CN102360025A - 一种小通道流体流速流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小通道流体流速流量测量装置及方法。包括交流激励源、绝缘管道、五电极非接触式电导传感器、调幅解调电路、数据采集模块以及微型计算机。五电极非接触电导传感器的第一电极作为激励电极，第五电极为接地电极以构成交流通路。在第一电极上施加交流电压信号，在第二电极、第三电极间和第三电极、第四电极间分别获得两组独立地反映管内流体电导信息的电压信号，经调幅解调电路和数据采集模块传送至微型计算机，利用互相关原理对所获得的两组电压信号进行互相关运算，获得被测流体的流速，并进而获得流体的流量。本发明的装置为非接触式，对管内流体流动无影响，压力损失小，为解决小通道内非均质流体的流速流量测量提供了有益手段。

Description

一种小通道流体流速流量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流速流量检测技术，尤其涉及一种小通道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食品制药、石油化工、环境保护等行业部门的科研和生产过程中，流速与流量是工业生产中的重要过程参数。随着新材料技术的进步，各种新工艺的应用和发展，工业器件以及设备逐步呈现出微型化、小型化的趋势。虽然在工业生产过程中，常规管道的流量测量装置或仪表的研究与应用已较为成熟，但对于毫米级管径的小通道流量测量技术还十分匮乏，目前缺乏有效的测量手段。此外，在化工制药等领域生产过程中，带有悬浮物、固体颗粒等的导电性流体也较为常见，而现有的流速流量测量仪表主要针对介质单一和无杂质的均质流体，对上述这种非均质流体的流速流量测量一直没有很好的解决办法。因此，急需开发一种适用于小通道非均质流体流速流量测量的仪表。

电容耦合式非接触电导测量技术是一种新型的非接触式电导测量技术。其电极不与流体直接接触，有效地避免了传统接触式电导测量方法存在的电极极化和电化学腐蚀等问题。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或以下管径溶液电导、离子浓度等的测量，在小通道非均质流体流速流量测量领域基本上属于空白。

发明内容

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

小通道流体流速流量测量装置包括绝缘管道、第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、交流激励源、调幅解调电路、数据采集模块、微型计算机；绝缘管道外侧顺次设有第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极，第一电极与交流激励源相连，第二电极、第三电极、第四电极分别与调幅解调电路相连，调幅解调电路、数据采集模块、微型计算机顺次相连，第五电极接地；由第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和第五电极构成五电极非接触式电导传感器，第一电极作为激励电极，第五电极为接地电极，第二电极、第三电极和第四电极为五电极非接触式电导传感器的输出端，由绝缘管道、第二电极和第三电极构成上游电导传感器，由绝缘管道、第三电极和第四电极构成下游电导传感器。

所述的调幅解调电路为：第二耦合电容一端、第二电阻一端与第一运算放大器的正向输入端相连接，第一电阻的一端、第一电容的一端与第一运算放大器的反相输入端相连接，第二电阻另一端、第一电容另一端、第三电阻的一端相连接，第三电阻的另一端接地，第三耦合电容一端、第五电阻一端与第二运算放大器的正向输入端相连接，第四电阻的一端、第二电容的一端与第二运算放大器的反相输入端相连接，第五电阻另一端、第二电容另一端、第六电阻的一端相连接，第六电阻的另一端接地，第四耦合电容一端、第八电阻一端与第三运算放大器的正向输入端相连接，第七电阻的一端、第三电容的一端与第三运算放大器的反相输入端相连接，第八电阻另一端、第三电容另一端、第九电阻的一端相连接，第九电阻的另一端接地，第一运算放大器的输出端、第一电阻的另一端与第一仪用放大器的正向输入端相连接，第二运算放大器的输出端、第四电阻的另一端与第一仪用放大器的反向输入端、第二仪用放大器的正向输入端相连接，第三运算放大器的输出端、第七电阻的另一端与第二仪用放大器的反向输入端相连接，第一仪用放大器的输出端与第一乘法器的一个输入端相连接，第二仪用放大器的输出端与第二乘法器的一个输入端相连接，交流激励源与第一乘法器的另一个输入端、第二乘法器的另一个输入端相连接，第一乘法器的输出端通过第十电阻与第四电容的一端、第十二电阻的一端、第四运算放大器的反向输入端相连接，第四运算放大器的正向输入端通过第十六电阻接地，第四运算放大器的输出端通过第十四电阻与第六电容的一端相连接，第六电容的另一端接地，第二乘法器的输出端通过第十一电阻与第五电容的一端、第十三电阻的一端、第五运算放大器的反向输入端相连接，第五运算放大器的正向输入端通过第十七电阻接地，第五运算放大器的输出端通过第十五电阻与第七电容的一端相连接，第七电容的另一端接地。

小通道流体流速流量测量方法的步骤如下：

1)设置交流激励源的激励频率为f，输出电压为U_in，在该激励信号作用下，五电极非接触式电导传感器形成一个交流通路，等效电路总阻抗 $Z={\frac{1}{j2\mathrm{\πfc}}}_{x1}+R_{x1}+R_{x2}+R_{x3}+R_{x4}+{\frac{1}{j2\mathrm{\πfc}}}_{x5},$ 第一电位输出端的电位值第二电位输出端的电位值

第三电位输出端的电位值

第二流体等效电阻两端的电压降第三流体等效电阻两端的电压降

其中，第一流体等效电阻为第一电极和第二电极间的流体的等效电阻，第二流体等效电阻为第二电极和第三电极间的流体的等效电阻，第三流体等效电阻为第三电极和第四电极间的流体的等效电阻，第四流体等效电阻为第四电极和第五电极间的流体的等效电阻，第一耦合电容为第一电极、绝缘管道和管道内流体形成的耦合电容，第二耦合电容为第二电极、绝缘管道与管道内流体形成的耦合电容，第三耦合电容为第三电极、绝缘管道与管道内流体形成的耦合电容，第四耦合电容为第四电极、绝缘管道与管道内流体形成的耦合电容，第五耦合电容为第五电极、绝缘管道与管道内流体所形成的耦合电容；

2)调幅解调电路(8)由第一电位输出端和第二电位输出端获得第二流体等效电阻两端的电压降U₀₁，由第二电位输出端和第三电位输出端获得第三流体等效电阻两端的电压降U₀₂，并将其分别解调、放大后得到第一电压和第二电压；

3)第一电压、第二电压由数据采集模块采集到微型计算机中，采用如下公式计算流速流量，先利用

求出渡越时间τ_o，通过v_cp＝L/τ_o计算出流体流速v_cp，并进而获得流体流量Q＝v_cpA，其中，L为上游传感器和下游传感器间的间距，A为管道横截面积。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

1)测量方式为非侵入式，压力损失小，不破坏管道内流体流场，电极不与管道中流体接触，因此电极不受流体冲击、腐蚀、极化作用，适用于小通道非均质流体流速流量测量；

2)五电极非接触式电导传感器直接获得反映管道内流体电导信息的微弱电压信号，五电极的结构可以避免传统电容耦合式非接触电导测量技术中耦合电容的影响，提高传感器的灵敏度；

3)利用调幅解调电路实现了对微弱电压信号的检测，有效地抑制了电路噪声，提高了输出信号的信噪比。

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是本发明的五电极非接触式电导传感器等效电路图；

图3是本发明的调幅解调电路图；

图中：绝缘管道1、第一电极2、第二电极3、第三电极4、第四电极5、第五电极6、交流激励源7、调幅解调电路8、数据采集模块9、微型计算机10。

具体实施方式

如图1所示，小通道流体流速流量测量装置包括绝缘管道1、第一电极2、第二电极3、第三电极4、第四电极5、第五电极6、交流激励源7、调幅解调电路8、数据采集模块9、微型计算机10；绝缘管道1外侧顺次设有第一电极2、第二电极3、第三电极4、第四电极5、第五电极6，第一电极2与交流激励源7相连，第二电极3、第三电极4、第四电极5分别与调幅解调电路8相连，调幅解调电路8、数据采集模块9、微型计算机10顺次相连，第五电极6接地；由第一电极2、第二电极3、第三电极4、第四电极5和第五电极6构成五电极非接触式电导传感器，第一电极2作为激励电极，第五电极6为接地电极，第二电极3、第三电极4和第四电极5为五电极非接触式电导传感器的输出端，由绝缘管道1、第二电极3和第三电极4构成上游电导传感器，由绝缘管道1、第三电极4和第四电极5构成下游电导传感器。

利用该装置和方法测量流体流速流量流程为：交流激励源输出交流电压信号，并施加到第一电极上，第五电极接地以构成交流通路，在第二电极、第三电极间和第三电极、第四电极间分别得到两组独立的反映管内流体电导信息的电压信号，经调幅解调电路和数据采集模块传送至微型计算机，利用互相关原理对所获得的两组电压信号进行互相关运算，获得被测流体的流速，并进而获得流体的流量。

如图2所示，交流激励源7与第一电极2、绝缘管道1和管道内流体形成的第一耦合电容C_x1一端相连接，第二电极3、绝缘管道1与管道内流体形成的第二耦合电容C_x2一端接入第一电位输出端V₁，第三电极4、绝缘管道1与管道内流体形成的第三耦合电容C_x3一端接入第二电位输出端V₂，第四电极5、绝缘管道1与管道内流体形成的第四耦合电容C_x4一端接入第三电位输出端V₃，第五电极6、绝缘管道1与管道内流体所形成的第五耦合电容C_x5一端接地，第一耦合电容C_x1另一端与第二耦合电容C_x2另一端通过两者之间第一流体等效电阻R_x1相连接，第二耦合电容C_x2另一端与第三耦合电容C_x3另一端通过两者之间第二流体等效电阻R_x2相连接，第三耦合电容C_x3另一端与第四耦合电容C_x4另一端通过两者之间第三流体等效电阻R_x3相连接，第四耦合电容C_x4另一端与第五耦合电容C_x5另一端通过两者之间第四流体等效电阻R_x4相连接。

如图3所示，所述的调幅解调电路8为：第二耦合电容C_x2一端、第二电阻R₂一端与第一运算放大器A₁(AD817)的正向输入端相连接，第一电阻R₁的一端、第一电容C₁的一端与第一运算放大器A₁(AD817)的反相输入端相连接，第二电阻R₂另一端、第一电容C₁另一端、第三电阻R₃的一端相连接，第三电阻R₃的另一端接地，第三耦合电容C_x3一端、第五电阻R₅一端与第二运算放大器A₂(AD817)的正向输入端相连接，第四电阻R₄的一端、第二电容C₂的一端与第二运算放大器A₂(AD817)的反相输入端相连接，第五电阻R₅另一端、第二电容C₂另一端、第六电阻R₆的一端相连接，第六电阻R₆的另一端接地，第四耦合电容C_x4一端、第八电阻R₈一端与第三运算放大器A₃(AD817)的正向输入端相连接，第七电阻R₇的一端、第三电容C₃的一端与第三运算放大器A₃(AD817)的反相输入端相连接，第八电阻R₈另一端、第三电容C₃另一端、第九电阻R₉的一端相连接，第九电阻R₉的另一端接地，第一运算放大器A₁(AD817)的输出端、第一电阻R₁的另一端与第一仪用放大器Y1(INA111)的正向输入端相连接，第二运算放大器A₂(AD817)的输出端、第四电阻R₄的另一端与第一仪用放大器Y₁(INA111)的反向输入端、第二仪用放大器Y₂(INA111)的正向输入端相连接，第三运算放大器A₃(AD817)的输出端、第七电阻R₇的另一端与第二仪用放大器Y2(INA111)的反向输入端相连接，第一仪用放大器Y1(INA111)的输出端与第一乘法器M₁(AD734)的一个输入端相连接，第二仪用放大器Y2(INA111)的输出端与第二乘法器M₂(AD734)的一个输入端相连接，交流激励源7与第一乘法器M₁(AD734)的另一个输入端、第二乘法器M₂(AD734)的另一个输入端相连接，第一乘法器M₁(AD734)的输出端通过第十电阻R₁₀与第四电容C₄的一端、第十二电阻R₁₂的一端、第四运算放大器A₄(AD817)的反向输入端相连接，第四运算放大器A₄(AD817)的正向输入端通过第十六电阻R₁₆接地，第四运算放大器A₄(AD817)的输出端通过第十四电阻R₁₄与第六电容C₆的一端相连接，第六电容C₆的另一端接地，第二乘法器M₂(AD734)的输出端通过第十一电阻R₁₁与第五电容C₅的一端、第十三电阻R₁₃的一端、第五运算放大器A₅(AD817)的反向输入端相连接，第五运算放大器A₅(AD817)的正向输入端通过第十七电阻R₁₇接地，第五运算放大器A₅(AD817)的输出端通过第十五电阻R₁₅与第七电容C₇的一端相连接，第七电容C₇的另一端接地。

小通道流体流速流量测量方法的步骤如下：

1)设置交流激励源7的激励频率为f，输出电压为U_in，在该激励信号作用下，五电极非接触式电导传感器形成一个交流通路，等效电路总阻抗 $Z={\frac{1}{j2\mathrm{\πfc}}}_{x1}+R_{x1}+R_{x2}+R_{x3}+R_{x4}+{\frac{1}{j2\mathrm{\πfc}}}_{x5},$ 第一电位输出端V₁的电位值第二电位输出端V₂的电位值第三电位输出端V₃的电位值

第二流体等效电阻R_x2两端的电压降

第三流体等效电阻R_x3两端的电压降

其中，第一流体等效电阻R_x1为第一电极和第二电极间的流体的等效电阻，第二流体等效电阻R_x2为第二电极和第三电极间的流体的等效电阻，第三流体等效电阻R_x3为第三电极和第四电极间的流体的等效电阻，第四流体等效电阻R_x4为第四电极和第五电极间的流体的等效电阻，第一耦合电容C_x1为第一电极2、绝缘管道1和管道内流体形成的耦合电容，第二耦合电容C_x2为第二电极3、绝缘管道1与管道内流体形成的耦合电容，第三耦合电容C_x3为第三电极4、绝缘管道1与管道内流体形成的耦合电容，第四耦合电容C_x4为第四电极5、绝缘管道1与管道内流体形成的耦合电容，第五耦合电容C_x5为第五电极6、绝缘管道1与管道内流体所形成的耦合电容；

2)调幅解调电路8由第一电位输出端V₁和第二电位输出端V₂获得第二流体等效电阻R_x2两端的电压降U₀₁，由第二电位输出端V₂和第三电位输出端V₃获得第三流体等效电阻R_x3两端的电压降U₀₂，并将其分别解调、放大，得到第一电压U₁和第二电压U₂；

3)第一电压U₁、第二电压U₂由数据采集模块采集到微型计算机中，采用如下公式计算流速流量，先利用求出渡越时间τ_o，通过v_cp＝L/τ_o计算出流体流速v_cp，并进而获得流体流量Q＝v_cpA，其中，L为上游传感器和下游传感器间的间距，A为管道横截面积。

已利用非均质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为3.90mm，外径为6.20mm，试验介质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 (3)

1.一种小通道流体流速流量测量装置，其特征在于包括绝缘管道(1)、第一电极(2)、第二电极(3)、第三电极(4)、第四电极(5)、第五电极(6)、交流激励源(7)、调幅解调电路(8)、数据采集模块(9)、微型计算机(10)；绝缘管道(1)外侧顺次设有第一电极(2)、第二电极(3)、第三电极(4)、第四电极(5)、第五电极(6)，第一电极(2)与交流激励源(7)相连，第二电极(3)、第三电极(4)、第四电极(5)分别与调幅解调电路(8)相连，调幅解调电路(8)、数据采集模块(9)、微型计算机(10)顺次相连，第五电极(6)接地；由第一电极(2)、第二电极(3)、第三电极(4)、第四电极(5)和第五电极(6)构成五电极非接触式电导传感器，第一电极(2)作为激励电极，第五电极(6)为接地电极，第二电极(3)、第三电极(4)和第四电极(5)为五电极非接触式电导传感器的输出端，由绝缘管道(1)、第二电极(3)和第三电极(4)构成上游电导传感器，由绝缘管道(1)、第三电极(4)和第四电极(5)构成下游电导传感器。

2.根据权利要求1所述的一种小通道流体流速流量测量装置，其特征在于所述的调幅解调电路(8)为：第二耦合电容(C_x2)一端、第二电阻(R₂)一端与第一运算放大器(A₁)的正向输入端相连接，第一电阻(R₁)的一端、第一电容(C₁)的一端与第一运算放大器(A₁)的反相输入端相连接，第二电阻(R₂)另一端、第一电容(C₁)另一端、第三电阻(R₃)的一端相连接，第三电阻(R₃)的另一端接地，第三耦合电容(C_x3)一端、第五电阻(R₅)一端与第二运算放大器(A₂)的正向输入端相连接，第四电阻(R₄)的一端、第二电容(C₂)的一端与第二运算放大器(A₂)的反相输入端相连接，第五电阻(R₅)另一端、第二电容(C₂)另一端、第六电阻(R₆)的一端相连接，第六电阻(R₆)的另一端接地，第四耦合电容(C_x4)一端、第八电阻(R₈)一端与第三运算放大器(A₃)的正向输入端相连接，第七电阻(R₇)的一端、第三电容(C₃)的一端与第三运算放大器(A₃)的反相输入端相连接，第八电阻(R₈)另一端、第三电容(C₃)另一端、第九电阻(R₉)的一端相连接，第九电阻(R₉)的另一端接地，第一运算放大器(A₁)的输出端、第一电阻(R₁)的另一端与第一仪用放大器(Y₁)的正向输入端相连接，第二运算放大器(A₂)的输出端、第四电阻(R₄)的另一端与第一仪用放大器(Y₁)的反向输入端、第二仪用放大器(Y₂)的正向输入端相连接，第三运算放大器(A₃)的输出端、第七电阻(R₇)的另一端与第二仪用放大器(Y₂)的反向输入端相连接，第一仪用放大器(Y₁)的输出端与第一乘法器(M₁)的一个输入端相连接，第二仪用放大器(Y₂)的输出端与第二乘法器(M₂)的一个输入端相连接，交流激励源(7)与第一乘法器(M₁)的另一个输入端、第二乘法器(M₂)的另一个输入端相连接，第一乘法器(M₁)的输出端通过第十电阻(R₁₀)与第四电容(C₄)的一端、第十二电阻(R₁₂)的一端、第四运算放大器(A₄)的反向输入端相连接，第四运算放大器(A₄)的正向输入端通过第十六电阻(R₁₆)接地，第四运算放大器(A₄)的输出端通过第十四电阻(R₁₄)与第六电容(C₆)的一端相连接，第六电容(C₆)的另一端接地，第二乘法器(M₂)的输出端通过第十一电阻(R₁₁)与第五电容(C₅)的一端、第十三电阻(R₁₃)的一端、第五运算放大器(A₅)的反向输入端相连接，第五运算放大器(A₅)的正向输入端通过第十七电阻(R₁₇)接地，第五运算放大器(A₅)的输出端通过第十五电阻(R₁₅)与第七电容(C₇)的一端相连接，第七电容(C₇)的另一端接地。

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

1)设置交流激励源(7)的激励频率为f，输出电压为U_in，在该激励信号作用下，五电极非接触式电导传感器形成一个交流通路，等效电路总阻抗 $Z={\frac{1}{j2\mathrm{\πfc}}}_{x1}+R_{x1}+R_{x2}+R_{x3}+R_{x4}+{\frac{1}{j2\mathrm{\πfc}}}_{x5},$ 第一电位输出端(V₁)的电位值

第二电位输出端(V₂)的电位值

第三电位输出端(V₃)的电位值

第二流体等效电阻(R_x2)两端的电压降

第三流体等效电阻(R_x3)两端的电压降

其中，第一流体等效电阻(R_x1)为第一电极(2)和第二电极(3)间的流体的等效电阻，第二流体等效电阻(R_x2)为第二电极(3)和第三电极(4)间的流体的等效电阻，第三流体等效电阻(R_x3)为第三电极(4)和第四电极(5)间的流体的等效电阻，第四流体等效电阻(R_x4)为第四电极(5)和第五电极(6)间的流体的等效电阻，第一耦合电容(C_x1)为第一电极(2)、绝缘管道(1)和管道内流体形成的耦合电容，第二耦合电容(C_x2)为第二电极(3)、绝缘管道(1)与管道内流体形成的耦合电容，第三耦合电容(C_x3)为第三电极(4)、绝缘管道(1)与管道内流体形成的耦合电容，第四耦合电容(C_x4)为第四电极(5)、绝缘管道(1)与管道内流体形成的耦合电容，第五耦合电容(C_x5)为第五电极(6)、绝缘管道(1)与管道内流体所形成的耦合电容；

2)调幅解调电路(8)由第一电位输出端(V₁)和第二电位输出端(V₂)获得第二流体等效电阻(R_x2)两端的电压降U₀₁，由第二电位输出端(V₂)和第三电位输出端(V₃)获得第三流体等效电阻(R_x3)两端的电压降U₀₂，并分别将其解调、放大，得到第一电压(U₁)和第二电压(U₂)；

3)第一电压(U₁)、第二电压(U₂)由数据采集模块采集到微型计算机中，采用如下公式计算流速流量，先利用

求出渡越时间τ_o，通过v_cp＝L/τ_o计算出流体流速v_cp，并进而获得流体流量Q＝v_cpA，其中，L为上游传感器和下游传感器间的间距，A为管道横截面积。

Images