勒普管道流速測(cè)量裝置，基于聲波反射信號(hào)受流體運(yùn)動(dòng)影響產(chǎn)生頻偏的原理，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確快速的管內(nèi)流速檢測(cè)，但其仍屬于浸入式檢測(cè)，需更改、設(shè)計(jì)原有管路結(jié)構(gòu)，不具備非破壞安裝、非浸入式的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。

3、綜上所述，目前沒有檢測(cè)手段能夠在滿足非破壞性安裝和在線檢測(cè)的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)流體粘度與流速的同時(shí)測(cè)量。因此，研發(fā)一種快速、在線、非破壞性的粘度與流速檢測(cè)技術(shù)具有重要意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。而超聲導(dǎo)波是一種被廣泛用于管道、鐵軌等工件的長(zhǎng)距離無損檢測(cè)技術(shù)，因其具有傳播易受周圍介質(zhì)影響的特點(diǎn)，近年來在粘度以及流速測(cè)量領(lǐng)域受到關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)背景技術(shù)中測(cè)量流體粘度存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種非破壞性安裝的流體粘度與流速在線檢測(cè)裝置和方法，在容器壁內(nèi)激勵(lì)出導(dǎo)波信號(hào)，利用導(dǎo)波信號(hào)在容器壁面的傳播衰減與流體粘度的相關(guān)性，以及導(dǎo)波群速度與流體流速的相關(guān)性，通過對(duì)導(dǎo)波信號(hào)的衰減率與導(dǎo)波群速度的獲取與處理，實(shí)現(xiàn)非破壞性安裝的流體粘度與流速在線檢測(cè)。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一、一種非破壞性安裝的流體粘度與流速在線檢測(cè)裝置

4、包括容器和兩個(gè)信號(hào)收發(fā)單元；

5、所述容器為充入待測(cè)流體的管道或用于儲(chǔ)存待測(cè)流體的罐體，兩個(gè)信號(hào)收發(fā)單元沿容器的軸向間隔布置在外壁表面；

6、所述兩個(gè)信號(hào)收發(fā)單元分別為信號(hào)收發(fā)單元ⅰ和信號(hào)收發(fā)單元ⅱ，均用于激勵(lì)或接收導(dǎo)波信號(hào)。

7、每個(gè)信號(hào)收發(fā)單元均包括一個(gè)線圈組和一個(gè)磁致伸縮換能材料；

8、所述磁致伸縮換能材料沿容器外壁的圓周周向布置，所述線圈組包括兩根線圈，兩根線圈沿容器的軸向間隔布置，每根線圈均沿容器外壁的圓周周向布置在磁致伸縮換能材料上，磁致伸縮換能材料保持均與兩根線圈接觸；

9、所述兩個(gè)信號(hào)收發(fā)單元的磁致伸縮換能材料沿平行于容器軸向的直線布置。

10、還包括控制模塊、導(dǎo)波激勵(lì)模塊、脈沖產(chǎn)生模塊、功率放大模塊、回波接收模塊、前置放大器、數(shù)據(jù)采集模塊、切換模塊和顯示模塊；

11、所述切換模塊分別與信號(hào)收發(fā)單元ⅰ和信號(hào)收發(fā)單元ⅱ相互電連接，切換模塊依次經(jīng)回波接收模塊、前置放大器、數(shù)據(jù)采集模塊后和控制模塊電連接，控制模塊依次經(jīng)導(dǎo)波激勵(lì)模塊、脈沖產(chǎn)生模塊、功率放大模塊后和切換模塊電連接，控制模塊和顯示模塊電連接。

12、所述的磁致伸縮換能材料的材質(zhì)包括但不限于鎳、鐵、鐵鎳合金、鐵鋁合金和鐵鈷合金等導(dǎo)磁性材料。

13、二、一種非破壞性安裝的流體粘度與流速在線檢測(cè)方法

14、1)選擇以面內(nèi)位移為主的導(dǎo)波模態(tài)作為激發(fā)模態(tài)，根據(jù)容器的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與材料力學(xué)特征，計(jì)算容器的導(dǎo)波頻散曲線，根據(jù)導(dǎo)波頻散曲線選取激勵(lì)頻率；

15、2)當(dāng)容器內(nèi)無待測(cè)流體時(shí)，控制信號(hào)收發(fā)單元ⅰ作為發(fā)射端、信號(hào)收發(fā)單元ⅱ作為接收端，信號(hào)收發(fā)單元ⅰ發(fā)出導(dǎo)波信號(hào)沿容器外壁傳播，傳播到信號(hào)收發(fā)單元ⅱ被接收，信號(hào)收發(fā)單元ⅱ接收到的導(dǎo)波信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)w0；

16、3)在容器內(nèi)充入粘度為η的待測(cè)流體，按照步驟2)相同方式，信號(hào)收發(fā)單元ⅱ接收到的導(dǎo)波信號(hào)作為第一充液檢測(cè)信號(hào)w，結(jié)合步驟2)中基準(zhǔn)信號(hào)w0得到對(duì)應(yīng)的衰減率y，根據(jù)衰減率y結(jié)合預(yù)先已經(jīng)標(biāo)定好的擬合曲線獲得待測(cè)流體粘度x，實(shí)現(xiàn)流體粘度在線檢測(cè)；

17、4)根據(jù)步驟3)中信號(hào)收發(fā)單元ⅰ激勵(lì)的導(dǎo)波信號(hào)和信號(hào)收發(fā)單元ⅱ接收到的導(dǎo)波信號(hào)，計(jì)算第一信號(hào)時(shí)延t1；

18、5)切換模塊調(diào)整信號(hào)收發(fā)單元電路，使信號(hào)收發(fā)單元ⅱ和信號(hào)收發(fā)單元ⅰ互換收發(fā)，即由信號(hào)收發(fā)單元ⅱ作為發(fā)射端、以信號(hào)收發(fā)單元ⅰ作為接收端，按照步驟2)相同方式，以信號(hào)收發(fā)單元ⅰ接收到的導(dǎo)波信號(hào)作為第二充液檢測(cè)信號(hào)w′；

19、6)根據(jù)步驟5)中信號(hào)收發(fā)單元ⅱ激勵(lì)的導(dǎo)波信號(hào)和信號(hào)收發(fā)單元ⅰ接收到的導(dǎo)波信號(hào)，計(jì)算第二信號(hào)時(shí)延t2；

20、7)根據(jù)步驟4)和6)中得到的第一、第二信號(hào)時(shí)延t1和t2結(jié)合預(yù)先已經(jīng)標(biāo)定好的擬合曲線獲得流速擬合系數(shù)ε，根據(jù)流速擬合系數(shù)ε計(jì)算待測(cè)流體流速v，實(shí)現(xiàn)流體流速在線檢測(cè)。

21、所述步驟3)中，所述衰減率y按照以下公式計(jì)算獲得：

22、

23、其中，d為信號(hào)收發(fā)單元ⅰ和信號(hào)收發(fā)單元ⅱ的間隔距離，w0表示步驟2)無待測(cè)流體時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)，w表示第一充液檢測(cè)信號(hào)，u(*)表示幅值大小，y表示衰減率。

24、所述步驟3)中，所述待測(cè)流體粘度x的預(yù)先已經(jīng)標(biāo)定好的擬合曲線的公式為：

25、y＝axb+c

26、其中y表示衰減率，x表示待測(cè)流體的粘度，a，b和c均為粘度擬合系數(shù)。

27、所述步驟4)和步驟6)中，第一、第二信號(hào)時(shí)延t1和t2的計(jì)算方法包括但不限于相關(guān)函數(shù)法。

28、所述步驟7)中，所述流速擬合系數(shù)ε根據(jù)以下預(yù)先已經(jīng)標(biāo)定好的擬合曲線獲得：

29、vg(v)＝vg0+εv

30、其中v表示待測(cè)流體流速，vg(v)表示導(dǎo)波群速度關(guān)于流體流速的函數(shù)，vg0表示流體流速為0時(shí)的導(dǎo)波群速度，ε表示流速擬合系數(shù)。

31、所述步驟7)中，所述待測(cè)流體流速v按照以下公式處理獲得：

32、

33、其中v表示待測(cè)流體流速，d表示信號(hào)收發(fā)單元ⅰ和信號(hào)收發(fā)單元ⅱ的間隔距離，t1表示信號(hào)收發(fā)單元ⅰ作為激勵(lì)單元時(shí)的信號(hào)時(shí)延，t2表示信號(hào)收發(fā)單元ⅱ作為激勵(lì)單元時(shí)的信號(hào)時(shí)延，ε表示流速擬合系數(shù)。

34、本發(fā)明的基本原理是通過在容器外壁安置磁致伸縮導(dǎo)波換能裝置，基于磁致伸縮效應(yīng)在壁面激勵(lì)出以面內(nèi)位移為主的導(dǎo)波模態(tài)，由于流體粘度的作用，部分導(dǎo)波信號(hào)在其傳播過程中會(huì)泄露到流體中，從而引起導(dǎo)波信號(hào)在傳播過程中的衰減；而由于流體流速的作用，導(dǎo)波群速度與流體流速存在近似線性的關(guān)系。因此，利用導(dǎo)波信號(hào)的衰減率和導(dǎo)波群速度，可以建立導(dǎo)波信號(hào)的衰減率與流體粘度的關(guān)系，同時(shí)建立導(dǎo)波群速度與流體流速的關(guān)系，其相比于現(xiàn)有的流體粘度與流速測(cè)量方法，具有非破壞、非接觸的在線檢測(cè)的特征，操作簡(jiǎn)單便捷，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體粘度和流速的同時(shí)測(cè)量。

35、本發(fā)明的創(chuàng)新在于采用信號(hào)收發(fā)單元直接布置在容器外壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和利用切換模塊互換收發(fā)從而計(jì)算信號(hào)時(shí)延，利用導(dǎo)波信號(hào)的衰減率和導(dǎo)波群速度，從而建立導(dǎo)波信號(hào)的衰減率與流體粘度的關(guān)系，導(dǎo)波群速度與流體流速的關(guān)系的方法處理特點(diǎn)，帶來了無需對(duì)原有容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行開孔或更改設(shè)計(jì)，無需進(jìn)行取樣式檢測(cè)的有益效果，實(shí)現(xiàn)在滿足非破壞性安裝、非浸入式和在線檢測(cè)的條件下對(duì)流體粘度與流速同時(shí)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。

36、本發(fā)明具有的有效效益是：

37、利用面內(nèi)位移導(dǎo)波信號(hào)的衰減率與粘度的相關(guān)性檢測(cè)流體粘度，利用導(dǎo)波群速度與流體流速的相關(guān)性檢測(cè)流體流速，信號(hào)采集便捷，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，檢測(cè)過程中以充入待測(cè)流體的管道或存儲(chǔ)待測(cè)流體的罐體本身為載體，無需對(duì)原有容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行開孔或更改設(shè)計(jì)，無需進(jìn)行取樣式檢測(cè)，且能在上位機(jī)的顯示模塊實(shí)時(shí)顯示并更新待測(cè)流體的粘度、流速數(shù)值及其變化情況，操作簡(jiǎn)單高效，能夠?qū)崿F(xiàn)流體粘度和流速的同時(shí)在線檢測(cè)，可以面向大量的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)需求。