本發(fā)明專利涉及流體粘度與流速測量，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裝置和方法。

背景技術：

1、對于流體粘度，目前的測量方法主要包括毛細管法、旋轉法、落球法以及振動法等。在實際工業(yè)應用中，無論采用基于上述何種原理的粘度計，均需多時間間隔采樣并進行離線測試，或者設計浸入式檢測模塊進行在線檢測。然而，離線檢測周期長，實時性差，精度易受操作過程、檢測人員水平等因素的影響；在線浸入式檢測則具有設計成本高，破壞性安裝，維修更換不便等問題。cn115266472a的發(fā)明專利設計了一種內(nèi)置式在線粘度測量裝置，將粘度計固定于攪拌罐的上方齒輪箱內(nèi)的安裝座上，用于物料攪拌領域的粘度測量。盡管該發(fā)明實現(xiàn)了在線檢測的目的，但其將粘度計置于容器內(nèi)部直接與流體接觸，屬于浸入式檢測，相對易出現(xiàn)故障損壞，維護更換不便；同時，該發(fā)明需要重新設計、更換已有容器及設備的結構，成本較大，且普遍適用性較為受限。

2、對于流體流速，目前的常用的設備有科里奧利流量計、壓差式流量計、電磁流量計、渦街流量計以及超聲波流量計等，其中僅有電磁流量計和超聲波流量計可以在理論上實現(xiàn)非浸入式測量。然而，電磁流量計只能測量導電流體，適用范圍較?。怀暡髁坑嫷姆墙胧桨惭b方式會導致聲波偏轉、能量損失等問題，影響測量精度，故實際中多使用浸入式安裝方式。cn110658357a的發(fā)明專利針對石油工程管道運輸技術領域設計了一種超聲波多勒普管道流速測量裝置，基于聲波反射信號受流體運動影響產(chǎn)生頻偏的原理，實現(xiàn)了準確快速的管內(nèi)流速檢測，但其仍屬于浸入式檢測，需更改、設計原有管路結構，不具備非破壞安裝、非浸入式的測量優(yōu)勢。

3、綜上所述，目前沒有檢測手段能夠在滿足非破壞性安裝和在線檢測的條件下實現(xiàn)對流體粘度與流速的同時測量。因此，研發(fā)一種快速、在線、非破壞性的粘度與流速檢測技術具有重要意義和實際應用價值。而超聲導波是一種被廣泛用于管道、鐵軌等工件的長距離無損檢測技術，因其具有傳播易受周圍介質(zhì)影響的特點，近年來在粘度以及流速測量領域受到關注。

技術實現(xiàn)思路

1、針對背景技術中測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裝置和方法，在容器壁內(nèi)激勵出導波信號，利用導波信號在容器壁面的傳播衰減與流體粘度的相關性，以及導波群速度與流體流速的相關性，通過對導波信號的衰減率與導波群速度的獲取與處理，實現(xiàn)非破壞性安裝的流體粘度與流速在線檢測。

2、本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：

3、一、一種非破壞性安裝的流體粘度與流速在線檢測裝置

4、包括容器和兩個信號收發(fā)單元；

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

6、所述兩個信號收發(fā)單元分別為信號收發(fā)單元ⅰ和信號收發(fā)單元ⅱ，均用于激勵或接收導波信號。

7、每個信號收發(fā)單元均包括一個線圈組和一個磁致伸縮換能材料；

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、所述兩個信號收發(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、導波激勵模塊、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收發(fā)單元ⅰ和信號收發(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)導波激勵模塊、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方法

14、1)選擇以面內(nèi)位移為主的導波模態(tài)作為激發(fā)模態(tài)，根據(jù)容器的結構幾何參數(shù)與材料力學特征，計算容器的導波頻散曲線，根據(jù)導波頻散曲線選取激勵頻率；

15、2)當容器內(nèi)無待測流體時，控制信號收發(fā)單元ⅰ作為發(fā)射端、信號收發(fā)單元ⅱ作為接收端，信號收發(fā)單元ⅰ發(fā)出導波信號沿容器外壁傳播，傳播到信號收發(fā)單元ⅱ被接收，信號收發(fā)單元ⅱ接收到的導波信號作為基準信號w0；

16、3)在容器內(nèi)充入粘度為η的待測流體，按照步驟2)相同方式，信號收發(fā)單元ⅱ接收到的導波信號作為第一充液檢測信號w，結合步驟2)中基準信號w0得到對應的衰減率y，根據(jù)衰減率y結合預先已經(jīng)標定好的擬合曲線獲得待測流體粘度x，實現(xiàn)流體粘度在線檢測；

17、4)根據(jù)步驟3)中信號收發(fā)單元ⅰ激勵的導波信號和信號收發(fā)單元ⅱ接收到的導波信號，計算第一信號時延t1；

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

19、6)根據(jù)步驟5)中信號收發(fā)單元ⅱ激勵的導波信號和信號收發(fā)單元ⅰ接收到的導波信號，計算第二信號時延t2；

20、7)根據(jù)步驟4)和6)中得到的第一、第二信號時延t1和t2結合預先已經(jīng)標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計算待測流體流速v，實現(xiàn)流體流速在線檢測。

21、所述步驟3)中，所述衰減率y按照以下公式計算獲得：

22、

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

24、所述步驟3)中，所述待測流體粘度x的預先已經(jīng)標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、第二信號時延t1和t2的計算方法包括但不限于相關函數(shù)法。

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

29、vg(v)＝vg0+εv

30、其中v表示待測流體流速，vg(v)表示導波群速度關于流體流速的函數(shù)，vg0表示流體流速為0時的導波群速度，ε表示流速擬合系數(shù)。

31、所述步驟7)中，所述待測流體流速v按照以下公式處理獲得：

32、

33、其中v表示待測流體流速，d表示信號收發(fā)單元ⅰ和信號收發(fā)單元ⅱ的間隔距離，t1表示信號收發(fā)單元ⅰ作為激勵單元時的信號時延，t2表示信號收發(fā)單元ⅱ作為激勵單元時的信號時延，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波換能裝置，基于磁致伸縮效應在壁面激勵出以面內(nèi)位移為主的導波模態(tài)，由于流體粘度的作用，部分導波信號在其傳播過程中會泄露到流體中，從而引起導波信號在傳播過程中的衰減；而由于流體流速的作用，導波群速度與流體流速存在近似線性的關系。因此，利用導波信號的衰減率和導波群速度，可以建立導波信號的衰減率與流體粘度的關系，同時建立導波群速度與流體流速的關系，其相比于現(xiàn)有的流體粘度與流速測量方法，具有非破壞、非接觸的在線檢測的特征，操作簡單便捷，可以實現(xiàn)對流體粘度和流速的同時測量。

35、本發(fā)明的創(chuàng)新在于采用信號收發(fā)單元直接布置在容器外壁的結構特點和利用切換模塊互換收發(fā)從而計算信號時延，利用導波信號的衰減率和導波群速度，從而建立導波信號的衰減率與流體粘度的關系，導波群速度與流體流速的關系的方法處理特點，帶來了無需對原有容器結構進行開孔或更改設計，無需進行取樣式檢測的有益效果，實現(xiàn)在滿足非破壞性安裝、非浸入式和在線檢測的條件下對流體粘度與流速同時測量的優(yōu)勢。

36、本發(fā)明具有的有效效益是：

37、利用面內(nèi)位移導波信號的衰減率與粘度的相關性檢測流體粘度，利用導波群速度與流體流速的相關性檢測流體流速，信號采集便捷，數(shù)據(jù)處理簡單，檢測過程中以充入待測流體的管道或存儲待測流體的罐體本身為載體，無需對原有容器結構進行開孔或更改設計，無需進行取樣式檢測，且能在上位機的顯示模塊實時顯示并更新待測流體的粘度、流速數(shù)值及其變化情況，操作簡單高效，能夠實現(xiàn)流體粘度和流速的同時在線檢測，可以面向大量的工業(yè)應用場景，滿足現(xiàn)場快速檢測需求。