一种电磁超声的高温液态金属流量测量方法与系统

技术领域

本发明涉及高温液态金属测量技术领域，特别是涉及一种电磁超声的高温液态金属流量测量方法与系统。

背景技术

高温液态金属具有良好的导电、导热、塑性和化学稳定性等性质。应用范围广泛，如在冶金行业中，高温液态金属被用于炼铁、炼钢、铝电解等生产过程；在核工业领域，高温液态金属被用于核反应堆的燃料循环和冷却系统；在航空航天行业中，高温液态金属被用于发动机、燃料系统等部件。高温液态金属的流量测量是保证生产过程稳定和产品质量的关键。由于其高温和腐蚀等特性，其处理和使用需要特殊的设备和技术，故需一种可适用于高温液态金属的流量测量方法。

常用的非接触式方法有电磁流量计和超声波流量计等。电磁流量计分为直流电磁流量计以及交流电磁流量计。直流电磁流量计工作中的问题是管道与金属液体的润湿性、电极与管壁的接触电势变化、永磁体在高温情况下的退磁等问题需要定期重新校准。交流电磁流量计的问题交流式电磁流量计通过在流体中施加交变磁场并测量电磁感应信号来进行流量测量。然而，外部磁场干扰会影响电磁感应信号的准确性，导致测量结果出现偏差。且无法渗透大管径的工作管道。

超声波流量计利用超声上下游的时间差或多普勒效用来实现流量的测量。但超声法大多采用压电材料实现超声的激发。具有超声在流体中渡越体积小、与流体接触等问题。而电磁超声检测由于非侵入，对流体无干扰、传感器结构简单，易于安装维护、成本低、安全无辐射、非接触等优点，在管道流量测量中得到应用。而压电超声在应用中需使用耦合剂将能量耦合进被检测材料中，而高低温环境会造成耦合剂的失效，从而限制了该方法的使用场景。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种以电磁激励获得超声的高温液态金属流量测量方法与系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电磁超声的高温液态金属流量测量系统，包括：

布置在管道外周的电磁双线圈发射探头，用于向金属管壁内激发偏置磁场,形成不同频率的电涡流进而使管道内的液态金属产生不同频率的振动，该振动向管壁及管内传播形成超声波；

将电磁双线圈探头嵌在非金属管壁上，隔着管壁薄层在流动高温液态金属表面激发超声波。

设置在管道上的电磁双线圈接收探头，用于接收经过管道内高温液态金属到达管壁反射的超声波回波信号；

信号检测与处理装置，分别与所述电磁双线圈发射探头和电磁双线圈接收探头连接，用于对所述超声波回波信号进行预处理，并将预处理后的超声波回波信号上传到计算机；所述计算机用于根据预处理后的超声波回波信号计算出管道内高温液态金属的流量。

优选的，所述信号检测与处理装置，包括：

信号检测模块，与所述电磁双线圈接收探头连接，用于检测和采集电磁双线圈接收探头产生的电信号；

信号转换模块，对所述电信号进行模数转换得到数字信号类型的超声波回波信号；

信号处理模块，用于对所述数字信号类型的超声波回波信号进行滤波处理得到预处理后的超声波回波信号。

本发明还提供了一种电磁超声的高温液态金属流量测量方法，包括：

使用电磁双线圈接收探头接收管内顺逆流的超声波回波信号；

使用信号检测与处理装置对所述超声波回波信号进行滤波处理得到预处理后的超声波回波信号；

使用计算机对所述预处理后的超声波回波信号进行处理得到管道内高温液态金属的流量。

优选的，所述使用信号检测与处理装置对所述超声波回波信号进行滤波处理得到预处理后的超声波回波信号，包括：

使用离散小波变换方法对超声波回波信号进行分解得到多个尺度的频带信号；每个尺度的频带信号对应有不同的小波系数；

依据小波系数构建去噪阈值；

利用去噪阈值构建滤波模型；

使用所述滤波模型对小波系数进行处理得到去噪后的频带信号；

对所述去噪后的频带信号重构得到预处理后的超声波回波信号。

优选的，所述去噪阈值为：

其中，w

优选的，所述滤波模型为：

其中，sign为符号函数，λ

由于管道流动噪声较复杂，采用小波变换去噪及小波变换重构获得顺逆流超声超声波回波信号。采用互相关算法获得时差，用于计算流速。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的一种电磁超声的高温液态金属流量测量方法中的步骤。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种电磁超声的高温液态金属流量测量方法与系统，与现有技术相比，本发明通过管壁外双线圈结构的电磁超声激发接收探头，获得管内顺逆流超声信号，该方法提高了超声流量计的使用温度，达到对高温金属流体的流量测量；同时该方法适用于大管径内液态金属流量测量。利用信号检测与处理装置对管道的超声波回波信号进行滤波处理，可以提升信号信噪比，得到高质量的超声波回波信号，从而使流量的测量精度显著增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的电磁超声双线圈探头布置效果图；

图2为本发明提供的电磁超声双线圈探头内部结构图；

图3为管壁内嵌激发结构图；

图4为本发明提供的一种电磁超声的高温液态金属流量测量系统示意图；

图5为本发明提供的流量测量过程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

请参阅图1-5，一种电磁超声的高温液态金属流量测量系统，包括：

布置在管道外周的电磁双线圈发射探头，用于向金属管壁内激发偏置磁场,形成不同频率的电涡流进而使管道内的液态金属产生不同频率的振动，该振动向管壁及管内传播形成超声波。电磁双线圈发射探头由导线绕成的线圈组成，涂覆耐高温的保护层，以防止高温对其损坏，导线中通以电流，线圈产生磁场，无需涂抹耦合剂，就可使超声波在管道内有良好的传播。

在实际应用中，将电磁双线圈探头嵌在非金属管壁上，隔着管壁薄层在流动高温液态金属表面激发超声波。

设置在管道上的电磁双线圈接收探头，用于接收经过管道内高温液态金属到达管壁反射的超声波回波信号；

信号检测与处理装置，分别与所述电磁双线圈发射探头和电磁双线圈接收探头连接，用于对所述超声波回波信号进行预处理，并将预处理后的超声波回波信号上传到计算机；所述计算机用于根据预处理后的超声波回波信号计算出管道内高温液态金属的流量。

进一步的，所述信号检测模块，与所述电磁双线圈接收探头连接，用于检测和采集电磁双线圈接收探头产生的电信号；

信号转换模块，对所述电信号进行模数转换得到数字信号类型的超声波回波信号；

信号处理模块，用于对所述数字信号类型的超声波回波信号进行滤波处理得到预处理后的超声波回波信号。

本发明中高温液态金属流量测量系统中具体操作过程为：

步骤一、电磁双线圈发射探头上的第一励磁线圈产生200HZ频率的交变磁场，第二涡流线圈产生1.2MHZ频率的交变磁场，在液态金属中产生电磁超声波。

步骤二、电磁双线圈接收探头接收到传播路径经过液态金属的电磁超声波，并将其转换为电信号。

步骤三、信号检测和处理装置对电信号进行放大、滤波、模数转换处理。

步骤四、计算机对处理后的信号进行信号去噪、信号提取，互相关运算，得到电磁超声波在液态金属中的传播时间。

步骤五、根据传播时间与液态金属流速的关系，计算出流速。

步骤六、结合管道的截面积，计算出液态金属的流量。

需要说明的是，管道内高温金属流体流量检测是一个很特殊的领域。本发明所提到的是电磁超声的非接触式方法。通过时差法来实现流量的测量。时差法是基于声速在流体中传播的速度与流体流速之间的关系。基本原理是在高温金属流体管道中沿流动方向放置双线圈探头，作为发射器和接收器。超声波在流体中的传播速度取决于流体的密度和压力，流体密度和压力随流速变化而变化。因此，超声波从发射器传播到接收器时，在不同流速下，传播时间发生变化。通过测量发射器到接收器的时间差，可以计算出流体的流速。

其中，L表示传感器之间的距离，c±v表示超声波在流体中相对速度，c表示声波在流体中的传播速度。

本发明的实施例中传感器的探头需要能够承受高温和高压的环境，同时能够产生和接收超声波信号。探头材料选择具有高温强度和导热性能的金属材料镍铬合金，该材料温度稳定性好，耐高温。导线外皮采用耐高温玻璃纤维。探头的形状选择圆柱形直径为30mm、长度为60mm，便更好地适应高温液态金属的流态。超声探头外壳为高温玻璃纤维超薄外壳，其具有良好的超声波发射和接收性能。在探头表面上，涂覆一层高温耐磨的保护层，以防止高温液态金属对其产生腐蚀和损坏。信号检测和处理装置包括信号放大器、滤波器、数字转换器和微处理器等，可对超声波信号进行放大、滤波和数字化处理。

本发明的实施例中，将传感器安装在流体管道上，需要注意传感器的安装位置和方向，但无需考虑与管道的接触方式。在安装过程中，允许传感器与管道之间存在0.1mm左右的空隙。在校准过程中，需要使用标准流量计或其他测量设备进行比对，以验证传感器的测量结果是否准确。应在高温液态金属流动的环境中进行校准，以确保传感器对高温液态金属的测量准确性和稳定性。

本发明还提供了一种电磁超声的高温液态金属流量测量方法，包括：

步骤1：使用接收器接收管道的超声波回波信号；

步骤2：使用信号检测与处理装置对所述超声波回波信号进行滤波处理得到预处理后的超声波回波信号；

步骤3：使用计算机对所述预处理后的超声波回波信号进行处理得到管道内高温液态金属的流量。

本发明的实施例中，液态金属的不稳定性和高温环境的干扰，传感器所采集到的信号存在噪声和干扰，影响测量结果的准确性和稳定性。采用数字滤波方法对传感器采集到的信号进行处理，去除噪声和干扰，提高测量信号的质量和精度。

本发明中所述的数字滤波方法包括：

步骤2.1：使用离散小波变换方法对超声波回波信号进行分解得到多个尺度的频带信号；每个尺度的频带信号对应有不同的小波系数；

将采集到的信号进行小波分解，将其分解成多个尺度的频带信号。小波分解的过程可以采用离散小波变换(DWT)或连续小波变换(CWT)等方法，本发明采用DWT方法进行信号分解。

对尺度a、时间t和与时间有关的偏移量T进行离散化处理，将小波基函数：

的a、T限定在一些离散点上的取值。

(1)尺度的离散化。

令a取：

则小波函数为：

(2)位移离散化。

通常对T进行均匀离散取值，以覆盖整个时间轴，T满足Nyquist采样定理。在a＝2j时，沿T轴的响应采样间隔是

步骤2.2：依据小波系数构建去噪阈值；其中，所述去噪阈值为：

其中，w

步骤2.3：利用去噪阈值构建滤波模型；其中，所述滤波模型为：

其中，sign为符号函数，λ

步骤2.4：使用所述滤波模型对小波系数进行处理得到去噪后的频带信号；

步骤2.5：对所述去噪后的频带信号重构得到预处理后的超声波回波信号。

进一步的，重构的过程可以采用离散小波变换的逆变换(IDWT)或连续小波变换的逆变换(IWT)等方法，本文采用IDWT方法进行信号重构。逆离散小波变换将经过小波变换的信号重新组合成原始信号。步骤如下：

(1)将经过小波变换的信号分解为不同的子带。这通常涉及将信号分解为低频子带和高频子带，每个子带代表不同频率范围内的信号分量。

(2)对每个子带应用逆小波变换。逆小波变换是小波变换的逆操作，它将每个子带变换回时域表示。

(3)将逆变换得到的子带组合起来以重建原始信号。这涉及将低频子带和高频子带按照一定规则进行合并，以恢复原始信号的时域表示。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种电磁超声的高温液态金属流量测量方法与系统，与现有技术相比，本发明通过利用小波变换的信号检测与处理方式对管道的超声波回波信号进行滤波处理，可以提升信号信噪比，得到高质量的超声波回波信号；利用互相关算法获得更准确的信号时差。从而使流量的测量精度显著增加。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的一种电磁超声的高温液态金属流量测量方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明提供的一种计算机可读存储介质的有益效果与上述技术方案所述的一种电磁超声的高温液态金属流量测量方法的有益效果相同，在此不做赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。