專利名稱：基于負(fù)阻特性的流量測量方法及電阻流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過測量流場內(nèi)液體兩定點間電阻來測量流量的方法及裝置，特別是基于負(fù)阻特性的流量測量方法以及利用該方法設(shè)計的電阻流量計。
背景技術(shù)：
流量計是石油、化工、食品、環(huán)境保護(hù)、流體傳動與控制等諸多領(lǐng)域都廣泛使用的儀表。在石油、化工行業(yè)，流量經(jīng)常是主要的測控參數(shù)，其檢測精度對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)安全都有重要影響。在流體傳動與控制上，流量更是監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，評價系統(tǒng)元件靜、動態(tài)性能的主要參數(shù)，提高流量測量的精度和技術(shù)水平具有重大的理論意義及實用價值。
目前正在使用的流量計種類繁多，測量原理各異，除了體積式、質(zhì)量式是直接測量流量外，大多數(shù)流量計是屬于間接測量。由于流量等于平均流速乘以過流截面積Q＝AV，可通過測量與流體平均流速V有關(guān)的物理量x或該物理量的增量Δx，在流體流動時若有V＝f(x)，就可利用Q＝AV＝Af(x)測算流量。
根據(jù)上述間接測量的原理，選用不同的物理量為對象就形成了不同的流量計。取x為壓差Δp時是壓差式流量計，如孔板式、噴嘴式、文丘里式、層流流量計等；取葉輪的脈沖頻率為x時，就是葉輪式流量計，如渦輪式流量計、分流旋翼流量計等；取x為流體紊流時的旋渦頻率時，就是渦流流量計，如渦街流量計、旋進(jìn)旋渦流量計等；若取超聲波被流體反射后的參數(shù)，如頻率、時間差為x時就是超聲流量計、多普勒流量計等。此外還有電磁流量計，激光流量計等。
目前流量計存在的問題，(1)干擾流場，改變流態(tài)。多數(shù)流量計需要在管道內(nèi)設(shè)置孔板、渦輪、節(jié)流元件，產(chǎn)生較大的壓力損失，干擾流場，測量誤差大。(2)動態(tài)響應(yīng)速度慢。由于運動部件慣性影響，多數(shù)只能測量平均流量，對于瞬時動態(tài)流量無法作出反應(yīng)。(3)價格偏高。如激光式、超聲波式流量計，價格較高，應(yīng)用受限制。
從測試的要求看，測量目的已從簡單靜態(tài)平均流量的測量，轉(zhuǎn)向了同時要求動態(tài)瞬時流量的測量。特別是在流體傳動與控制領(lǐng)域，響應(yīng)速度越來越快，對系統(tǒng)動態(tài)性能的要求越來越高，現(xiàn)今的動態(tài)瞬時流量的測量水平已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際控制要求，動態(tài)瞬時流量的測量已成為制約系統(tǒng)控制性能提高的問題。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是研究流動液體平均流速V與電阻R之間的相互作用機理，找出二者之間的關(guān)系，以電阻R為間接測定液體平均流速的物理量x，并由此提出一種新的流量測量理論和方法，以及根據(jù)這種理論及方法設(shè)計一種電阻流量計。本發(fā)明和方法科學(xué)合理，裝置安裝方便；不干擾流場，壓力損失??；無運動部件，可最大限度地消除慣性影響，動態(tài)性能好，能方便準(zhǔn)確的測量動態(tài)瞬時流量。

發(fā)明內(nèi)容
基于負(fù)阻特性的流量測量方法，其特征在于，測量流場內(nèi)液體兩定點間電阻的變化量及對應(yīng)的液體的平均流速，通過標(biāo)定，找出不同液體的電阻R與平均流速V的關(guān)系V＝f(R)，進(jìn)而由Q＝AV＝Af(x)而計算得流量，利用欲測定其流量的管道內(nèi)所設(shè)的兩個電極間由被測液體構(gòu)成的液體可變電阻R測量流量，具體方法為(1)在欲測定其流量的管道內(nèi)設(shè)兩個電極，電極與液體直接接觸，當(dāng)管內(nèi)充滿液體后兩電極間形成一個數(shù)值隨液體平均流速變化的液體電阻，(2)保持管內(nèi)液體靜止，測定兩電極間的原始液體電阻R0，(3)改變管內(nèi)液體平均流速，依次取V1、V2、V3……Vn，測出相對應(yīng)的電阻R1R2R3……Rn，(4)采用現(xiàn)有公知的計算機曲線擬合程序處理上述數(shù)據(jù)，得出流量與電阻間的函數(shù)關(guān)系V＝f(R)，(5)測量管道過流截面積A，(6)將步驟(4)、(5)得出的關(guān)系式和數(shù)據(jù)輸入流量積算儀，存儲待用，(7)流量積算儀根據(jù)已存儲的不同液體電阻與平均流速的函數(shù)關(guān)系V＝f(R)，并根據(jù)Q＝AV＝Af(x)關(guān)系，利用其預(yù)設(shè)的現(xiàn)有公知的計算程序，計算液體流量，(8)通過流量積算儀內(nèi)的在線監(jiān)控程序控制顯示儀實時顯示記錄流量值，并可查詢歷史記錄。
本發(fā)明的基于負(fù)阻特性的電阻流量計，其特征在于，包括有(1)體電阻變化量的流量傳感器，(2)用于將轉(zhuǎn)換電阻信號并放大的前置放大轉(zhuǎn)換器，(3)有利用不同液體電阻與電壓信號關(guān)系V＝f(R)，并根據(jù)Q＝AV＝Af(x)關(guān)系，利用其預(yù)設(shè)的現(xiàn)有公知的計算程序，計算流量的流量積算儀，(4)顯示記錄流量值的顯示、記錄儀，(5)將流量信號輸出，供自動控制使用的I/O接口電路，(6)電源，流量傳感器體(4)兩端為可拆卸的連接結(jié)構(gòu)，內(nèi)孔供液體通過，在內(nèi)孔分別設(shè)有測兩定點間電阻變化的電極(2)，傳感器與前置放大變換器電氣聯(lián)接；前置放大變換器與流量積算儀電氣聯(lián)接；流量積算儀與顯示儀電氣聯(lián)接；流量積算儀與流量信號輸出I/O接口電氣聯(lián)接；電源分別與流量傳感器、前置放大變換器、流量積算儀、及流量顯示儀電氣聯(lián)接。
根據(jù)理論分析和實驗驗證，流場內(nèi)兩定點間的電阻，會隨著平均流速的增加而減小，我們稱之為“負(fù)阻特性”。當(dāng)流體一定，外界條件不變時，二者之間存在確定的的函數(shù)關(guān)系。只要能建立此函數(shù)關(guān)系V＝f(R)，就可由式Q＝AV＝Af(R)流量。此即電阻流量計的理論基礎(chǔ)，據(jù)此本發(fā)明提出基于負(fù)阻特性的流量測量方法及電阻流量計。
本發(fā)明的測量流量方法的理論依據(jù)是，液體流場兩定點間的電阻與平均流速之間存在確定的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)平均流速為零時，有一原始值R0，當(dāng)平均流速增加時此電阻會改變，平均流速和電阻之間存在確定的函數(shù)關(guān)系，我們選擇電阻R作為參考物理量，建立函數(shù)關(guān)系V＝f(R)，就能間接測定平均流速V，進(jìn)而通過Q＝AV＝Af(R)測算得到流量。各種不同的液體V與R的函數(shù)關(guān)系是不同的，測算中應(yīng)分別進(jìn)行標(biāo)定。各種不同液體的標(biāo)定結(jié)果對應(yīng)于不同的函數(shù)關(guān)系，記為f1(R)、f2(R)、f3(R)……，存儲于流量積算儀中備用。
在本發(fā)明中，流量傳感器，也被稱為流量變送器，其作用是將平均流速信號轉(zhuǎn)換為電阻或與電阻變化有關(guān)的電壓、電流信號的部件。前置放大轉(zhuǎn)換器，用于放大、變換流量傳感器的輸出信號，使之能方便地被流量積算儀處理。流量積算儀，用于接收前置放大輸出信號，運算、處理后得出流量信號。顯示儀用于將流量、總流量、平均流量等數(shù)值以人能感知的形式表輸出，如表針指示、LED顯示和打印機打印輸出等。流量信號輸出有電壓、電流等多種形式，供自動控制儀表或上一級控制計算機使用。
本發(fā)明的特點，(1)只需要測量流場內(nèi)任意兩固定點間的液體電阻并將其轉(zhuǎn)換成與電阻有關(guān)的電壓、電流等信號，就能得到液體的流量，故方法簡單，傳感器結(jié)構(gòu)也非常簡單，強度好。本發(fā)明除用于常壓液體流量測量外，還可用于高壓液體流量測量，如水射流切割、純水液壓傳動等。(2)本發(fā)明是將電阻的變化由電橋或其它電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，最后結(jié)果的輸出設(shè)計為數(shù)字量或模擬量都很方便，選擇余地大，應(yīng)用范圍廣。(3)本發(fā)明的傳感器不會干擾流場，沒有壓力損失，還可以測量帶腐蝕性的液體，如水、酸、堿溶液等的流量。(4)本發(fā)明無運動部件，響應(yīng)快，動態(tài)特性好，除可測量平均流量外，更可用于動態(tài)瞬時流量的在線測量，這一點對于流體傳動與控制系統(tǒng)、精細(xì)化工等領(lǐng)域具有重大的意義。
本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電或微導(dǎo)電液體，如水或各種酸、堿、鹽溶液的流量測量，在純水液壓傳動，環(huán)保水處理系統(tǒng)、化工行業(yè)中酸、堿溶液的流量測量，生產(chǎn)過程自動控制方面，可有廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用前景良好。
下面將結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步解釋。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框2為本發(fā)明傳感器電氣原理3為本發(fā)明具有環(huán)狀電極的傳感器結(jié)構(gòu)示意4為本發(fā)明具有針狀電極的傳感器結(jié)構(gòu)示意5為分壓式前置放大轉(zhuǎn)換器電氣原理6為橋式前置放大轉(zhuǎn)換器電氣原理7為流量積算儀結(jié)構(gòu)框8為本發(fā)明流量測量連接示意9為本發(fā)明流量測量、控制連接示意圖具體實施方式
基于負(fù)阻特性的流量測量方法及電阻流量計1、基于負(fù)阻特性的流量測量方法在流場內(nèi)，測量液體兩定點間電阻的變化，通過標(biāo)定找出不同液體的電阻R與平均流速V的關(guān)系V＝f(R)，通過前置放大變換器、流量積算儀處理信息，得到流量信息并在顯示儀顯示，具體方法為，(1)欲測定其流量的管道內(nèi)串聯(lián)兩個電極，電極與液體直接接觸，當(dāng)管內(nèi)充滿液體后兩電極間形成一個數(shù)值隨平均流速而變的液體電阻，(2)對流量計進(jìn)行標(biāo)定，首先保持管內(nèi)液體靜止，測定兩極間的原始液體電阻R0；改變管內(nèi)液體平均流速，依次取V1、V2、V3……Vn，測出相對應(yīng)的電阻R1、R2、R3……Rn，(3)采用現(xiàn)有公知的計算機程序處理上述數(shù)據(jù)，得出流量與電阻間的函數(shù)關(guān)系V＝f(R)，并儲存于流量積算儀待用，(4)測量管道過流截面積A，(5)將步驟(4)、(5)得出的關(guān)系式和數(shù)據(jù)輸入流量積算儀，利用其預(yù)設(shè)的現(xiàn)有公知的計算程序(例如)，計算Q＝Af(R)，得到液體流量，(6)通過積算儀內(nèi)的在線監(jiān)控程序控制顯示儀實時顯示當(dāng)前流量值，并可查詢歷史記錄，(7)將流量信號變換后輸出，供自動控制使用。
2、基于負(fù)阻特性的電阻流量計根據(jù)上述方法設(shè)計流量傳感器。流量傳感器體(4)兩端為螺紋(6)或法蘭(8)以便與液體管道(10)連接，通常是被測管道直徑較小時采用螺紋連接，被測管道直徑較大時采用法蘭連接(8)。內(nèi)孔供液體通過，在內(nèi)孔中分別固定有測兩定點間電阻變化的兩個電極(2)，圓環(huán)狀電極(9)內(nèi)孔直徑與傳感器內(nèi)孔直徑相同且同心，均為25毫米，通常兩電極間距離可取10-50毫米。電極也可以為圓環(huán)狀(9)、針狀或柱狀(7)等，以圓環(huán)狀電極效果最好，如圖3、圖4。電極(2)，由引出線(3)電氣連接至前置放大變換器，電極與傳感器體之間設(shè)有絕緣片(5)傳感器串聯(lián)前置放大變換器，前置放大變換器與流量積算儀電氣聯(lián)接；流量積算儀與顯示儀電氣聯(lián)接，電源是為整機提供能量，電源分別與流量傳感器、前置放大變換器、流量積算儀、及流量顯示儀電氣聯(lián)接。前置放大變換器用于將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大，流量信號輸出可以是電壓、電流等多種形式，流量積算儀用于接收前置放大變換器的信號，并利用存儲不同液體的電阻R與平均流速V的函數(shù)關(guān)系V＝f(R)，根據(jù)預(yù)設(shè)程序計算流量，并作可變換處理后輸出。顯示、記錄儀及電源，流量積算儀電氣聯(lián)接將流量信號輸出提供使用的裝置。傳感器在結(jié)構(gòu)上是獨立的，電源、前置放大轉(zhuǎn)換器、流量積算儀、顯示記錄儀作為一個整體，置于主機(1)箱內(nèi)。也可外接擴展顯示記錄儀。
本實施例中前置放大轉(zhuǎn)換器可采用多種形式，可采用分壓式前置放大轉(zhuǎn)換器，如圖5。分壓式前置轉(zhuǎn)換放大器由固定電阻R0、液體可變電阻R、電源、集成運算放大電路組成，液體可變電阻由兩測量電極及被測液體組成，放大器的輸出信號取自液體可變電阻兩端的電壓u。設(shè)電源電壓為常數(shù)U，由于集成運算放大電路的輸入電阻很大，由電工學(xué)理論可得u=URR+R0]]>當(dāng)R隨著液體平均流速變化時u也在作相應(yīng)的變化，u中包含了平均流速變化的信息。
本實施例也可采用橋式前置放大轉(zhuǎn)換器，由三個固定電阻R0和被測液體構(gòu)成的液體可變電阻R組成了一個電橋，電氣原理如圖6所示。放大器的輸出取為a、b兩點間的電壓，同樣可以由電工學(xué)的原理得到u=UR0-R2(R+R0)]]>當(dāng)電阻R變化時同樣可以得到一個變化信號u。與分壓式前置放大轉(zhuǎn)換器相比，橋式前置放大轉(zhuǎn)換器抗干擾能力強，測量精度較高，屬首選形式。論采用采取上述那一種形式，前置放大轉(zhuǎn)換器都須具備以下特征，(1)具有由固定電阻R0和液體可變電阻R所組成的分壓電路或橋式電路。
(2)具有由集成運算放大器組成的放大電路。
(3)采用交流電源為分壓電路或電橋電路供電。
在本發(fā)明中流量積算儀的作用是接收前置放大送來的信號，經(jīng)運算、處理后得出流量信號。所得的信號分成兩路，一路驅(qū)動顯示儀表，直接讀數(shù)。另一路通過多路外接接口輸出，供自動控制或外接擴展的顯示儀表或其它儀器使用。輸出信號有數(shù)字信號和模擬信號兩種，可以自由選用。流量積算儀的核心是一臺單片機，圖6是一個流量積算儀結(jié)構(gòu)框圖。來自前置轉(zhuǎn)換放大器的信號u1通過(I/O)接口，經(jīng)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機，根據(jù)事先設(shè)定的程序進(jìn)行運算，得出的流量信號一路送入顯示儀表，直接顯示數(shù)據(jù)，供使用人員讀取。另一路經(jīng)I/O接口輸出，輸出量有數(shù)字信號和模擬信號兩種，可根據(jù)實際情況選用。輸出接口設(shè)置多個，可同時供不同自動控制儀表或上一級控制計算機進(jìn)行自動控制時使用，也可用以驅(qū)動打印機、示波器等擴展的二次儀表。流量數(shù)據(jù)存儲在單片機內(nèi)，可隨時供查詢?nèi)∮谩?br> 顯示、記錄儀是將流量、總流量、平均流量等數(shù)值，以人能感知的形式表輸出，如表針指示、發(fā)光二極管(LED)、液晶顯示器(LCD)顯示或打印機打印輸出等。
電阻式流量計利用流動液體電阻隨液體平均流速增加而降低的特性進(jìn)行測量，流量計取得的流量信號分為兩路輸出，一路接顯示儀表，由操作人員直接讀取。另一路根據(jù)需要，可以有電壓、電流、頻率等多種形式輸出，供自動控制系統(tǒng)使用。由此可知，電阻式流量計不但可以作為常規(guī)的流量計使用，更可以作為自控系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，對涉及到流量或與流量有關(guān)的各種生產(chǎn)過程實現(xiàn)閉環(huán)自動控制。
圖8為只需作流量測量時的連接示意圖。將傳感器串聯(lián)接入欲測流量的管道，由操作人員直接讀出管內(nèi)液體的流量，或自動保存?zhèn)洳?，流量信號輸出接口空閑不用。只需知道流量值時，這樣的接法即可。
圖9為流量測量、控制連接示意圖。將實際流量的信號，經(jīng)輸出接口送入比較運算單元，與給定的流量信號比較后，得出偏差值，放大后由動力元件驅(qū)動計量泵或控制閥產(chǎn)生相應(yīng)的動作，增加或減小流量，從而達(dá)到控制流量的目的。
權(quán)利要求
1.基于負(fù)阻特性的流量測量方法，其特征在于，測量流場內(nèi)液體兩定點間電阻的變化量及對應(yīng)的液體的平均流速，通過標(biāo)定，找出不同液體的電阻R與平均流速V的關(guān)系V＝f(R)，進(jìn)而由Q＝AV＝Af(x)而計算得流量，利用欲測定其流量的管道內(nèi)所設(shè)的兩個電極間由被測液體構(gòu)成的液體可變電阻R測量流量，具體方法為(1)在欲測定其流量的管道內(nèi)設(shè)兩個電極，電極與液體直接接觸，當(dāng)管內(nèi)充滿液體后兩電極間形成一個數(shù)值隨液體平均流速變化的液體電阻；(2)保持管內(nèi)液體靜止，測定兩電極間的原始液體電阻R0，(3)改變管內(nèi)液體平均流速，依次取V1、V2、V3……Vn，測出相對應(yīng)的電阻R1R2R3……Rn，(4)采用現(xiàn)有公知的計算機曲線擬合程序處理上述數(shù)據(jù)，得出流量與電阻間的函數(shù)關(guān)系V＝f(R)，(5)測量管道過流截面積A，(6)將步驟(4)、(5)得出的關(guān)系式和數(shù)據(jù)輸入流量積算儀，存儲待用，(7)流量積算儀根據(jù)已存儲的不同液體電阻與平均流速的函數(shù)關(guān)系V＝f(R)，并根據(jù)Q＝AV＝Af(x)關(guān)系，利用其預(yù)設(shè)的現(xiàn)有公知的計算程序，計算液體流量，(8)通過流量積算儀內(nèi)的在線監(jiān)控程序控制顯示儀實時顯示記錄流量值，并可查詢歷史記錄。
2.基于負(fù)阻特性的電阻流量計，其特征在于，包括有(1)檢測液體電阻變化量的流量傳感器，(2)用于轉(zhuǎn)換電阻信號并放大的前置放大轉(zhuǎn)換器，(3)有利用不同液體電阻與液體平均流速函數(shù)關(guān)系V＝f(R)，并根據(jù)Q＝AV＝Af(x)關(guān)系，利用其預(yù)設(shè)的現(xiàn)有公知的計算程序，計算流量的流量積算儀，(4)顯示記錄流量值的顯示、記錄儀，(5)將流量信號輸出，供自動控制使用的I/O接口電路，(6)電源，流量傳感器體(4)兩端為可拆卸的連接結(jié)構(gòu)，內(nèi)孔供液體通過，在內(nèi)孔分別設(shè)有2個測兩定點間電阻變化的電極(2)，傳感器與前置放大變換器電氣聯(lián)接；前置放大變換器與流量積算儀電氣聯(lián)接；流量積算儀與顯示儀電氣聯(lián)接；流量積算儀與流量信號輸出I/O接口電氣聯(lián)接；電源分別與流量傳感器、前置放大變換器、流量積算儀、及流量顯示儀電氣聯(lián)接。
3.如權(quán)利要求2所述的基于負(fù)阻特性的電阻流量計，其特征在于，前置放大轉(zhuǎn)換器的電路中具有由固定電阻R0和數(shù)值隨液體平均流速變化的液體可變電阻R所組成的分壓電路或橋式電路。
4.如權(quán)利要求2所述的基于負(fù)阻特性的電阻流量計，其特征在于，流量傳感器設(shè)有2個電極(2)，由引出線(3)電氣連接至前置放大變換器，電極為圓環(huán)狀(9)、針狀或柱狀(7)。
5.如權(quán)利要求3所述的基于負(fù)阻特性的電阻流量計，其特征在于，可拆卸的連接結(jié)構(gòu)為螺紋連接(6)或法蘭連接(8)。
全文摘要
基于負(fù)阻特性的流量測量方法，測量流場內(nèi)液體兩定點間電阻的變化量及對應(yīng)的液體的平均流速，通過標(biāo)定，找出不同液體的電阻R與平均流速V的關(guān)系V＝f(R)，進(jìn)而由Q＝AV＝Af(x)而計算得流量，利用欲測定其流量的管道內(nèi)所設(shè)的兩個電極間由被測液體構(gòu)成的液體可變電阻R測量流量?；谪?fù)阻特性的電阻流量計包括有流量傳感器，前置放大轉(zhuǎn)換器，流量積算儀，顯示、記錄儀，接口電路及電源。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電或微導(dǎo)電液體，如水或各種酸、堿、鹽溶液的流量測量，在純水液壓傳動，環(huán)保水處理系統(tǒng)、化工行業(yè)中酸、堿溶液的流量測量，生產(chǎn)過程自動控制方面，可有廣泛的應(yīng)用；應(yīng)用前景良好。
文檔編號G01F1/56GK1828230SQ20061001079
公開日2006年9月6日 申請日期2006年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月6日
發(fā)明者楊尚平, 楊曉玉, 馬駿騎, 陳斌 申請人:昆明理工大學(xué)