CN102323442A - 一种流体流速流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体流速流量测量装置及方法。包括交流激励源、三电极非接触式电导传感器、两端接地结构、信号处理模块、数据采集模块以及微型计算机。本发明实现了将非接触式电导测量技术用于流体流速、流量测量。利用三电极非接触式电导传感器获取两组独立的电导信号，采用相关技术对两组电导信号进行处理获得流体流速、流量。所采用的串联谐振方法有效消除了耦合电容对测量范围和灵敏度的不利影响。两端接地结构既消除了管道两端浮置电压对测量精度的不利影响，还利于将绝缘测量管道与工业现场金属管道相连接。相应装置具有结构简单、成本低、非接触、无压力损耗和应用范围广等优点，为测量管道内流体流速、流量提供了一条有效的途径。

Description

一种流体流速流量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流体流速流量检测技术，尤其涉及一种流体流速流量测量装置及方法。

背景技术

管道中的流体广泛存在于石油化工、食品制药、冶金、公用工程和环保等行业部门，其流速与流量的在线测量对于工业生产过程中生产操作、可靠运行和质量控制等具有重要的意义。现有的流速流量测量仪表对工业生产过程中常规管径管道中纯净流体的流速、流量测量技术较为成熟，但是对于带有污浊物、悬浮物和固体杂质等的导电性流体的流速流量测量问题，目前的研究工作还很有限，相关的测量手段比较缺乏。

电容耦合式非接触电导测量技术是一种新型电导测量技术。由于电极不与被测液体直接接触，因此不存在传统接触式电导测量中的电化学腐蚀和电极极化效应等问题，具有广阔的工业实际应用需求。然而，目前该技术的研究与应用主要局限于分析化学等领域中毛细管尺度及以下管径的离子浓度检测，在常规工业流速、流量测量领域基本上属于空白。

本发明将电容耦合式非接触测电导测量技术应用于工业过程的流体流速、流量测量领域，设计了一种流体流速、流量测量装置及方法。相应装置具有结构简单、非接触、无压力损耗、成本低和应用范围广等优点，为测量管道内流体流速流量提供了一条有效的新途径。

发明内容

本发明的目的克服现有技术的不足，提供一种稳定、可靠的流体流速流量测量装置及方法。

流体流速流量测量装置包括交流激励源、第一金属法兰连接件、第一接地线、第二金属法兰连接件、第二接地线、信号处理模块、数据采集模块、微型计算机、绝缘测量管道、第一检测电极、第一电感模块、第三电感模块、激励电极、第二检测电极、第二电感模块，由绝缘测量管道、第一检测电极、第一电感模块、第三电感模块、激励电极、第二检测电极、第二电感模块构成三电极非接触式电导传感器，在绝缘测量管道的外壁等间距安装有第一检测电极、激励电极和第二检测电极，激励电极与第三电感模块一端相连，第一检测电极与第一电感模块一端相连，第二检测电极与第二电感模块一端相连，第三电感模块另一端与交流激励源相连，第一电感模块另一端与信号处理模块、数据采集模块、微型计算机顺次相连，第二电感模块另一端与信号处理模块、数据采集模块、微型计算机顺次相连，绝缘测量管道一端设有第一金属法兰连接件通过第一接地线接地构成一接地结构，绝缘测量管道另一端设有第二金属法兰连接件通过第二接地线接地构成另一接地结构。

流体流速流量测量方法的步骤如下：

1)两端接地结构消除了测量管道两端浮置电压对测量精度的不利影响；

2)设置交流激励源的激励频率f为三电极非接触式电导传感器的谐振频率

在该频率激励信号作用下，电导传感器处于谐振状态，等效电路阻抗 $Z_s=\frac{A^2(R_1{R}_2+R_1{R}_{x2}+R_2{R}_{x1}+R_{x1}{R}_{x2})+R_1{R}_2{R}_{x1}{R}_{x2}+A(R_1{R}_2{R}_{x1}+R_1{R}_2{R}_{x2}+R_1{R}_{x1}{R}_{x2}+R_2{R}_{x1}{R}_{x2})}{A^2(R_1+R_2+R_{x1}+R_{x2})+R_1{R}_2(R_{x1}+R_{x2})+A(2R_1{R}_2+R_1{R}_{x1}+R_2{R}_{x1}+R_1{R}_{x2}+R_2{R}_{x2})}$ 中的虚部完全被消掉，等效电路总阻抗呈现出纯阻性，其中，谐振因子

f为交流激励源的激励频率，C为电导传感器等效电路中的第一电容C₀、第二电容C₁和第三电容C₂的值并且C₀＝C₁＝C₂＝C，L为电感模块第一电感L₀、第二电感L₁和第三电感L₂的电感值并且L₀＝L₁＝L₂＝L，第一电容C₀为激励电极、绝缘测量管道和管道内流体形成的耦合电容，第二电容C₁为第一检测电极、绝缘测量管道与管道内流体形成的耦合电容，第三电容C₂为第二检测电极、绝缘测量管道与管道内流体所形成的耦合电容，第一电感L₀为第三电感模块，第二电感L₁为第一电感模块，第三电感L₂为第二电感模块，第一阻抗R_x1为第一电容C₀与第二电容C₁两者之间流体等效阻抗，第二阻抗R_x2为第一电容C₀与第三电容C₂两者之间流体等效阻抗，第三阻抗R₁为第二电容C₁与地电位两者之间流体等效阻抗，第四阻抗R₂为第三电容C₂与地电位两者之间流体等效阻抗；

3)在谐振状态下，第二电容C₁的容抗与第二电感L₁的感抗、第三电容C₂的容抗与第三电感L₂的感抗相互抵消，第一阻抗R_x1与第二电容C₁、第二阻抗R_x2与第二电容C₂的连接端直接与信号处理模块6中的运算放大器反向输入端相连，与运算放大器同相输入端等地电位，第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2另一端已经同地电势相连，因此第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2两端同为地电势被短路，不会有电流从第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2经过，则第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2将测量系统与管道两端的浮置电压隔离，浮置电压对测量系统没有影响，同时第一电容C₀与第一电感L₀相互抵消，消除了由绝缘测量管道、第一检测电极、第一电感模块、第三电感模块、激励电极构成的上游传感器、由绝缘测量管道、第三电感模块、激励电极、第二检测电极、第二电感模块构成的下游电导传感器的耦合关系，上游、下游电导传感器相互独立共同使用第一电感L₀作为输入端，第三阻抗R₁与第四阻抗R₂相互独立互不影响，信号处理模块通过三电极非接触式电导传感器获得两组独立的电导信号；

4)信号处理模块对上游、下游电导传感器输出的两组独立电导信号，进行放大、整流、滤波处理后将由数据采集模块采集到微型计算机中，采用如下公计算流速和流量，利用公式

求出渡越时间τ₀，其中中R_xy(τ)为相关系数，x(t)为上游电导传感器输出的电导信号，y(t)为下游电导传感器输出的电导信号，当R_xy(τ)为最大值时取得渡越时间τ₀，进而求出流速

流量Q＝AV_c，其中L为上游、下游电导传感器的间距，A为测量管道的截面面积。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

1)测量方式为非接触式，不仅不会影响被测介质流动特性、流体流动场的分布，也不会带来压力损失。非接触式测量方式不仅适用于测量纯净单相导电流体，还适用于测量含有污浊物、悬浮物和固体杂质等的导电性流体，尤其解决了测量此类流体时测量管道容易发生堵塞等问题；

2)串联谐振方法的应用，消除了耦合电容对测量范围和测量精度的不利影响，扩大了测量装置适用的管道尺寸。同时，本发明中三组独立的电感模块分别与三组耦合电容相互抵消，实现了上游传感器与下游传感器之间相互独立，使传感器结构简单易实现；

3)通过两端接地结构的应用，不仅消除了绝缘测量管道两端浮置电压对测量精度的不利影响，提高了测量系统的稳定性、抗干扰性和测量精度，还可以方便地将传感器与工业生产管道相连接。

附图说明

图1是流体流速流量测量装置的结构示意图；

图2是本发明的三电极非接触式电导传感器等效电路图；

图3是本发明的三电极非接触式电导传感器在串联谐振状态时等效电路图和工作原理示意图；

图中：交流激励源1、第一金属法兰连接件2、第一接地线3、第二金属法兰连接件4、第一接地线5、信号处理模块6、数据采集模块7、微型计算机8、绝缘测量管道9、第一检测电极10、第一电感模块11、第三电感模块12、激励电极13、第二检测电极14、第二电感模块15。

具体实施方式

如图1所示，流体流速流量测量装置包括交流激励源1、第一金属法兰连接件2、第一接地线3、第二金属法兰连接件4、第二接地线5、信号处理模块6、数据采集模块7、微型计算机8、绝缘测量管道9、第一检测电极10、第一电感模块11、第三电感模块12、激励电极13、第二检测电极14、第二电感模块15，由绝缘测量管道9、第一检测电极10、第一电感模块11、第三电感模块12、激励电极13、第二检测电极14、第二电感模块15构成三电极非接触式电导传感器，在绝缘测量管道9的外壁等间距安装有第一检测电极10、激励电极13和第二检测电极14，激励电极13与第三电感模块12一端相连，第一检测电极10与第一电感模块11一端相连，第二检测电极14与第二电感模块15一端相连，第三电感模块12另一端与交流激励源1相连，第一电感模块11另一端与信号处理模块6、数据采集模块7、微型计算机8顺次相连，第二电感模块15另一端与信号处理模块6、数据采集模块7、微型计算机8顺次相连，绝缘测量管道9一端设有第一金属法兰连接件2通过第一接地线3接地构成一接地结构，绝缘测量管道9另一端设有第二金属法兰连接件4通过第二接地线5接地构成另一接地结构。

利用该装置和方法测量流体流速流量流程为：交流激励源1输出交流激励信号的频率为谐振频率，交流激励信号通过第三电感模块12后施加到激励电极13上，再通过第一检测电极10、第一电感模块11和第二检测电极14、第二电感模块15得到直接反映流体流动的两组独立电导信号，电导信号经过信号处理模块6处理后，通过数据采集模块7输出到微型计算机8上进行互相关运算求出渡越时间并进一步求出流速和流量。

流体流速流量测量方法的步骤如下：

1)两端接地结构消除了测量管道两端浮置电压对测量精度的不利影响；

2)如图2所示，设置交流激励源1的激励频率f为三电极非接触式电导传感器的谐振频率

在该频率激励信号作用下，电导传感器处于谐振状态，等效电路阻抗

$Z_s=\frac{A^2(R_1{R}_2+R_1{R}_{x2}+R_2{R}_{x1}+R_{x1}{R}_{x2})+R_1{R}_2{R}_{x1}{R}_{x2}+A(R_1{R}_2{R}_{x1}+R_1{R}_2{R}_{x2}+R_1{R}_{x1}{R}_{x2}+R_2{R}_{x1}{R}_{x2})}{A^2(R_1+R_2+R_{x1}+R_{x2})+R_1{R}_2(R_{x1}+R_{x2})+A(2R_1{R}_2+R_1{R}_{x1}+R_2{R}_{x1}+R_1{R}_{x2}+R_2{R}_{x2})}$ 中的虚部完全被消掉，等效电路总阻抗呈现出纯阻性，其中，谐振因子

f为交流激励源1的激励频率，C为电导传感器等效电路中的第一电容C₀、第二电容C₁和第三电容C₂的值并且C₀＝C₁＝C₂＝C，L为电感模块第一电感L₀、第二电感L₁和第三电感L₂的电感值并且L₀＝L₁＝L₂＝L，第一电容C₀为激励电极13、绝缘测量管道9和管道内流体形成的耦合电容，第二电容C₁为第一检测电极10、绝缘测量管道9与管道内流体形成的耦合电容，第三电容C₂为第二检测电极14、绝缘测量管道9与管道内流体所形成的耦合电容，第一电感L₀为第三电感模块12，第二电感L₁为第一电感模块11，第三电感L₂为第二电感模块15，第一阻抗R_x1为第一电容C₀与第二电容C₁两者之间流体等效阻抗，第二阻抗R_x2为第一电容C₀与第三电容C₂两者之间流体等效阻抗，第三阻抗R₁为第二电容C₁与地电位两者之间流体等效阻抗，第四阻抗R₂为第三电容C₂与地电位两者之间流体等效阻抗；

3)如图3所示，在谐振状态下，第二电容C₁的容抗与第二电感L₁的感抗、第三电容C₂的容抗与第三电感L₂的感抗相互抵消，第一阻抗R_x1与第二电容C₁、第二阻抗R_x2与第二电容C₂的连接端直接与信号处理模块6中的运算放大器反向输入端相连，与运算放大器同相输入端等地电位，第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2另一端已经同地电势相连，因此第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2两端同为地电势被短路，不会有电流从第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2经过，则第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2将测量系统与管道两端的浮置电压隔离，浮置电压对测量系统没有影响，同时第一电容C₀与第一电感L₀相互抵消，消除了由绝缘测量管道9、第一检测电极10、第一电感模块11、第三电感模块12、激励电极13构成的上游传感器、由绝缘测量管道9、第三电感模块12、激励电极13、第二检测电极14、第二电感模块15构成的下游电导传感器的耦合关系，上游、下游电导传感器相互独立共同使用第一电感L₀作为输入端，第三阻抗R₁与第四阻抗R₂相互独立互不影响，信号处理模块6通过三电极非接触式电导传感器获得两组独立的电导信号；

4)信号处理模块6对上游、下游电导传感器输出的两组独立电导信号，进行放大、整流、滤波处理后将由数据采集模块7采集到微型计算机8中，采用如下公计算流速和流量，利用公式求出渡越时间τ₀，

其中中R_xy(τ)为相关系数，x(t)为上游电导传感器输出的电导信号，y(t)为下游电导传感器输出的电导信号，当R_xy(τ)为最大值时取得渡越时间τ₀，进而求出流速

流量Q＝AV_c，其中L为上游、下游电导传感器的间距，A为测量管道的截面面积。

已利用均匀和非均匀导电流体在水平玻璃管道上对本发明中所提及的装置与方法进行了初步试验验证了本发明的可行性，其中水平玻璃管道内径分别为3.10mm和4.00mm，外径分别为4.80mm和5.10mm，试验介质中均匀导电流体为常规自来水，非均匀导电流体为水和牛奶的非均匀混合溶液。试验结果表明：利用本发明中所提及的装置与方法，可以实现管道中流体的流速、流量测量，并可取得较好的测量结果。

Claims (2)

1.一种流体流速流量测量装置，其特征在于包括交流激励源(1)、第一金属法兰连接件(2)、第一接地线(3)、第二金属法兰连接件(4)、第二接地线(5)、信号处理模块(6)、数据采集模块(7)、微型计算机(8)、绝缘测量管道(9)、第一检测电极(10)、第一电感模块(11)、第三电感模块(12)、激励电极(13)、第二检测电极(14)、第二电感模块(15)，由绝缘测量管道(9)、第一检测电极(10)、第一电感模块(11)、第三电感模块(12)、激励电极(13)、第二检测电极(14)、第二电感模块(15)构成三电极非接触式电导传感器，在绝缘测量管道(9)的外壁等间距安装有第一检测电极(10)、激励电极(13)和第二检测电极(14)，激励电极(13)与第三电感模块(12)一端相连，第一检测电极(10)与第一电感模块(11)一端相连，第二检测电极(14)与第二电感模块(15)一端相连，第三电感模块(12)另一端与交流激励源1相连，第一电感模块(11)另一端与信号处理模块(6)、数据采集模块(7)、微型计算机(8)顺次相连，第二电感模块(15)另一端与信号处理模块(6)、数据采集模块(7)、微型计算机(8)顺次相连，绝缘测量管道(9)一端设有第一金属法兰连接件(2)通过第一接地线(3)接地构成一接地结构，绝缘测量管道(9)另一端设有第二金属法兰连接件(4)通过第二接地线(5)接地构成另一接地结构。

2.一种使用如权利要求1所述装置的流体流速流量测量方法，其特征在于它的步骤如下：

1)两端接地结构消除了测量管道两端浮置电压对测量精度的不利影响；

2)设置交流激励源(1)的激励频率f为三电极非接触式电导传感器的谐振频率

在该频率激励信号作用下，电导传感器处于谐振状态，等效电路阻抗 $Z_s=\frac{A^2(R_1{R}_2+R_1{R}_{x2}+R_2{R}_{x1}+R_{x1}{R}_{x2})+R_1{R}_2{R}_{x1}{R}_{x2}+A(R_1{R}_2{R}_{x1}+R_1{R}_2{R}_{x2}+R_1{R}_{x1}{R}_{x2}+R_2{R}_{x1}{R}_{x2})}{A^2(R_1+R_2+R_{x1}+R_{x2})+R_1{R}_2(R_{x1}+R_{x2})+A(2R_1{R}_2+R_1{R}_{x1}+R_2{R}_{x1}+R_1{R}_{x2}+R_2{R}_{x2})}$ 中的虚部完全被消掉，等效电路总阻抗呈现出纯阻性，其中，谐振因子

f为交流激励源(1)的激励频率，C为电导传感器等效电路中的第一电容C₀、第二电容C₁和第三电容C₂的值并且C₀＝C₁＝C₂＝C，L为电感模块第一电感L₀、第二电感L₁和第三电感L₂的电感值并且L₀＝L₁＝L₂＝L，第一电容C₀为激励电极(13)、绝缘测量管道(9)和管道内流体形成的耦合电容，第二电容C₁为第一检测电极(10)、绝缘测量管道(9)与管道内流体形成的耦合电容，第三电容C₂为第二检测电极(14)、绝缘测量管道(9)与管道内流体所形成的耦合电容，第一电感L₀为第三电感模块(12)，第二电感L₁为第一电感模块(11)，第三电感L₂为第二电感模块(15)，第一阻抗R_x1为第一电容C₀与第二电容C₁两者之间流体等效阻抗，第二阻抗R_x2为第一电容C₀与第三电容C₂两者之间流体等效阻抗，第三阻抗R₁为第二电容C₁与地电位两者之间流体等效阻抗，第四阻抗R₂为第三电容C₂与地电位两者之间流体等效阻抗；

3)在谐振状态下，第二电容C₁的容抗与第二电感L₁的感抗、第三电容C₂的容抗与第三电感L₂的感抗相互抵消，第一阻抗R_x1与第二电容C₁、第二阻抗R_x2与第二电容C₂的连接端直接与信号处理模块(6)中的运算放大器反向输入端相连，与运算放大器同相输入端等地电位，第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2另一端已经同地电势相连，因此第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2两端同为地电势被短路，不会有电流从第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2经过，则第一阻抗R_x1、第二阻抗R_x2将测量系统与管道两端的浮置电压隔离，浮置电压对测量系统没有影响，同时第一电容C₀与第一电感L₀相互抵消，消除了由绝缘测量管道(9)、第一检测电极(10)、第一电感模块(11)、第三电感模块(12)、激励电极(13)构成的上游传感器、由绝缘测量管道(9)、第三电感模块(12)、激励电极(13)、第二检测电极(14)、第二电感模块(15)构成下游的电导传感器的耦合关系，上游、下游电导传感器相互独立共同使用第一电感L₀作为输入端，第三阻抗R₁与第四阻抗R₂相互独立互不影响，信号处理模块(6)通过三电极非接触式电导传感器获得两组独立的电导信号；

4)信号处理模块(6)对上游、下游电导传感器输出的两组独立电导信号，进行放大、整流、滤波处理后将由数据采集模块(7)采集到微型计算机(8)中，采用如下公计算流速和流量，利用公式

求出渡越时间τ₀，其中中R_xy(τ)为相关系数，x(t)为上游电导传感器输出的电导信号，y(t)为下游电导传感器输出的电导信号，当R_xy(τ)为最大值时取得渡越时间τ₀，进而求出流速

流量Q＝AV_c，其中L为上游、下游电导传感器的间距，A为测量管道的截面面积。

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