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申请/专利权人：大连理工大学

摘要：本发明公开了一种基于超声波的供水管道结冰探测系统及方法，该系统包括：超声波发射探头、超声波接收探头、固定支架，所述超声波发射探头与超声波接收探头通过固定支架对称分布在供水管道外壁两侧，所述固定支架两侧端面的四周设有弹簧销，每个弹簧销的外侧和内侧开有相同的圆形孔，柱状螺栓穿过位于外侧的圆形孔拧入固定支架上的螺纹孔中，插杆两端分别穿过水平相对设置的位于内侧的圆形孔插入固定支架上的光滑孔中。本申请通过测量和比较供水管道内无结冰和供水管道内疑似结冰时超声波穿越供水管道横截面的时间，判断是否发生结冰并确定管道结冰厚度，能够有效指导管壁加热的热流量达到节能的效果。

主权项：1.一种基于超声波的供水管道结冰探测系统，其特征在于，包括：超声波发射探头、超声波接收探头、固定支架，所述超声波发射探头与超声波接收探头通过固定支架对称分布在供水管道外壁两侧，所述固定支架两侧端面的四周设有弹簧销，每个弹簧销的外侧和内侧开有相同的圆形孔，柱状螺栓穿过位于外侧的圆形孔拧入固定支架上的螺纹孔中，插杆两端分别穿过水平相对设置的位于内侧的圆形孔插入固定支架上的光滑孔中；上部弹簧销均分别连接一个L型销杆的竖直端，该L型销杆的水平端与超声波发射探头相连；下部弹簧销均分别连接一个L型销杆的竖直端，该L型销杆的水平端与超声波接收探头相连；所述固定支架包括固定块a和固定块b，在固定块a和固定块b中部内侧对称设有凹槽，供水管道贯穿该凹槽；所述超声波发射探头的底部与供水管道相接触，超声波发射探头的顶部与对应的四个上部L型销杆相连；所述超声波接收探头的顶部与供水管道相接触，超声波接收探头的底部与对应的四个下部L型销杆相连；还包括超声波发射与接收信号单元、同步采集与数据转换单元、通讯单元与上位主机单元，所述超声波发射与接收信号单元的输入端分别通过信号线和超声波发射探头、超声波接收探头相连，超声波发射与接收信号单元的输出端和同步采集与数据转换单元的输入端相连，所述同步采集与数据转换单元的输出端连接至通讯单元与上位主机单元。

全文数据：一种基于超声波的供水管道结冰探测系统及方法技术领域本发明属于供水管道结冰探测领域，具体说是一种基于超声波的供水管道结冰探测系统及方法。背景技术在我国寒冷地区冬季，供水管道处于低温环境时管内流体极易发生结冰。当管内水流速度较低或处于静止状态时，结冰程度进一步加剧而诱发管道堵塞。为了防止或缓解低温环境供水管道结冰，管道电伴热是目前应用最为广泛的解决方案。通过在管道壁面形成高温或热流边界，实现水流结冰抑制或融化结冰层目标。然而，因为缺乏对管道内水流结冰位置、结冰层厚度等信息的获知，电伴热的加热功率和启停时间难于精确匹配管道结冰状况。若无法对管道结冰状况实时监测，长时间、大功率运行电伴热装置势必会产生较高的电能消耗。此时，准确探测低温环境供水管道结冰状况，将对供水管道加热与运行策略的制定具有重要指导作用，对保障清水供应系统使用的可靠性与经济性具有显著工程价值。目前，有关低温环境供水管道结冰探测系统及方法的文献和专利报道仍非常有限。已有结冰探测系统主要应用于道路、电力、航空等行业领域，即：利用传感器探测目标对象表面结冰后产生的光学、电学、力学、声学等性质变化间接获得结冰状况，包括光纤式结冰探测系统、红外式结冰探测系统、电学式结冰探测系统等。然而，光纤式结冰探测系统和红外式结冰探测系统容易受到杂光环境污染、光纤传输损耗等因素影响。电学式结冰探测系统则受到极板间介质的电容值及其变化幅度制约，存在一定的错误探测概率。机械式结冰探测系统需要考虑传感器谐振频率温度漂移影响，探测精度与温度补偿密切关联。由此可见，既有结冰探测系统的应用场景与低温环境供水管道结冰探测场景存在显著差异，无法直接应用于低温环境供水管道结冰探测。同时，结冰探测系统的抗干扰性、准确性和便捷性也有待于进一步改进。因此，发展具有一定适用性、准确性和便捷性的低温环境供水管道结冰探测系统及方法尤为关键。发明内容为解决现有技术中存在的上述问题，本申请提供一种基于超声波的供水管道结冰探测系统及方法，使低温环境供水管道结冰探测的适用性、准确性和便捷性得到显著提升。为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种基于超声波的供水管道结冰探测系统，包括：超声波发射探头、超声波接收探头、固定支架，所述超声波发射探头与超声波接收探头通过固定支架对称分布在供水管道外壁两侧，所述固定支架两侧端面的四周设有弹簧销，每个弹簧销的外侧和内侧开有相同的圆形孔，柱状螺栓穿过位于外侧的圆形孔拧入固定支架上的螺纹孔中，插杆两端分别穿过水平相对设置的位于内侧的圆形孔插入固定支架上的光滑孔中；上部弹簧销均分别连接一个L型销杆的竖直端，该L型销杆的水平端与超声波发射探头相连；下部弹簧销均分别连接一个L型销杆的竖直端，该L型销杆的水平端与超声波接收探头相连。进一步的，还包括超声波发射与接收信号单元、同步采集与数据转换单元、通讯单元与上位主机单元，所述超声波发射与接收信号单元的输入端分别通过信号线和超声波发射探头、超声波接收探头相连，超声波发射与接收信号单元的输出端和同步采集与数据转换单元的输入端相连，所述同步采集与数据转换单元的的输出端连接至通讯单元与上位主机单元。进一步的，所述超声波发射与接收信号单元还与供电单元相连。进一步的，所述超声波发射探头的底部与供水管道相接触，超声波发射探头的顶部与对应的四个上部L型销杆相连。进一步的，所述超声波接收探头的顶部与供水管道相接触，超声波接收探头的底部与对应的四个下部L型销杆相连。本申请还提供一种基于超声波的供水管道结冰探测方法，具体步骤如下：S1、超声波发射探头发射脉冲信号，脉冲信号穿过无结冰发生的供水管道的管道壁和管内水流，被超声波接收探头接收，此时接收时间为t1；S2、超声波发射探头发射脉冲信号，脉冲信号穿过疑似结冰发生的供水管道的管道壁、结冰层和管内水流，被超声波接收探头接收，此时接收时间为t2；S3、比较步骤S1和步骤S2中测得的接收时间t1和接收时间t2，若t1＝t2，则判断供水管道内无结冰发生；若t1t2，则判断被测供水管道内发生结冰，进一步执行步骤S4确定结冰层的结冰厚度δ；S4、通过下述公式确定有结冰发生的供水管道内结冰层的结冰厚度δ，δ＝t1－t2×u×c2u－c式中，δ表示结冰厚度，u和c分别表示超声波在冰和水中传播速度，常压下为定值，作为已知条件输入。进一步的，接收时间为t1和接收时间为t2，均经由超声波发射与接收信号单元完成脉冲信号发射、探头激励和回波信号接收，同步采集与数据转换单元通过高速采集电路实现对回波信号的接收和数字信号转化，通讯单元与上位主机单元接收上级单元输入的数字信号并在上位主机显示接收时间t1和接收时间t2。本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：通过测量和比较供水管道内无结冰和供水管道内疑似结冰时超声波穿越供水管道横截面的时间，判断是否发生结冰并确定管道结冰厚度，能够有效指导管壁加热的热流量或加热温度达到节能效果；通过可拆卸的固定支架将超声波发射探头和超声波接收探头固定在管道上，可实现供水管道水流流动方向随机点位灵活探测；结冰厚度是时间和超声波速度的函数，变量测试过程中扰动量少、测量便捷。附图说明图1为本申请的结构示意图；图2为本申请的俯视图；图3为本申请的主视图；图4为本申请的侧视图；图5为本申请的原理框图。图中序号说明：1.超声波发射探头，2.超声波接收探头，3.固定支架，4.超声波发射与接收信号单元，5.同步采集与数据转换单元，6.通讯单元与上位主机单元，7.供电单元，8.信号线，9.供水管道，10.管道壁，11.结冰层，12.管内水流，13.弹簧销，14.L型销杆，15.圆形孔，16.柱状螺栓，17.插杆，18.螺纹孔，19.光滑孔。具体实施方式本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。实施例1本实施例提供一种基于超声波的供水管道结冰探测系统，包括超声波发射探头、超声波接收探头、固定支架，所述固定支架包括：固定块a和固定块b，在固定块a和固定块b中部内侧对称设有凹槽，供水管道贯穿该凹槽；所述固定支架两侧端面的四周均设有弹簧销，每侧端面上设有4个弹簧销，每个弹簧销的外侧和内侧开有相同的圆形孔，柱状螺栓穿过外侧圆形孔拧入固定支架上对应的螺纹孔中，插杆分别穿过水平相对设置的内侧圆形孔进而插入固定支架上的光滑孔中，固定块a和固定块b通过8根插杆连接固定；上部两侧的4个弹簧销均分别连接一个L型销杆的竖直端，该L型销杆的水平端与超声波发射探头相连；下部两侧的4个弹簧销均分别连接一个L型销杆的竖直端，该L型销杆的水平端与超声波接收探头相连。L型销杆的竖直端位于弹簧销的中间位置；所述超声波发射探头的底部与供水管道相接触，所述超声波接收探头的顶部与供水管道相接触，所述超声波发射探头与超声波接收探头的固定支架对称设置在供水管道外壁两侧。优选的，本申请还包括超声波发射与接收信号单元、同步采集与数据转换单元、通讯单元与上位主机单元，所述超声波发射与接收信号单元的输入端分别通过信号线和超声波发射探头、超声波接收探头相连，超声波发射与接收信号单元的输出端和同步采集与数据转换单元的输入端相连，所述同步采集与数据转换单元的的输出端连接至通讯单元与上位主机单元；所述超声波发射与接收信号单元还与供电单元相连。实施例2本申请还提供一种基于超声波的供水管道结冰探测方法，具体步骤如下：S1、超声波发射探头发射脉冲信号，脉冲信号穿过无结冰发生的供水管道的管道壁和管内水流，被超声波接收探头接收，此时接收时间为t1；S2、超声波发射探头发射脉冲信号，脉冲信号穿过疑似结冰发生的供水管道的管道壁、结冰层和管内水流，被超声波接收探头接收，此时接收时间为t2；S3、比较步骤S1和步骤S2中测得的接收时间t1和接收时间t2，若t1＝t2，则判断供水管道内无结冰发生；若t1t2，则判断被测供水管道内发生结冰，进一步执行步骤S4确定结冰层的结冰厚度δ；S4、通过下述公式确定有结冰发生的供水管道内结冰层的结冰厚度δ，δ＝t1－t2×u×c2u－c式中，δ表示结冰厚度，u和c分别表示超声波在冰和水中传播速度，常压下为定值，作为已知条件输入。优选的，接收时间为t1和接收时间为t2，均经由超声波发射与接收信号单元完成脉冲信号发射、探头激励和回波信号接收，同步采集与数据转换单元通过高速采集电路实现对回波信号的接收和数字信号转化，通讯单元与上位主机单元接收上级单元输入的数字信号并在上位主机显示接收时间t1和接收时间t2。以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种基于超声波的供水管道结冰探测系统，其特征在于，包括：超声波发射探头、超声波接收探头、固定支架，所述超声波发射探头与超声波接收探头通过固定支架对称分布在供水管道外壁两侧，所述固定支架两侧端面的四周设有弹簧销，每个弹簧销的外侧和内侧开有相同的圆形孔，柱状螺栓穿过位于外侧的圆形孔拧入固定支架上的螺纹孔中，插杆两端分别穿过水平相对设置的位于内侧的圆形孔插入固定支架上的光滑孔中；上部弹簧销均分别连接一个L型销杆的竖直端，该L型销杆的水平端与超声波发射探头相连；下部弹簧销均分别连接一个L型销杆的竖直端，该L型销杆的水平端与超声波接收探头相连。2.根据权利要求1所述一种基于超声波的供水管道结冰探测系统，其特征在于，还包括超声波发射与接收信号单元、同步采集与数据转换单元、通讯单元与上位主机单元，所述超声波发射与接收信号单元的输入端分别通过信号线和超声波发射探头、超声波接收探头相连，超声波发射与接收信号单元的输出端和同步采集与数据转换单元的输入端相连，所述同步采集与数据转换单元的的输出端连接至通讯单元与上位主机单元。3.根据权利要求2所述一种基于超声波的供水管道结冰探测系统，其特征在于，所述超声波发射与接收信号单元还与供电单元相连。4.根据权利要求1所述一种基于超声波的供水管道结冰探测系统，其特征在于，所述超声波发射探头的底部与供水管道相接触，超声波发射探头的顶部与对应的四个上部L型销杆相连。5.根据权利要求1所述一种基于超声波的供水管道结冰探测系统，其特征在于，所述超声波接收探头的顶部与供水管道相接触，超声波接收探头的底部与对应的四个下部L型销杆相连。6.一种基于超声波的供水管道结冰探测方法，其特征在于，具体步骤如下：S1、超声波发射探头发射脉冲信号，脉冲信号穿过无结冰发生的供水管道的管道壁和管内水流，被超声波接收探头接收，此时接收时间为t1；S2、超声波发射探头发射脉冲信号，脉冲信号穿过疑似结冰发生的供水管道的管道壁、结冰层和管内水流，被超声波接收探头接收，此时接收时间为t2；S3、比较步骤S1和步骤S2中测得的接收时间t1和接收时间t2，若t1＝t2，则判断供水管道内无结冰发生；若t1t2，则判断被测供水管道内发生结冰，进一步执行步骤S4确定结冰层的结冰厚度δ；S4、通过下述公式确定有结冰发生的供水管道内结冰层的结冰厚度δ，δ＝t1－t2×u×c2u－c式中，δ表示结冰厚度，u和c分别表示超声波在冰和水中传播速度，常压下为定值，作为已知条件输入。7.根据权利要求1所述一种基于超声波的供水管道结冰探测方法，其特征在于，接收时间为t1和接收时间为t2，均经由超声波发射与接收信号单元完成脉冲信号发射、探头激励和回波信号接收，同步采集与数据转换单元通过高速采集电路实现对回波信号的接收和数字信号转化，通讯单元与上位主机单元接收输入的数字信号并在上位主机显示接收时间t1和接收时间t2。

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