[发明专利]一种流体密度与流速在线同步检测系统与检测方法

说明书

本发明公开了一种流体密度与流速在线同步检测系统与检测方法，通过单换能器产生激励，双换能器接收的方式传递超声波信号，采用三次样条插值提高信号采样率进而提高检测精度，利用互相关将两接收换能器接收到的超声波信号的到达时间差值解析出来，将其转换成超声波信号在流体中不同方向上的渡越时间，再依据换能器的发射角度以及安装距离等信息，解析出流体的流动速度以及超声波在流体中的传播速度，最后结合环境温度、流场压力，以及超声波在流体中的传播速度等信息，解算出流体的密度。本发明的系统精度高，可同步实时检测流体的流速与密度；结构简单，无损安装，无需停工；无昂贵的电子元器件与复杂的机械结构，成本低。

技术领域

本发明属于流体检测与信号传输处理技术领域，尤其涉及一种基于超声波的流体密度与流速在线同步检测系统与检测方法。

背景技术

在工业生产中，流速检测与密度检测占据着重要的地位，但凡涉及到有流动介质的工艺流程，无论是液体、气体还是固体颗粒，都要求进行严格的检测与控制。目前对流体流速与密度的检测通常是分开进行的，不仅需要额外增添检测仪器，多设备的安装与维护也增加了人工成本。设计一个能够满足流体流速与密度在线同步检测的系统与测试方法，便于对设备的管理与维护，更加便于对流体参数的综合分析，具有重要的意义。

科氏质量流量计是市面上少有的可同时高精度检测流体密度与流速的仪器，但其价格昂贵，且需要破坏原有的管道进行安装，无法广泛应用于各类流体检测系统中。超声波检测技术作为一种低成本无损检测技术，可以在不破坏现场环境的情况下，实现对流体流速与密度的测量，并对流体各参数进行充分的分析。目前，使用超声波进行流体流速检测的技术相对成熟，相关的产品种类齐全。针对流体密度检测，也涌现了不少高性能产品，如普来森仪器有限公司的9600系列被广泛应用于矿业冶炼的在线过程分析；伟势公司的ENV系列的超声波密度计能够实现不同尺寸管道的流体密度检测。但目前市场上，能够实现流体密度、流量两种参数在线同步测量的超声波检测仪器尚未出现。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种基于超声波的流体密度与流速在线同步检测系统与检测方法，本发明的具体技术方案如下：

一种流体密度与流速在线同步检测系统，包括设置在管道外壁的温度传感器和四个超声波换能器，FPGA超声信号激励采集模块和处理器，其中，

第一超声波换能器、第四超声波换能器用于超声波发送和接收，第二超声波换能器、第三超声波换能器仅用于超声波接收，所述FPGA超声信号激励采集模块分时给予超声波换能器激励信号，采集超声波信号与温度信息存储至内部存储空间，同时传输至所述信号处理器，所述信号处理器对采集的超声波信号与温度信息进行处理与解析得到流体流速与密度。

进一步地，所述第一超声波换能器与所述第二超声波换能器位置的连线与管道轴线平行，所述第三超声波换能器与所述第四超声波换能器位置的连线与管道轴线平行，所有超声波换能器均在同一个管道纵截面上；

超声波信号在四个超声波换能器中的传递路径呈“N”形，即第一超声波换能器产生的超声波信号经过管壁与流体后到达所述第四超声波换能器，再经管壁反射到达所述第二超声波换能器，所述第四超声波换能器产生的超声波信号经过管壁与流体后到达所述第一超声波换能器，再经管壁反射到达所述第三超声波换能器。

进一步地，所述检测系统还包括显示设备，显示处理器解析处理的结果。

一种流体密度与流速在线同步检测系统的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

S1：获取测量信号；

S2：超声波信号的预处理；

S3：求解超声波信号接收时间差；

S4：解析流体流速与密度。

进一步地，所述步骤S2的具体过程为：