一种多声道高精度超声波液体密度动态测量方法及装置

本发明专利属于液体密度测量，尤其涉及一种超声波密度计。

背景技术：

1、多声道高精度超声波液体密度计是一种测量被测液体介质密度的高精度密度计，它利用超声波在不同密度的液体介质中声波在液体中的传播特性与其密度相关的原理来测量液体介质的密度。

2、密度计广泛运用在各行各业，尤其是石油化工领域、材料科学领域以及医疗生物领域等，目前使用最广泛的密度计包括浮子式密度计、静力学密度计以及谐振式密度计等。其中，浮子式流量计结构简单但是浮子的膨胀系数会影响测量的精度，测量密度操作繁琐，效率低；静力学密度计的原理为静止状态下，一定高度的液柱压强与密度成正比，其只适合测量高粘度介质；谐振式密度计测量精度高且能够连续测量，但是其必须与介质接触才能够进行密度测量，无法测量一些腐蚀性强的特殊介质。因此，现有使用使用广泛的密度计都会存在一些弊端，而超声波密度计测量精度高，能够连续测量，而且它能够实现非接触式的测量，测量响应快，能够实时测量。

3、现有的超声波密度计也有其存在的问题：适用范围单一、自动化程度低、操作繁琐，且大部分的超声波密度计无法达到其应有的精度，使用时测量环境静态，无法适应实际工况，大多处于实验室使用阶段。为此，发明了一种多声道高精度超声波液体密度动态测量方法及装置。

4、发明专利内容

5、本发明专利所要解决的技术问题在于，提供一种能够不受外界环境干扰、自动化程度高、精度高且能够测量多种液体的超声波密度计，此外还能够动态测量液体介质密度的方法与装置。

6、为了实现上述目的，本发明专利采用了如下技术方案：

7、本发明实施例第一方面公开了一种恒温控温系统装置，包括：

8、所述恒温控温系统装置主要由控温槽体、测量仓、两段盘管、抽水循环泵、冷凝器、pid温控器、调压器、加热管、制冷压缩机、电磁阀、三通电磁阀、隔热棉、储水容器、四线热电偶组成；

9、所述控温槽体为控温系统的主体，内部嵌入测量仓、盘管、加热管等，且内部装有控温油，用于将测量仓控温至指定温度并保持稳定；

10、所述测量仓嵌入在控温槽体内，并且其内部嵌入两对超声波换能器用于测量测量仓内部被测液体的密度，测量仓采用铜材质，其与控温槽体采用热传递的方式传播热量；

11、所述两段盘管内嵌在控温槽体内壁上，呈上下分布，两段盘管都是用于槽体制冷，区别在于上方盘管用于水冷循环，下方盘管用于压缩机制冷气循环；

12、所述抽水循环泵外置于控温槽体，用于为水冷循环提供循环动能；

13、所述冷凝器安装在盘管出水口与储水槽之间，且其表面安装有24v风扇，用于冷却经过冷凝管的制冷液；

14、所述pid温控器与调压器连接，是用于计算和调节输出控制信号的装置，根据反馈回的温度与设定温度之间的差值输出调整量；

15、所述pid温控器通过程序控制实现任意升降温速率控制功能；

16、所述调压器安装在pid与加热管之间，通过导线连接传输电信号，控制加热管的加热功率；

17、所述加热管安装在控温槽体顶部，根据施加的电压信号加热槽体内的控温油；

18、所述制冷压缩机安装在控温槽体外，用于低温段的降温，其最高工作温度在50℃-80℃，用于降低温度下限阈值，提高整个控温范围；

19、所述电池阀安装在控温槽体的出水口，用于控温油的排出与循环；

20、所述三通电磁阀安装在电池阀之后，用于控制控温油循环通道与排水通道之间的切换，其通过单片机输出电平信号；

21、所述隔热棉包裹在控温槽体周围，极大地降低热量自然消散，提高控温效率；

22、所述储水容器安装在抽水循环泵管路上游，为水冷循环提供水源；

23、所述四线热电偶内置于测量仓内，为pid温控器提供当前温度反馈；

24、本发明实施例第二方面公开了一种多声道高精度超声波液体密度动态测量装置，包括：

25、所述多声道高精度超声波密度计算法控制装置主要由tdc-gp30芯片、stm32f407zgt6单片机、超声波换能器、信号切换电路、标准玻璃浮计、工业摄像头、plc、上位机组成；

26、所述tdc-gp30芯片安装在控制板上，其用于激励超声波换能器，并储存时间数据，周期性上传至单片机；

27、所述stm32f407zgt6单片机为主控芯片，其通过串口通讯上位机与tdc-gp30芯片，并输出电平高低来控制其它模块；

28、所述超声波换能器嵌入至测量仓内，呈上下对射分布，通过导线连接至信号切换电路，通过压电效应与逆压电效应实现超声波与电信号的转换；

29、所述信号切换电路安装在超声波换能器与tdc-gp30芯片之间，用于实现两对超声波换能器之间的通道切换，其由单片机进行控制；

30、所述标准玻璃浮计悬浮于测量仓内的被测液体上,做标准密度计使用，用于后续的算法计算；

31、所述工业摄像头安装在标准玻璃浮计刻度的水平线，通过拍摄液面图像并将图像导入目标检测网络模型；

32、所述plc通过导线连接单片机、电磁阀、制冷压缩机、水泵等器件，控制所有阀门、水泵的启停控制；

33、所述上位机嵌入在控制箱壁上，与单片机通讯，实现人机交互、数据读取以及控制；

34、对所述初步处理完成的图像导入至目标检测网络模型，获得标准玻璃浮计示值的边界框信息，根据识别到的液面位置以及各刻度线坐标，判断出液面位置所处的密度范围，再使用比例法可计算得到当前密度示值。

技术实现思路

技术特征：

1.一种多声道高精度超声波液体密度动态测量方法及装置，其特征在于：包括恒温控温系统装置、多声道高精度超声波液体密度动态测量装置；

2.根据权利要求1所述的恒温控温系统装置，其特征在于，pid温控器通过程序控制实现任意升降温速率控制功能，为后续动态测量液体介质密度提供动态环境；

3.根据权利要求1所述的恒温控温系统装置，其特征在于，两段盘管呈上下分布嵌入在控温槽体内，上方盘管用于水冷循环降温，下方盘管用于压缩机气冷循环降温，温度高于80℃时水冷循环单独工作，低于80℃时双循环同时运作，双循环降温提高降温效率，同时降低控温下限，提高整个温度控制的阈值。

4.根据权利要求1所述的多声道高精度超声波液体密度动态测量装置，其特征在于，所述的tdc-gp30芯片是一种时间测量芯片，通过其首波检测功能实现超声波回波信号的滤波，可直接驱动超声波换能器，两对超声波换能器通过信号通道切换电路实现；

5.根据权利要求1所述的多声道高精度超声波液体密度动态测量装置，其特征在于，所述的工业摄像头通过usb与上位机连接，与测量仓最高刻度持平，实时获取图像导入至目标检测网络模型，获得标准玻璃浮计示值的边界框信息，根据识别到的液面位置以及各刻度线坐标，判断出液面位置所处的密度范围，再使用比例法可计算得到当前密度示值，实现玻璃浮计自动读取刻度功能。

6.根据权利要求1所述的多声道高精度超声波液体密度动态测量装置，其特征在于，所述的上位机导入自动建立数学模型程序，对所有温度点采集到的标准玻璃浮计测得的标准密度与超声波声速进行记录并导入数学模型，最终生成该种液体介质的数学模型，最终实现未知液体介质与混合液体介质密度的测量。

7.根据权利要求1所述的多声道高精度超声波液体密度动态测量方法及装置，其特征在于，配合恒温控温系统装置与多声道高精度超声波密度计算法测量装置，得益于超声波声速测量的实时性，能够实现液体介质密度的温度动态测量，当温度升到每一个温度点时，实时测量超声波速度并导入数学模型得出液体密度，最终导出液体介质的温度-密度报表。

技术总结本发明属于液体密度测量技术领域，现阶段我国超声波密度计普遍存在测量范围单一、测量精度没有达到预期值、自动化程度低等问题，且只能维持在一个温度点实现液体密度的测量，测量环境静态，大部分不能满足实际工况下的密度测量，为此，发明了一种多声道高精度超声波液体密度动态测量方法及装置，所谓动态测量液体密度，即当温度和流量以及升温速率改变时同时生成液体密度随温度变化的曲线，具有很好的研究性质；通过PID温控器和调压阀的组合来控制被测介质的温度，并通过程序控制实现任意升降温速率控制功能；标准密度装置采用深度学习识别的方式，将玻璃浮计图像导入至目标检测网络模型，根据识别到的液面位置以及各刻度线坐标，判断液面刻度所处密度范围，使用比例法计算得到当前密度示值；建立数学模型来测量未知液体介质与混合液体介质的密度；本发明不仅测量快速、精度高、能够测量未知液体密度、动态测量被测液体介质的密度并生成被测液体介质的温度‑密度报表，还能够获得液体不同温度下的弹性模量，具有很高的研究价值。技术研发人员：吴鸿烈,孙斌,赵玉晓受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17