CN101788313B - 高频响流体瞬态流量计 - Google Patents

Abstract

一种流体测量技术领域的高频响流体瞬态流量计，包括：层流圆形管道、两个热线测速探针、两个信号放大模块、两个模数转换模块和计算机，其中：第一热线测速探针的测量端设置在层流圆形管道内的纵向1/2直径处，第二热线测速探针的测量端设置在层流圆形管道内的纵向1/4直径处，热线测速探针的另一端与信号放大模块的输入端相连，信号放大模块的输出端与模数转换模块的输入端相连，两个模数转换模块的输出端都与计算机相连，计算机输出通过层流圆形管道横截面的瞬态流量。本发明可以测量1000Hz以上高频脉动流体的瞬态流量，对被测流体无特殊要求，对流场干扰小，体积适中，使用安全，可用于科学研究、动力工程、特种动力工程等领域。

Description

高频响流体瞬态流量计

技术领域

本发明涉及的是一种流体测量技术领域的装置，具体是一种高频响流体瞬态流量计。

背景技术

在科学研究和工业生产中，某些应用场合需要对高频振荡流体的流量进行瞬态测量。例如内燃机在工作过程中吸入的空气速度和流量是非常重要参数，对发动机性能和污染排放水平有着重要影响。对于流体流量测试，依照不同测试原理，设计了众多种类的测量仪器，但现有这类仪器都存在一个共同问题：流体流量测量主要以流体与仪器探测器部分相互作用力为主，由于探测器部分的惯性影响，流体流量测量的频响都不高，即使对于最灵敏的涡轮流量计，理想情况下也只能测量频率在100Hz以下的脉动流体的瞬态流量。

经过对现有技术文献检索发现，中国专利申请号为：200820060508.0，名称为：发动机瞬时流量测量层流流量计，该装置包括：层流元件、压力传感器、压差传感器、温度传感器、流量积算仪表，设有气流通道的层流元件充斥在设有进气口和出气口的圆筒内，层流元件处在圆筒的进气口、出气口之间，压力传感器安设于圆筒的进气口、出气口侧，所有传感器的信号连接于流量积算仪表，流量积算仪表接收传感器的信号，在积算仪表中进行数据处理并在仪表上显示实时测量。但是该技术采用温度传感器作为重要敏感器件，鉴于温度传感器的热惯性影响，其频响不会非常高，因而对较高频率的脉动流量产生不利影响，未能完全实现对高频脉动瞬态流量的实时测量。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种高频响流体瞬态流量计，本发明能够测量管道内高频脉动流体瞬态流量，具有装置体积适中、适用性强、可测流体种类多、动态频响很高的特点，从根本上解决了现有流体测量技术中难以测量高频脉动流体瞬态流量的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：层流圆形管道、两个热线测速探针、两个信号放大模块、两个模数转换模块和计算机，其中：层流圆形管道的两端设置在被测流体管道上，第一热线测速探针的测量端设置在层流圆形管道内的纵向1/2直径处，第二热线测速探针的测量端设置在层流圆形管道内的纵向1/4直径处，两个热线测速探针与层流圆形管道密封连接，热线测速探针的轴线与层流圆形管道轴线相互垂直；第一热线测速探针的另一端与第一信号放大模块的输入端相连传输原始微弱电信号，第二热线测速探针的另一端与第二信号放大模块的输入端相连传输原始微弱电信号，第一信号放大模块的输出端与第一模数转换模块的输入端相连传输模拟信号，第二信号放大模块的输出端与第二模数转换模块的输入端相连传输模拟信号，两个模数转换模块的输出端都与计算机相连传输数字信号，计算机输出通过层流圆形管道横截面的瞬态流量。

所述的层流圆形管道两端的截面与热线测速探针所处的层流圆形管道截面间的距离均大于10R，其中：R是层流圆形管道的直径。

所述的热线测速探针包括：两根导线、封装管、两根金属杆和敏感器件，其中：导线位于封装管内，导线的一端与金属杆相连，导线的另一端与信号放大模块相连传输原始微弱电信号，金属杆与导线相连的一端与封装管的端部固连，金属杆的另一端与敏感器件相连，敏感器件位于层流圆形管道内，金属杆间相互绝缘，金属杆与封装管相互绝缘。

所述的敏感器件是铂质电热丝，或者是钼质电热丝，或者是钨质电热丝，其直径范围是5微米～50微米，长度范围是3毫米～5毫米。

所述的信号放大模块将热线测速探针测量得到的微弱模拟信号进行放大，该模块包括：三个标准电阻、恒流电源、运算放大单元、两个反馈电阻和限流电阻，其中：第一标准电阻的一端、热线测速探针中第一导线的一端、第一反馈电阻的一端和限流电阻的一端分别两两相连，第一标准电阻的另一端、第二标准电阻的一端和恒流电源的一端分别两两相连，第二标准电阻的另一端、第三标准电阻的一端和运算放大单元的正输入端分别两两相连，第三标准电阻的另一端、热线测速探针中第二导线的一端和恒流电源的另一端分别两两相连，限流电阻的另一端接地，运算放大单元的负输入端与第二反馈电阻的一端相连，第二反馈电阻的另一端接地，第一反馈电阻的另一端、运算放大单元的输出端和模数转换模块的输入端分别两两相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：电热丝作为敏感器件使用，由于电热丝可以直径很细，因而其热惯性很小，从而很大程度上提高了装置对高频脉动流动的响应速度；充分利用了热线测速高频响的优点，结合了流体力学中对于管道层流在脉动流动下速度沿半径的分布规律，利用两点速度测量拟和出流动速度沿圆管横截面的分布，实现了流体在高频脉动情况下的高精度流量测量，可测脉动频率大为提高，达1000Hz以上，满足了现有工程中对瞬态流量1000Hz以上高频测量的需要；可测流量范围宽，由于采用了层流圆形管道和热线测速方式，对于不同的流量(速)对象，可以采用不同直径的层流圆形管道，热线的高测速范围保证了宽广流量范围测量；测量系统组成简单，同现有流量测量系统相比，本发明中不需要测力(扭矩、压力等)传感器，系统使用维护相对比较简单。本发明可用于科学研究、动力工程、特种动力工程系统中的高频率流动瞬态测试。

附图说明

图1是本发明装置组成示意图；

其中：1-层流圆形管道、2-第一热线测速探针、3-第二热线测速探针、4-第一信号放大模块、5-第二信号放大模块、6-第一模数转换模块、7-第二模数转换模块、8-计算机。

图2是本发明热线测速探针组成示意图；

其中：9-第一导线、10-第二导线、11-封装管、12-第一金属杆、13-第二金属杆、14-敏感器件。

图3是本发明信号放大模块组成示意图；

其中：R1-第一标准电阻、R2-第二标准电阻、R3-第三标准电阻、15-恒流电源、16-运算放大单元、R4-第一反馈电阻、R5-第二反馈电阻、R6-限流电阻。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的装置进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括：层流圆形管道1、第一热线测速探针2、第二热线测速探针3、第一信号放大模块4、第二信号放大模块5、第一模数转换模块6、第二模数转换模块7和计算机8，其中：层流圆形管道1的两端设置在被测流体管道上，第一热线测速探针2的一端设置在层流圆形管道1内的纵向1/2直径处，第二热线测速探针3的一端设置在层流圆形管道1内的纵向1/4直径处，两个热线测速探针与层流圆形管道1密封连接，热线测速探针的轴线与层流圆形管道1轴线相互垂直，第一热线测速探针2的另一端与第一信号放大模块4的输入端相连传输原始微弱电信号，第二热线测速探针3的另一端与第二信号放大模块5的输入端相连传输原始微弱电信号，第一信号放大模块4的输出端与第一模数转换模块6的输入端相连传输模拟信号，第二信号放大模块5的输出端与第二模数转换模块7的输入端相连传输模拟信号，两个模数转换模块的输出端都与计算机8相连传输模拟信号，计算机8输出通过层流圆形管道1横截面的瞬态流量。

所述的层流圆形管道1两端的截面与热线测速探针所处的层流圆形管道截面间的距离均大于10R，其中：R是层流圆形管道1的直径。

如图2所示，所述的热线测速探针包括：第一导线9、第二导线10、封装管11、第一金属杆12、第二金属杆13和敏感器件14，其中：两个导线的一端均与信号放大模块相连传输原始微弱电信号，第一导线9的另一端与第一金属杆12的一端相连，第二导线10的另一端与第二金属杆13的一端相连，第一导线9和第二导线10均从封装管11内穿过，第一金属杆12与第一导线9相连的一端与封装管11的端部固连，第二金属杆13与第二导线10相连的一端与封装管11的端部固连，第一金属杆12的另一端与敏感器件14的一端相连，第二金属杆13的另一端与敏感器件14的另一端相连，金属杆间相互绝缘，金属杆与封装管11间相互绝缘。

所述的敏感器件14是铂质电热丝，其直径是20微米，长度为3毫米。

如图3所示，所述的信号放大模块将热线测速探针测量得到的微弱模拟信号进行放大，该模块包括：第一标准电阻R1、第二标准电阻R2、第三标准电阻R3、恒流电源15、运算放大单元16、第一反馈电阻R4、第二反馈电阻R5和限流电阻R6，其中：第一标准电阻R1的一端、热线测速探针中第一导线9的一端、第一反馈电阻R4的一端和限流电阻R6的一端分别两两相连，第一标准电阻R1的另一端、第二标准电阻R2的一端和恒流电源15的一端分别两两相连，第二标准电阻R2的另一端、第三标准电阻R3的一端和运算放大单元16的正输入端分别两两相连，第三标准电阻R3的另一端、热线测速探针中第二导线10的一端和恒流电源15的另一端分别两两相连，限流电阻R6的另一端接地，运算放大单元16的负输入端与第二反馈电阻R5的一端相连，第二反馈电阻R5的另一端接地，第一反馈电阻R4的另一端、运算放大单元16的输出端和模数转换模块的输入端分别两两相连。

所述的运算放大单元16采用F009高增益通用运算放大器。

所述的恒流电源15提供0.1安培的电流。

所述的三个标准电阻的阻值都是15兆欧姆。

所述的第一反馈电阻R4的阻值是20兆欧姆。

所述的第二反馈电阻R5的阻值是1兆欧姆。

所述的限流电阻R6的阻值是10兆欧姆。

本实施例的工作过程：敏感器件(电热丝)14与三个标准电阻构成了惠斯通电桥，在恒流电源15提供的电流流过电桥时，敏感器件14发热，在没有被测流体流过敏感器件14时使该电桥在被测流量温度下达到平衡，则电桥中没有输出电压差。如果被测流体流过电热丝，由于对流换热作用电热丝上的部分热量被带走，此时电热丝温度下降，电桥平衡遭到破坏，电桥输出端产生电压差，该电压差与电热丝的电阻一一对应，而电热丝的电阻与其温度一一对应，电热丝的温度又与流体流动速度相关，因此通过标定可以给出流体流动速度与惠斯通电桥输出电压的对应关系。流体的流动引起敏感器件14的温度(电阻)变化，平衡被破坏的电桥输出电压差，该电压差经过信号放大模块和模数转换模块，以数字信号的形式输入到计算机8进行处理，得到了层流圆形管道不同半径处的流体速度。根据流体理论和测量得到的两点流体速度，进而拟合出流体沿层流圆形管道横截面上的速度分布，再通过面积分得到流体的瞬态流量数据。

本实施例的优点：装置简单，可靠性高，维护使用相对简单；采用铂质细电热丝作为敏感器件，其热惯性很小，对高频流量变化可以及时反应，可以很大程度上提高测量系统频响，其动态响应频率可达1000HZ以上；敏感器件体积很小，速度测量可以达到较高空间分辨率，因而测量精度高；铂质敏感元件抗腐蚀强，对被测流体种类限制少；可直接应用到科学研究、动力工程、特种动力工程系统中的高频率流动瞬态测试中。

Claims (4)

1.一种高频响流体瞬态流量计，其特征在于，包括：层流圆形管道、两个热线测速探针、两个信号放大模块、两个模数转换模块和计算机，其中：层流圆形管道的两端设置在被测流体管道上，第一热线测速探针的测量端设置在层流圆形管道内的纵向1/2直径处，第二热线测速探针的测量端设置在层流圆形管道内的纵向1/4直径处，两个热线测速探针与层流圆形管道密封连接，热线测速探针的轴线与层流圆形管道轴线相互垂直；第一热线测速探针的另一端与第一信号放大模块的输入端相连传输原始微弱电信号，第二热线测速探针的另一端与第二信号放大模块的输入端相连传输原始微弱电信号，第一信号放大模块的输出端与第一模数转换模块的输入端相连传输模拟信号，第二信号放大模块的输出端与第二模数转换模块的输入端相连传输模拟信号，两个模数转换模块的输出端都与计算机相连传输数字信号，计算机输出通过层流圆形管道横截面的瞬态流量；

所述的层流圆形管道两端的截面与热线测速探针所处的层流圆形管道截面间的距离均大于10R，其中：R是层流圆形管道的直径。

2.根据权利要求1所述的高频响流体瞬态流量计，其特征是，所述的热线测速探针包括：两根导线、封装管、两根金属杆和敏感器件，其中：导线位于封装管内，导线的一端与金属杆相连，导线的另一端与信号放大模块相连传输原始微弱电信号，金属杆与导线相连的一端与封装管的端部固连，金属杆的另一端与敏感器件相连，敏感器件位于层流圆形管道内，金属杆间相互绝缘，金属杆与封装管相互绝缘。

3.根据权利要求2所述的高频响流体瞬态流量计，其特征是，所述的敏感器件是铂质电热丝，或者是钼质电热丝，或者是钨质电热丝，其直径范围是5微米～50微米，长度范围是3毫米～5毫米。

4.根据权利要求2所述的高频响流体瞬态流量计，其特征是，所述的信号放大模块将热线测速探针测量得到的微弱模拟信号进行放大，该模块包括：三个标准电阻、恒流电源、运算放大单元、两个反馈电阻和限流电阻，其中：第一标准电阻的一端、热线测速探针中第一导线的一端、第一反馈电阻的一端和限流电阻的一端分别两两相连，第一标准电阻的另一端、第二标准电阻的一端和恒流电源的一端分别两两相连，第二标准电阻的另一端、第三标准电阻的一端和运算放大单元的正输入端分别两两相连，第三标准电阻的另一端、热线测速探针中第二导线的一端和恒流电源的另一端分别两两相连，限流电阻的另一端接地，运算放大单元的负输入端与第二反馈电阻的一端相连，第二反馈电阻的另一端接地，第一反馈电阻的另一端、运算放大单元的输出端和模数转换模块的输入端分别两两相连。

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