專利名稱：一種流體流速流量測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體流速流量檢測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種流體流速流量測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
管道中的流體廣泛存在于石油化工、食品制藥、冶金、公用工程和環(huán)保等行業(yè)部門(mén)，其流速與流量的在線測(cè)量對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)操作、可靠運(yùn)行和質(zhì)量控制等具有重要的意義?，F(xiàn)有的流速流量測(cè)量?jī)x表對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常規(guī)管徑管道中純凈流體的流速、流量測(cè)量技術(shù)較為成熟，但是對(duì)于帶有污濁物、懸浮物和固體雜質(zhì)等的導(dǎo)電性流體的流速流量測(cè)量問(wèn)題，目前的研究工作還很有限，相關(guān)的測(cè)量手段比較缺乏。電容耦合式非接觸電導(dǎo)測(cè)量技術(shù)是一種新型電導(dǎo)測(cè)量技術(shù)。由于電極不與被測(cè)液體直接接觸，因此不存在傳統(tǒng)接觸式電導(dǎo)測(cè)量中的電化學(xué)腐蝕和電極極化效應(yīng)等問(wèn)題，具有廣闊的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求。然而，目前該技術(shù)的研究與應(yīng)用主要局限于分析化學(xué)等領(lǐng)域中毛細(xì)管尺度及以下管徑的離子濃度檢測(cè)，在常規(guī)工業(yè)流速、流量測(cè)量領(lǐng)域基本上屬于空白。本發(fā)明將電容耦合式非接觸測(cè)電導(dǎo)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程的流體流速、流量測(cè)量領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一種流體流速、流量測(cè)量裝置及方法。相應(yīng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、無(wú)壓力損耗、成本低和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，為測(cè)量管道內(nèi)流體流速流量提供了一條有效的新途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種穩(wěn)定、可靠的流體流速流量測(cè)量裝置及方法。流體流速流量測(cè)量裝置包括交流激勵(lì)源、第一金屬法蘭連接件、第一接地線、第二金屬法蘭連接件、第二接地線、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、微型計(jì)算機(jī)、絕緣測(cè)量管道、 第一檢測(cè)電極、第一電感模塊、第三電感模塊、激勵(lì)電極、第二檢測(cè)電極、第二電感模塊，由絕緣測(cè)量管道、第一檢測(cè)電極、第一電感模塊、第三電感模塊、激勵(lì)電極、第二檢測(cè)電極、第二電感模塊構(gòu)成三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器，在絕緣測(cè)量管道的外壁等間距安裝有第一檢測(cè)電極、激勵(lì)電極和第二檢測(cè)電極，激勵(lì)電極與第三電感模塊一端相連，第一檢測(cè)電極與第一電感模塊一端相連，第二檢測(cè)電極與第二電感模塊一端相連，第三電感模塊另一端與交流激勵(lì)源相連，第一電感模塊另一端與信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、微型計(jì)算機(jī)順次相連，第二電感模塊另一端與信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、微型計(jì)算機(jī)順次相連，絕緣測(cè)量管道一端設(shè)有第一金屬法蘭連接件通過(guò)第一接地線接地構(gòu)成一接地結(jié)構(gòu)，絕緣測(cè)量管道另一端設(shè)有第二金屬法蘭連接件通過(guò)第二接地線接地構(gòu)成另一接地結(jié)構(gòu)。流體流速流量測(cè)量方法的步驟如下1)兩端接地結(jié)構(gòu)消除了測(cè)量管道兩端浮置電壓對(duì)測(cè)量精度的不利影響；
2)設(shè)置交流激勵(lì)源的激勵(lì)頻率f為三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器的諧振頻
率乂=1在該頻率激勵(lì)信號(hào)作用下，電導(dǎo)傳感器處于諧振狀態(tài)，等效電路阻抗 2π V LC
Z =+R1RX2 +rIrXI +RXIRX2)+rIrIrxAI + Α(^ΛΛ+RAA:2 + ^ΚΛ ) φ λα pb ^
S “ A^R1 +E2 +Rxl +RJ+RM& +Rx^AilRlR2 +RlRxl +E2Rxl +RlRx2 +R2Rx2) Ψ ^^ 完全被消掉，等效電路總阻抗呈現(xiàn)出純阻性，其中，諧振因子」=+ J^t，f為交流激
勵(lì)源的激勵(lì)頻率，C為電導(dǎo)傳感器等效電路中的第一電容Ctl、第二電容C1和第三電容C2的值并且Ctl = C1 = C2 = C, L為電感模塊第一電感Ltl、第二電感L1和第三電感L2的電感值并且Ltl = L1 = L2 = L，第一電容Ctl為激勵(lì)電極、絕緣測(cè)量管道和管道內(nèi)流體形成的耦合電容，第二電容C1為第一檢測(cè)電極、絕緣測(cè)量管道與管道內(nèi)流體形成的耦合電容，第三電容C2 為第二檢測(cè)電極、絕緣測(cè)量管道與管道內(nèi)流體所形成的耦合電容，第一電感Ltl為第三電感模塊，第二電感L1為第一電感模塊，第三電感L2為第二電感模塊，第一阻抗Rxl為第一電容 C0與第二電容C1兩者之間流體等效阻抗，第二阻抗民2為第一電容Ctl與第三電容C2兩者之間流體等效阻抗，第三阻抗R1為第二電容C1與地電位兩者之間流體等效阻抗，第四阻抗& 為第三電容C2與地電位兩者之間流體等效阻抗；3)在諧振狀態(tài)下，第二電容C1的容抗與第二電感L1的感抗、第三電容C2的容抗與第三電感1^2的感抗相互抵消，第一阻抗Iixl與第二電容C1、第二阻抗Rx2與第二電容C2的連接端直接與信號(hào)處理模塊6中的運(yùn)算放大器反向輸入端相連，與運(yùn)算放大器同相輸入端等地電位，第一阻抗I xl、第二阻抗Rx2另一端已經(jīng)同地電勢(shì)相連，因此第一阻抗Rxl、第二阻抗Rx2 兩端同為地電勢(shì)被短路，不會(huì)有電流從第一阻抗Rxl、第二阻抗Rx2經(jīng)過(guò)，則第一阻抗Rxl、第二阻抗Rx2將測(cè)量系統(tǒng)與管道兩端的浮置電壓隔離，浮置電壓對(duì)測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有影響，同時(shí)第一電容Q1與第一電感Ltl相互抵消，消除了由絕緣測(cè)量管道、第一檢測(cè)電極、第一電感模塊、 第三電感模塊、激勵(lì)電極構(gòu)成的上游傳感器、由絕緣測(cè)量管道、第三電感模塊、激勵(lì)電極、第二檢測(cè)電極、第二電感模塊構(gòu)成的下游電導(dǎo)傳感器的耦合關(guān)系，上游、下游電導(dǎo)傳感器相互獨(dú)立共同使用第一電感Ltl作為輸入端，第三阻抗R1與第四阻抗&相互獨(dú)立互不影響，信號(hào)處理模塊通過(guò)三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器獲得兩組獨(dú)立的電導(dǎo)信號(hào)；4)信號(hào)處理模塊對(duì)上游、下游電導(dǎo)傳感器輸出的兩組獨(dú)立電導(dǎo)信號(hào)，進(jìn)行放大、整流、濾波處理后將由數(shù)據(jù)采集模塊采集到微型計(jì)算機(jī)中，采用如下公計(jì)算流速和流量，利用
公式 ⑴O論求出渡越時(shí)間τ。，其中中Rxy(T)為相關(guān)系數(shù)，x(t)為上
游電導(dǎo)傳感器輸出的電導(dǎo)信號(hào)，y(t)為下游電導(dǎo)傳感器輸出的電導(dǎo)信號(hào)，當(dāng)Rxy(T)為最大
L
值時(shí)取得渡越時(shí)間τ ^，進(jìn)而求出流速& = 一，流量Q = AV。，其中L為上游、下游電導(dǎo)傳感
tO
器的間距，A為測(cè)量管道的截面面積。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有有益效果1)測(cè)量方式為非接觸式，不僅不會(huì)影響被測(cè)介質(zhì)流動(dòng)特性、流體流動(dòng)場(chǎng)的分布，也不會(huì)帶來(lái)壓力損失。非接觸式測(cè)量方式不僅適用于測(cè)量純凈單相導(dǎo)電流體，還適用于測(cè)量含有污濁物、懸浮物和固體雜質(zhì)等的導(dǎo)電性流體，尤其解決了測(cè)量此類流體時(shí)測(cè)量管道容易發(fā)生堵塞等問(wèn)題；2)串聯(lián)諧振方法的應(yīng)用，消除了耦合電容對(duì)測(cè)量范圍和測(cè)量精度的不利影響，擴(kuò)大了測(cè)量裝置適用的管道尺寸。同時(shí)，本發(fā)明中三組獨(dú)立的電感模塊分別與三組耦合電容相互抵消，實(shí)現(xiàn)了上游傳感器與下游傳感器之間相互獨(dú)立，使傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)；3)通過(guò)兩端接地結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，不僅消除了絕緣測(cè)量管道兩端浮置電壓對(duì)測(cè)量精度的不利影響，提高了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性和測(cè)量精度，還可以方便地將傳感器與工業(yè)生產(chǎn)管道相連接。


圖1是流體流速流量測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器等效電路圖；圖3是本發(fā)明的三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器在串聯(lián)諧振狀態(tài)時(shí)等效電路圖和工作原理示意圖；圖中交流激勵(lì)源1、第一金屬法蘭連接件2、第一接地線3、第二金屬法蘭連接件 4、第一接地線5、信號(hào)處理模塊6、數(shù)據(jù)采集模塊7、微型計(jì)算機(jī)8、絕緣測(cè)量管道9、第一檢測(cè)電極10、第一電感模塊11、第三電感模塊12、激勵(lì)電極13、第二檢測(cè)電極14、第二電感模塊 15。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，流體流速流量測(cè)量裝置包括交流激勵(lì)源1、第一金屬法蘭連接件2、第一接地線3、第二金屬法蘭連接件4、第二接地線5、信號(hào)處理模塊6、數(shù)據(jù)采集模塊7、微型計(jì)算機(jī)8、絕緣測(cè)量管道9、第一檢測(cè)電極10、第一電感模塊11、第三電感模塊12、激勵(lì)電極 13、第二檢測(cè)電極14、第二電感模塊15，由絕緣測(cè)量管道9、第一檢測(cè)電極10、第一電感模塊 11、第三電感模塊12、激勵(lì)電極13、第二檢測(cè)電極14、第二電感模塊15構(gòu)成三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器，在絕緣測(cè)量管道9的外壁等間距安裝有第一檢測(cè)電極10、激勵(lì)電極13和第二檢測(cè)電極14，激勵(lì)電極13與第三電感模塊12 —端相連，第一檢測(cè)電極10與第一電感模塊 11 一端相連，第二檢測(cè)電極14與第二電感模塊15 —端相連，第三電感模塊12另一端與交流激勵(lì)源1相連，第一電感模塊11另一端與信號(hào)處理模塊6、數(shù)據(jù)采集模塊7、微型計(jì)算機(jī)8 順次相連，第二電感模塊15另一端與信號(hào)處理模塊6、數(shù)據(jù)采集模塊7、微型計(jì)算機(jī)8順次相連，絕緣測(cè)量管道9 一端設(shè)有第一金屬法蘭連接件2通過(guò)第一接地線3接地構(gòu)成一接地結(jié)構(gòu)，絕緣測(cè)量管道9另一端設(shè)有第二金屬法蘭連接件4通過(guò)第二接地線5接地構(gòu)成另一接地結(jié)構(gòu)。利用該裝置和方法測(cè)量流體流速流量流程為交流激勵(lì)源1輸出交流激勵(lì)信號(hào)的頻率為諧振頻率，交流激勵(lì)信號(hào)通過(guò)第三電感模塊12后施加到激勵(lì)電極13上，再通過(guò)第一檢測(cè)電極10、第一電感模塊11和第二檢測(cè)電極14、第二電感模塊15得到直接反映流體流動(dòng)的兩組獨(dú)立電導(dǎo)信號(hào)，電導(dǎo)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理模塊6處理后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊7輸出到微型計(jì)算機(jī)8上進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算求出渡越時(shí)間并進(jìn)一步求出流速和流量。流體流速流量測(cè)量方法的步驟如下1)兩端接地結(jié)構(gòu)消除了測(cè)量管道兩端浮置電壓對(duì)測(cè)量精度的不利影響；
2)如圖2所示，設(shè)置交流激勵(lì)源1的激勵(lì)頻率f為三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器的
諧振頻率/。=Ij^,在該頻率激勵(lì)信號(hào)作用下，電導(dǎo)傳感器處于諧振狀態(tài)，等效電路阻 fIn V LC
抗
「00251 Z = +觀2 +rIrXI + RJjl)+rAH +ArXrIrxI +rIr2rXI +RAA:2 +^xA2) S “ A\R, +R2 +Rxl+Rx^AilRlR2 +RlRxl +R2Rxl +RlRx2 +R2RJ
中的虛部完全被消掉，等效電路總阻抗呈現(xiàn)出純阻性，其中，諧振因子d = )2# + ^T，f
為交流激勵(lì)源1的激勵(lì)頻率，C為電導(dǎo)傳感器等效電路中的第一電容Ctl、第二電容C1和第三電容C2的值并且Ctl = C1 = C2 = C，L為電感模塊第一電感Ltl、第二電感L1和第三電感L2 的電感值并且Ltl = L1 = L2 = L，第一電容Ctl為激勵(lì)電極13、絕緣測(cè)量管道9和管道內(nèi)流體形成的耦合電容，第二電容C1為第一檢測(cè)電極10、絕緣測(cè)量管道9與管道內(nèi)流體形成的耦合電容，第三電容C2為第二檢測(cè)電極14、絕緣測(cè)量管道9與管道內(nèi)流體所形成的耦合電容， 第一電感Ltl為第三電感模塊12，第二電感L1為第一電感模塊11，第三電感L2為第二電感模塊15，第一阻抗Rxl為第一電容Ctl與第二電容C1兩者之間流體等效阻抗，第二阻抗Rx2為第一電容Ctl與第三電容C2兩者之間流體等效阻抗，第三阻抗R1為第二電容C1與地電位兩者之間流體等效阻抗，第四阻抗&為第三電容C2與地電位兩者之間流體等效阻抗；3)如圖3所示，在諧振狀態(tài)下，第二電容C1的容抗與第二電感L1的感抗、第三電容C2的容抗與第三電感L2的感抗相互抵消，第一阻抗Rxl與第二電容C1、第二阻抗Rx2與第二電容C2的連接端直接與信號(hào)處理模塊6中的運(yùn)算放大器反向輸入端相連，與運(yùn)算放大器同相輸入端等地電位，第一阻抗Rxl、第二阻抗Rx2另一端已經(jīng)同地電勢(shì)相連，因此第一阻抗 I xl、第二阻抗Rx2兩端同為地電勢(shì)被短路，不會(huì)有電流從第一阻抗Rxl、第二阻抗Rx2經(jīng)過(guò)，則第一阻抗Rxl、第二阻抗Rx2將測(cè)量系統(tǒng)與管道兩端的浮置電壓隔離，浮置電壓對(duì)測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有影響，同時(shí)第一電容Ctl與第一電感Ltl相互抵消，消除了由絕緣測(cè)量管道9、第一檢測(cè)電極 10、第一電感模塊11、第三電感模塊12、激勵(lì)電極13構(gòu)成的上游傳感器、由絕緣測(cè)量管道9、 第三電感模塊12、激勵(lì)電極13、第二檢測(cè)電極14、第二電感模塊15構(gòu)成的下游電導(dǎo)傳感器的耦合關(guān)系，上游、下游電導(dǎo)傳感器相互獨(dú)立共同使用第一電感L。作為輸入端，第三阻抗R1 與第四阻抗&相互獨(dú)立互不影響，信號(hào)處理模塊6通過(guò)三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器獲得兩組獨(dú)立的電導(dǎo)信號(hào)；4)信號(hào)處理模塊6對(duì)上游、下游電導(dǎo)傳感器輸出的兩組獨(dú)立電導(dǎo)信號(hào)，進(jìn)行放大、 整流、濾波處理后將由數(shù)據(jù)采集模塊7采集到微型計(jì)算機(jī)8中，采用如下公計(jì)算流速和流
1 τ
量，利用公式AxyO) = ^itl論求出渡越時(shí)間τ。，其中中Rxy(T)為相關(guān)系數(shù)，x(t)為上游電導(dǎo)傳感器輸出的電導(dǎo)信號(hào)，y(t)為下游電導(dǎo)傳感器輸出的電導(dǎo)信號(hào)，當(dāng)Rxy(T)為最大值時(shí)取得渡越時(shí)間τ ^，進(jìn)而求出流速
L
Vc=-，流量Q = AV。，其中L為上游、下游電導(dǎo)傳感器的間距，A為測(cè)量管道的截面面積。 Τ0已利用均勻和非均勻?qū)щ娏黧w在水平玻璃管道上對(duì)本發(fā)明中所提及的裝置與方法進(jìn)行了初步試驗(yàn)驗(yàn)證了本發(fā)明的可行性，其中水平玻璃管道內(nèi)徑分別為3. IOmm和4. 00mm，外徑分別為4. 80mm和5. 10mm，試驗(yàn)介質(zhì)中均勻?qū)щ娏黧w為常規(guī)自來(lái)水，非均勻?qū)щ娏黧w為水和牛奶的非均勻混合溶液。試驗(yàn)結(jié)果表明利用本發(fā)明中所提及的裝置與方法， 可以實(shí)現(xiàn)管道中流體的流速、流量測(cè)量，并可取得較好的測(cè)量結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種流體流速流量測(cè)量裝置，其特征在于包括交流激勵(lì)源(1)、第一金屬法蘭連接件(2)、第一接地線C3)、第二金屬法蘭連接件(4)、第二接地線( 、信號(hào)處理模塊(6)、數(shù)據(jù)采集模塊(7)、微型計(jì)算機(jī)(8)、絕緣測(cè)量管道(9)、第一檢測(cè)電極(10)、第一電感模塊(11)、 第三電感模塊(1 、激勵(lì)電極(1 、第二檢測(cè)電極(14)、第二電感模塊(1 ，由絕緣測(cè)量管道(9)、第一檢測(cè)電極(10)、第一電感模塊(11)、第三電感模塊(1 、激勵(lì)電極(1 、第二檢測(cè)電極(14)、第二電感模塊(1 構(gòu)成三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器，在絕緣測(cè)量管道(9)的外壁等間距安裝有第一檢測(cè)電極(10)、激勵(lì)電極(13)和第二檢測(cè)電極(14)，激勵(lì)電極(13) 與第三電感模塊(1 一端相連，第一檢測(cè)電極(10)與第一電感模塊(11) 一端相連，第二檢測(cè)電極(14)與第二電感模塊(1 一端相連，第三電感模塊(1 另一端與交流激勵(lì)源1 相連，第一電感模塊(11)另一端與信號(hào)處理模塊(6)、數(shù)據(jù)采集模塊(7)、微型計(jì)算機(jī)(8) 順次相連，第二電感模塊(1 另一端與信號(hào)處理模塊(6)、數(shù)據(jù)采集模塊(7)、微型計(jì)算機(jī) (8)順次相連，絕緣測(cè)量管道(9) 一端設(shè)有第一金屬法蘭連接件( 通過(guò)第一接地線(3)接地構(gòu)成一接地結(jié)構(gòu)，絕緣測(cè)量管道(9)另一端設(shè)有第二金屬法蘭連接件(4)通過(guò)第二接地線(5)接地構(gòu)成另一接地結(jié)構(gòu)。
2.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的流體流速流量測(cè)量方法，其特征在于它的步驟如下1)兩端接地結(jié)構(gòu)消除了測(cè)量管道兩端浮置電壓對(duì)測(cè)量精度的不利影響；2)設(shè)置交流激勵(lì)源(1)的激勵(lì)頻率f為三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器的諧振頻
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種流體流速流量測(cè)量裝置及方法。包括交流激勵(lì)源、三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器、兩端接地結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及微型計(jì)算機(jī)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了將非接觸式電導(dǎo)測(cè)量技術(shù)用于流體流速、流量測(cè)量。利用三電極非接觸式電導(dǎo)傳感器獲取兩組獨(dú)立的電導(dǎo)信號(hào)，采用相關(guān)技術(shù)對(duì)兩組電導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行處理獲得流體流速、流量。所采用的串聯(lián)諧振方法有效消除了耦合電容對(duì)測(cè)量范圍和靈敏度的不利影響。兩端接地結(jié)構(gòu)既消除了管道兩端浮置電壓對(duì)測(cè)量精度的不利影響，還利于將絕緣測(cè)量管道與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)金屬管道相連接。相應(yīng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、非接觸、無(wú)壓力損耗和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，為測(cè)量管道內(nèi)流體流速、流量提供了一條有效的途徑。
文檔編號(hào)G01P5/22GK102323442SQ20111026322
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者冀海峰, 李海青, 王保良, 許文博, 黃志堯 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)