CN101701836B

CN101701836B - 一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计

Info

Publication number: CN101701836B
Application number: CN2009102362928A
Authority: CN
Inventors: 徐立军; 曹章; 范士伟; 凌琪
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Anhui aotaiqi Intelligent Water Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2029-11-02
Also published as: CN101701836A

Abstract

一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计，包括电磁流量传感器、电容测量模块、感应电动势测量模块、控制及信号处理模块。控制及信号处理模块通过控制多路开关组A和多路开关组B.，利用电磁流量传感器和电容测量模块获取多组电容值，利用电磁流量传感器和感应电动势测量模块获取多组感应电动势值，从而可在满管和非满管两种情况下得到管内流量。本发明在非满管流动状态下不需要对不同的流体介质进行标定即可实现流量的精确测量，并且避免了电极的腐蚀、污染、泄漏以及浆状流体噪声的影响等问题。

Description

一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计

技术领域

本发明涉及一种流量测量装置，特别是涉及一种电磁流量计。

背景技术

目前，传统电磁流量计一般对流型敏感，例如中国公开专利电磁流量计CN1108385、电磁流量计CN1131273、电磁流量计和流量的电磁测量方法CN1097868等。电磁流量传感器安装在管路中，导电液体流过电磁流量传感器。电磁流量转换器向励磁线圈提供励磁电流，在电磁流量传感器中产生磁场，运动流体切割磁力线测量电极将获取感生电动势。对于上述结构，任意一点流体微元流经测量管内某一点时，产生的感应电势不仅与该点的流速及该点的磁场成正比，而且与该点的权重函数成正比。对于长筒型磁场均匀的电磁流量传感器，当流速为轴对称分布时，因权重函数所起的作用正好等效为1，测量管截面产生的感应电势与流速平均值严格线性相关。当流速为非轴对称分布时，由于权重函数所起的作用不能等效于1，导致测量误差。多电极流量计可以减小流速分布对测量的影响，例如中国公开专利一种多电极电磁流量计CN101294832、多电极流量传感器CN2453392，虽然这类多电极电磁流量计能够对流型分布不敏感，但是电极与流体直接接触，容易受到污染、腐蚀等。

一般电磁流量计要求管内流体为满管状态，测量管内的流速V，对应测量管的截面S的流量Q＝S×V。对于非满管的流量测量在测量V的同时还需要测量管内流体的高度H。为了实现非满管下流体的精确测量，提出了很多用于非满管的方法，例如中国公开专利用于测量非满管流量的电磁流量传感器及测量方法CN1928507、导电流体的非满管流量测量方法CN101303247，此类测量方法使用流体高度H与液体的阻抗Z相关，通过测量Z得到流体的高度信息。然而，此类方法在流体高度位于电极最上侧到满管之间时，其阻抗变化不大，测量灵敏度很低，误差大。另外这类方法由于不同流体介质其阻抗Z变化并不相同，因此，若要实现精确测量，在测量不同流体必须进行重新标定。

由以上分析可知，传统的电磁流量计对流型分布敏感，并且不能实现非满管流动状态下的准确测量。多电极电磁流量计对流型分布不敏感，但是电极由于与流体直接接触，极易受到污染、腐蚀等。现有的非满管流量测量方法在一定条件下可实现非满管流动状态下的精确测量，但其液位处于电极最上侧到满管之间时测量误差大，另外，测量不同流体必须进行重新标定。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的问题是提供一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计，能够克服传统流量计的测量对测量管内流型分布敏感，电极易污染、腐蚀等问题，并且在非满管流动状态下需要对不同流体介质进行标定等问题。

本发明提供的一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计采用以下技术方案：

该可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计，包括电磁流量传感器、电容测量模块、感应电动势测量模块、控制及信号处理模块。所述电磁流量传感器包括测量管、电极、屏蔽电极、励磁线圈；所述电容测量模块包括多路开关组A、激励信号源电路、电容测量电路；所述感应电动势测量模块包括多路开关组B、励磁电路、感应电动势测量电路；所述控制及信号处理模块负责控制多路开关组A和多路开关组B，利用电容测量模块得到的多组电容值和感应电动势测量模块得到的多组感应电动势值，可在满管和非满管两种情况下得到管内流量。本发明在非满管流动状态下不需要对不同的流体介质进行标定即可实现流量的精确测量，并且避免了电极的腐蚀、污染、泄漏以及浆状流体噪声的影响等问题。

其中，所述电磁流量传感器1包括测量管111、电极131至138、屏蔽电极121、励磁线圈141和142；所述测量管为圆管结构，其制作材料采用绝缘材料；所述电极131至138采用矩形金属薄片，均匀附着在测量管111的外侧，不与被测流体直接接触，其中电极131和电极135的中心连线与水平面平行，且与励磁线圈中心连线垂直；所述屏蔽电极121位于电极131至138外侧，屏蔽电极内有径向隔板，将相邻电极隔离；所述励磁线圈由上励磁线圈141和下励磁线圈142组成，位于测量管的上下两侧，并通过串联的方式连接在一起。

其中，所述电容测量模块2包括多路开关组A、激励信号源电路、电容测量电路。所述多路开关组A用来选择其中一对电极分别作为激励电极和测量电极；所述激励信号源电路用来产生正弦激励电压；所述电容测量电路用来测量两个电极之间的电容值。通过切换多路开关组A实现对不同电极进行激励并通过电容测量电路测量被激励的电极与其它电极之间的电容值。首先，通过切换多路开关组A后激励信号在电极131施加激励，然后，通过切换多路开关组A后电容测量电路分别测量电极131和电极132、电极131和电极133、电极131和134、电极131和电极135、电极131和电极136、电极131和电极137、电极131和电极138之间的电容，以此类推，通过切换多路开关组A激励信号分别在电极132至138施加激励，电容测量电路测量被激励的电极与其它电极之间电容。若为N个电极共得到N(N-1)/2组电容值。

其中，所述感应电动势测量模块3包括多路开关组B、励磁电路、感应电动势测量电路。所述多路开关组B通过切换实现组成不同的测量电极对；所述励磁电路用来产生励磁电流；所述感应电动势测量电路用来测量不同电极对之间的感应电动势值。励磁电路产生励磁电流加载到以串联方式连接在一起的上励磁线圈141和下励磁线圈142上，从而产生磁场。当流体流过测量管时，根据法拉第电磁感应定律两个电极连线与磁场方向有垂直分量的电极对上将产生感应电动势，通过切换多路开关组B利用感应电动势测量电路可以获得多组感应电动势值。

其中，所述控制及信号处理模块4通过控制多路开关组A和多路开关组B，利用电容测量模块测得的多组电容值使用电学成像技术得到管内空气和液体的两相分布信息。在满管时，利用感应电动势测量模块得到的多组感应电动势值得到管内的流型及平均流速从而得到管内流量；在非满管时，根据空气和液位的两相分布信息对感应电动势值进行修正后再得到管内流型及平均流速，综合流型及平均流速和相分布得到管内的流量。

此处电学成像技术根据液体介电常数与空气介电常数相对不同的原理，利用图像重建算法获取两相分布信息，不单独依赖于流体介质的特性，因此不需要在测量不同流体时进行重新标定。

附图说明

图1是一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计结构示意图；

图2是电极与屏蔽电极设置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明专利实施例作进一步详细描述。

附图1是一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计结构示意图。电磁流量传感器1包括测量管111、电极131至138、屏蔽电极121、励磁线圈141和142；所述测量管为圆管结构，其制作材料采用绝缘材料；所述电极131至138采用矩形金属薄片，均匀附着在测量管111的外侧，不与被测流体直接接触，其中电极131和电极135的中心连线与水平面平行，且与线圈中心连线垂直；所述屏蔽电极121位于电极131至138外侧，屏蔽电极内有径向隔板，将相邻电极隔离；所述励磁线圈由上励磁线圈141和下励磁线圈142组成，位于测量管的上下两侧，并通过串联的方式连接在一起。电容测量模块2包括多路开关组A、激励信号源电路、电容测量电路。所述多路开关组A用来选择其中一对电极分别作为激励电极和测量电极；所述激励信号源电路用来产生正弦激励电压；所述电容测量电路用来测量两个电极之间的电容值。通过切换多路开关组A实现对不同电极进行激励并通过电容测量电路测量被激励的电极与其它电极之间的电容值。首先，通过切换多路开关组A后激励信号在电极131施加激励，然后，通过切换多路开关组A后电容测量电路分别测量电极131和电极132、电极131和电极133、电极131和134、电极131和电极135、电极131和电极136、电极131和电极137、电极131和电极138之间的电容，以此类推，通过切换多路开关组A激励信号分别在电极132至138施加激励，电容测量电路测量被激励的电极与其它电极之间电容。若为N个电极共得到N(N-1)/2组电容值。感应电动势测量模块3包括多路开关组B、励磁电路、感应电动势测量电路。所述多路开关组B通过切换实现组成不同的测量电极对；所述励磁电路用来产生励磁电流；所述感应电动势测量电路用来测量不同电极对之间的感应电动势值。励磁电路产生励磁电流加载到以串联方式连接在一起的上励磁线圈141和下励磁线圈142上，从而产生磁场。当流体流过测量管时，根据法拉第电磁感应定律两个电极连线与磁场方向有垂直分量的电极对上将产生感应电动势，通过切换多路开关组B利用感应电动势测量电路可以获得多组感应电动势值。控制及信号处理模块4通过控制多路开关组A和多路开关组B，利用电容测量模块测得的多组电容值使用电学成像技术得到管内空气和液体的两相分布信息。在满管时，利用感应电动势测量模块得到的多组感应电动势值得到管内的流型及平均流速从而得到管内流量；在非满管时，根据空气和液体的两相分布信息对感应电动势值进行修正后再得到管内流型及平均流速，综合流型及平均流速和相分布得到管内的流量。

附图2是电极与屏蔽电极设置示意图。电极均匀附着在测量管1的外侧，不与被测流体直接接触，有效避免了流体对电极的腐蚀、污染。屏蔽电极121位于电极131至138外侧，屏蔽电极内有径向隔板，将每个电极进行单独隔离，实现了对电极进行完全屏蔽。

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

Claims

1.一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计，包括电磁流量传感器、电容测量模块、感应电动势测量模块、控制及信号处理模块，所述电磁流量传感器包括测量管、电极、屏蔽电极、励磁线圈；所述电容测量模块包括多路开关组A、激励信号源电路、电容测量电路；所述感应电动势测量模块包括多路开关组B、励磁电路、感应电动势测量电路；所述控制及信号处理模块负责控制多路开关组A和模拟开关组B，利用电容测量模块得到的多组电容值和感应电动势测量模块得到的多组感应电动势值，可在满管和非满管两种情况下得到管内流量。

2.按照权利要求1所述的一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计，其特征在于所述电磁流量传感器(1)包括测量管(111)、电极(131至138)、屏蔽电极(121)、励磁线圈(141、142)，所述测量管为圆管结构，其制作材料采用绝缘材料；所述电极(131至138)采用矩形金属薄片，均匀附着在测量管(111)的外侧，不与被测流体直接接触，其中一对电极的中心连线与励磁线圈中心连线垂直，且与水平面平行；所述屏蔽电极(121)位于电极(131至138)外侧，屏蔽电极内有径向隔板，将相邻电极隔离；所述励磁线圈由上励磁线圈(141)和下励磁线圈(142)组成，位于测量管的上下两侧，并通过串联的方式连接在一起。

3.按照权利要求1所述的一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计，其特征在于所述电容测量模块(2)包括多路开关组A、激励信号源电路、电容测量电路，所述多路开关组A用来选择其中一对电极分别作为激励电极和测量电极；所述激励信号源电路用来产生正弦激励电压；所述电容测量电路用来测量两个电极之间的电容值；通过切换多路开关组A实现对不同电极进行激励并通过电容测量电路测量被激励的电极与其它电极之间的电容值；若为N个电极共得到N(N-1)/2组电容值。

4.按照权利要求1所述的一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计，其特征在于所述感应电动势测量模块(3)包括多路开关组B、励磁电路、感应电动势测量电路，所述多路开关组B通过切换实现组成不同的测量电极对；所述励磁电路用来产生励磁电流；所述感应电动势测量电路用来测量不同电极对之间的感应电动势值；励磁电路产生励磁电流加载到以串联方式连接在一起的上励磁线圈(141)和下励磁线圈(142)上，从而产生磁场；当流体流过测量管时，根据法拉第电磁感应定律两个电极中心连线与磁场方向有垂直分量的电极对上将产生感应电动势，通过切换多路开关组B利用感应电动势测量电路可以获得多组感应电动势值。

5.按照权利要求1所述的一种可用于非满管流量测量的电容式电磁流量计，其特征在于所述控制及信号处理模块(4)通过控制多路开关组A和多路开关组B，利用电容测量模块测得的多组电容值使用电学成像技术得到管内空气和液体的两相分布信息；在满管时，利用感应电动势测量模块得到的多组感应电动势值得到管内的流型及平均流速从而得到管内流量；在非满管时，根据空气和液体的两相分布信息对感应电动势值进行修正后再得到管内流型及平均流速，综合流型及平均流速和相分布得到管内的流量。