CN102435238A - 导电液体流量测量的桥式流量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导电液体流量测量的桥式流量测量方法及装置。采用放置在测量管轴向截面两两对称的电极之间的集总参数阻抗组成惠斯登电桥，在惠斯登电桥一组对角电极上通以交流电激励，另一组对角电极上得到的输出电压信号与导电液体的流速成线性关系。该装置的振荡驱动电路依次经桥式流量测量传感器、放大器、整流滤波电路、零点校准电路、跟随器、A/D转换器、单片机与输出显示电路连接，D/A转换器与单片机连接。本发明采用桥式流量测量方法，它不需要励磁线圈；对导电液体的流量测量，桥式流量测量相对于电磁流量测量始测流速小、电路结构简单、实现成本低、功耗低。

Description

导电液体流量测量的桥式流量测量方法及装置

技术领域

本发明涉及流量测量方法及装置，尤其是涉及一种导电液体流量测量的桥式流量测量方法及装置。

背景技术

流量测量方法和仪表的种类繁多，至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60多种。品种如此之多的原因在于至今还没有找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。

在工业过程中，目前的流量测量方法有：涡轮式、科氏质量式、浮子式，涡街式、容积式、超声波式、差压式等等。然而，针对导电液体的流量测量，电磁式比其他方法简单，成本低。目前被广泛应用于工业过程中各种导电液体的体积流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质。电磁流量计主要由电磁流量传感器和电磁流量转换器两部分组成。电磁流量传感器主要有励磁线圈、测量管和感应电极组成。由于励磁线圈和导磁铁芯的尺寸比较大，造成电磁流量计的尺寸大、成本高，高频磁路的涡流损失和磁滞损失等问题。励磁线圈的感性负载效应使高频和双频励磁时的励磁电流在励磁方向切换后的半个周期内往往达不到稳定，从而导致电磁流量计的零点稳定性差。因此，电磁流量计的励磁线圈给流量计引入了很多难以解决的干扰，同时对于低电导率液体介质，小流量流体，电磁流量计的仪表精度明显降低。

如图1所示，德国科隆公司电磁流量计在标准条件下测量误差与流速的关系图。当流速小于1m/s时，测量误差明显增大。由于检测到的信号相对于干扰信号很微弱，因此难以测量。引入高放大倍数的放大器，然而这样就使得电磁流量计特别容易受外界电磁场的干扰，即使是很微弱的干扰在经过高倍放大后，对结果的影响也是巨大的，这样势必会大大影响仪表的准确度，对控制系统的稳定性和可靠性构成很大的隐患。如某些工程运行初期流速偏低，从测量精度出发，仪表口径应改用小管径，用变径管连接到管径上。因此，对于1m/s以下的小流速流量，在原来管道上实现流量的精确测量目前仍是一个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种导电液体流量测量的桥式流量测量方法及装置。采用桥式流量测量方法，它不需要励磁线圈，结构简单，防止了外界电磁场的干扰，提高测量准确度。

本发明采用的技术方案是：

一、一种导电液体流量测量的桥式流量测量方法：

采用放置在测量管轴向截面两两对称的电极之间的集总参数阻抗组成惠斯登电桥，在惠斯登电桥一组对角电极上通以交流电激励，另一组对角电极上得到的输出电压信号与导电液体的流速成线性关系。

每个集总参数阻抗都是电极极化阻抗、欧姆阻抗和流体的速度梯度阻抗的综合，集总参数阻抗受流体流速、振荡驱动电压的幅值和频率、电极材料和导电流体的电导率的影响，当振荡器驱动电压的幅值和频率、电极材料和导电流体的电导率确定时，沿测量管道径向两个为一组的电极之间的集总参数阻抗保持不变，沿测量管道方向两个为一组的电极之间的集总参数阻抗随流体的流速而变化。

二、一种导电液体流量测量的桥式流量测量装置：

本发明包括振荡驱动电路、桥式流量测量传感器、放大器、整流滤波电路、零点校准电路、跟随器、A/D转换器、单片机、输出显示电路和D/A转换器；振荡驱动电路依次经桥式流量测量传感器、放大器、整流滤波电路、零点校准电路、跟随器、A/D转换器、单片机与输出显示电路连接，D/A转换器与单片机连接。

所述的桥式流量测量传感器是由放置在测量管轴向截面两两对称的电极之间的集总参数阻抗组成惠斯登电桥，一组对角电极中的一个接地，另一个接振荡驱动电路LM741的第6脚进行激励，另一组对角电极接放大器INA101的第10、5脚；测量管内表面有绝缘层衬里，测量管的两端面用法兰通过绝缘垫片或聚四氯乙烯塑胶片分别与两端被测管道连接。

所述的振荡驱动电路以LM741为核心，LM741的第6脚输出端与桥式流量测量传感器的一组对角电极的一个电极相接，一组对角电极的另一个电极接地，桥式流量测量传感器的另一组对角电极的一个电极接放大器INA101的第5脚，桥式流量测量传感器的另一组对角电极的另一个电极接放大器INA101的第10脚。

所述的放大器与整流滤波电路，整流滤波电路LM124的第一路运算放大器OP07-1的第3脚与放大器INA101的第8脚相接，OP07-1的第1脚与零点校准电路LM124第二路运算放大器OP07-2的第6脚相接。

所述的零点校准与跟随器电路，零点校准电路LM124第二路运算放大器OP07-2的第7脚与跟随器LM124第三路运算放大器OP07-3的第10脚相接，OP07-3的第8脚通过A/D转换器输入单片机，再通过D/A转换器把单片机输出的信号变为4-20mA标准电流信号用于输出显示。

所述的单片机采用LPC2136，A/D模块采用ADS1251，D/A模块采用AD421，输出显示模块采用12864点阵带汉字液晶模块，LM124是有四路运算放大器OP07的集成芯片。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用桥式流量测量方法，它不需要励磁线圈；对导电液体的流量测量，桥式流量测量相对于电磁流量测量始测流速小、电路结构简单、实现成本低、功耗低。

附图说明

图1是德国科隆公司电磁流量计在标准条件下测量误差与流速的关系图。

图2是本发明桥式流量测量传感器结构图。

图3是本发明四电极集总参数阻抗网示意图。

图4是本发明桥式流量测量装置结构原理框图。

图5是本发明的放大器与整流滤波电路原理图。

图6是本发明的零点校准与跟随器电路原理图。

图7是本发明的振荡驱动电路原理图。

图中：1、法兰，2、电极，3、测量管，4、绝缘衬里。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图4所示，本发明包括振荡驱动电路、桥式流量测量传感器、放大器、整流滤波电路、零点校准电路、跟随器、A/D转换器、单片机、输出显示电路和D/A转换器；振荡驱动电路依次经桥式流量测量传感器、放大器、整流滤波电路、零点校准电路、跟随器、A/D转换器、单片机与输出显示电路连接，D/A转换器与单片机连接。

如图2、图3所示，所述的桥式流量测量传感器是由放置在测量管轴向截面两两对称的电极之间的集总参数阻抗组成惠斯登电桥，一组对角电极A、D中的一个接地，另一个接振荡驱动电路LM741的第6脚进行激励，另一组对角电极B、C接放大器INA101的第10、5脚；测量管内表面有绝缘层，测量管的两端面用法兰通过绝缘垫片或聚四氯乙烯塑胶片分别与两端被测管道连接。

本发明的桥式流量测量方法，它是基于惠斯登电桥原理。金属电极在电解质流体中存在电化学现象。根据电化学原理，电极与流体间存在界面电场，电极与流体的界面是电极与流体相间存在的双电层所引起的。对电极与流体界面电场的研究发现物质的分子、原子和离子在界面具有富集或贫乏的吸附现象，而且发现大多数无机阴离子是表面活性物质，具有典型的离子吸附规律，而无机阳离子的表面活性很小。由于极化阻抗导致电势差，如果一个小信号交流电激励在一组对角电极上，这个交流电压与两电极之间的两个半电势相叠加，同时流体中的离子从一个电极流向另一个电极，电流密度受限于两电极之间的极化阻抗和欧姆阻抗。此外，如果流体是沿测量管道方向从一个电极流向另一电极，离子随着流体移动，由于速度梯度产生的粘性力作用，电流密度最终达到动态平衡。因此，电极间的集总参数阻抗取决于极化阻抗，欧姆阻抗，流体的速度梯度阻抗。对于固定的系统极化阻抗和欧姆阻抗被认为恒定，穿过管道流体横截面的速度梯度取决于流体的速率。

如图3所示，假设轴向截面两两对称的四电极之间存在四个集总参数阻抗，当导电液体以层流小流量状态流过水平放置的测量管道时，假设它没有沿着直径方向的流速单元，因此，电极A、C之间的集总参数阻抗Z₁和电极B、D之间的集总参数阻抗Z₃为常量。电极A、B之间的集总参数阻抗Z₂和电极C、D之间的集总参数阻抗Z₄随流体速度梯度而变化。

因此，根据惠斯登电桥原理，一对角方向的两电极通以恒定交流电，而另一对角电极的输出随导电液体的流速而变化。在电极A、D之间提供固定频率的交流电压Vs，由于测量电路具有高输入阻抗，桥路电压输出信号V₀为

$V_0=V_s\frac{(Z_2{Z}_4-Z_1{Z}_3)}{(Z_1+Z_4)(Z_2+Z_3)}---\left(1\right)$

对于交流电压Vs和相同电极有Z₁＝Z₃，Z₂＝Z₄

假设流量为Q₀的流体，Z₁＝Z₃＝Z_C，Z₂＝Z₄＝Z₀，在另一不同于Q₀的流量Q下，Z₀变为Z_Q。Z_Q的泰勒级数展开式为

$Z_Q=Z_0+{\left(\frac{{\∂Z}_Q}{\∂Q}\right)}_{Q_0}\mathrm{\ΔQ}+\frac{1}{2!}{\left(\frac{{\∂}^2{Z}_Q}{\∂Q^2}\right)}_{Q_0}\mathrm{\Δ}{Q}^2+\·\·\·---\left(2\right)$

其中流速增量ΔQ＝Q-Q₀，令

${\left(\frac{{\∂Z}_Q}{\∂Q}\right)}_{Q_O}=\mathrm{\μ},$ $\frac{1}{2!}{\left(\frac{{\∂}^2{Z}_Q}{\∂Q^2}\right)}_{Q_0}=\mathrm{\β}$

因此Z_Q＝Z₀+μΔQ+βΔQ²+…            (3)

在层流状态时，β值和更高阶项的系数非常小。因此，在ΔQ流量变化很小时，Z_Q由下式表示

Z_Q＝Z₀+μΔQ                (4)

把Z₁＝Z₃＝Z_C，Z₂＝Z₄＝Z_Q代入(1)式，流量为Q时桥路输出电压为

$V_0=V_S\left[\frac{(Z_Q-Z_C)}{(Z_Q+Z_C)}\right]---\left(5\right)$

由(4)和(5)式得出

$V_0=V_S\left[\frac{(Z_0+\mathrm{\μ\ΔQ}-Z_C)}{(Z_C+Z_0+\mathrm{\μ\ΔQ})}\right]$ 或者

$V_0=[\left(\frac{Z_0-Z_C}{Z_0+Z_C}\right)+\frac{2Z_C\mathrm{\μ}}{(Z_0+Z_C)}\mathrm{\ΔQ}-\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{{(Z_0+Z_C)}^2}\mathrm{\Δ}{Q}^2]V_S$

V₀＝K₁+K₂ΔQ-K₃ΔQ²         (6)

其中

$K_1=\left(\frac{Z_0-Z_C}{Z_0+Z_C}\right)V_S---\left(7\right)$

$K_2=\frac{2\mathrm{\μ}{Z}_C}{{(Z_0+Z_C)}^2}{V}_S---\left(8\right)$

$K_3=\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{{(Z_0+Z_C)}^2}{V}_S---\left(9\right)$

在层流状态时，系数K₃的值被认为很小，忽略不计。因此，在ΔQ流量变化很小时，(6)式表示为

V₀＝K₁+K₂ΔQ                (10)

或为

V₀＝K₁+K₂(Q-Q₀)             (11)

由此看出，在层流状态下，桥路输出电压与流量变化量成线性关系。无液体流过管道时，Q₀＝0，沿管道方向电极间阻抗与径向电极阻抗相等，Z₀＝Z_C。此时K₁＝0，(11)式简化为

V₀＝K₂Q                     (12)

由式(12)得出，在层流小流量状态下，桥路输出电压与流量成正比。在湍流流速相对比较大的状态下，(3)式表示为

Z_Q＝Z₀+μΔQ+βΔQ²

由式(5)得桥路电压为

$V_0=\frac{(Z_0-Z_C+\mathrm{\μ\ΔQ}+\mathrm{\β\Δ}{Q}^2)}{(Z_0+\mathrm{\μ\ΔQ}+\mathrm{\β\Δ}{Q}^2+Z_C)}{V}_S---\left(13\right)$

因此，湍流状态下，桥路输出电压与流量增量成非线性。假设Z₀+Z_C＞＞μΔQ+βΔQ²。输出电压表示为

$V_0=\frac{Z_0-Z_C+\mathrm{\μ\ΔQ}+\mathrm{\β\Δ}{Q}^2}{Z_0+Z_C}[1-\frac{\mathrm{\μ\ΔQ}+\mathrm{\β\Δ}{Q}^2}{Z_0+Z_C}]$ 或为

V₀＝K₁+K₂ΔQ+K₃′ΔQ²-K₄ΔQ³-K₅ΔQ⁴    (14)

其中

${K_3}^{\′}=\frac{2Z_C\mathrm{\β}-{\mathrm{\μ}}^2}{{(Z_0+Z_C)}^2}{V}_S---\left(15\right)$

$K_5=\frac{{\mathrm{\β}}^2}{{(Z_0+Z_C)}^2}{V}_S---\left(16\right)$

$K_5=\frac{{\mathrm{\β}}^2}{{(Z_0+Z_C)}^2}{V}_S---\left(17\right)$

因μ和β很小，K₄和K₅可以忽略不计，那么(14)式简化为

V₀＝K₁+K₂ΔQ+K₃′ΔQ²                  (18)

初始流量为Q₀，在瞬变或湍流状态下，前面的方程变为

V₀＝K₁+K₂(Q-Q₀)+K₃′(Q-Q₀)²            (19)

因此，在湍流状态下，桥路输出电压与流量增量可以认为具有一定的非线性。这就是桥式流量测量方法的理论基础。

本发明桥式流量测量方法，在测量管内轴向截面两两对称地安装有四个电极，四电极的集总参数阻抗组成惠斯登电桥。在对角两电极上加上交流电激励，另对角两电极引出输出信号。

如图5所示为放大器与整流滤波电路原理图，放大器INA101对输出电压进行一级放大，放大器INA101的第9脚与正电源相接，放大器INA101的第6脚与负电源相接，正电源与放大器INA101的第9脚，负电源与放大器INA101的第6脚之间分别接一个高频滤波电容。放大器INA101的第1、4脚之间接一个划线变阻器R8用来调节放大器的增益，放大器INA101的第10脚为负输入端，放大器INA101的第5脚为正输入端。放大器INA101的第8脚为输出端。整流滤波电路以LM124第一路运算放大器OP07-1为核心，电阻R9的一端接放大器INA101的第8脚，电阻R9的另一端接运算放大器OP07-1的第3脚，二极管D1、D2反向，一端接运算放大器OP07-1的第2脚，另一端接运算放大器OP07-1的第1脚。运算放大器OP07-1的第1脚通过电阻R10和电容C5并联接地。

如图6所示，零点校准与跟随器电路以LM124第二路运算放大器OP07-2为核心，电阻R13一端接运算放大器OP07-2的第6脚，另一端接运算放大器OP07-2的第7脚，电阻R14一端接整流滤波电路运算放大器OP07-1的第1脚，另一端接运算放大器OP07-2的第6脚，运算放大器OP07-2的第7脚为输出，划线变阻器R11一端接正电源，另一端接负电源，同时与电阻R12一端相接再接运算放大器OP07-2的第5脚，运算放大器OP07-2的第5脚通过电阻R15接地，运算放大器OP07-2的第7脚通过R16与跟随器LM124第三路运算放大器OP07-3的第10脚相接，运算放大器OP07-3的第9脚与运算放大器OP07-3的第8脚直接相接。

如图7所示，振荡器以LM741为核心，电阻R6一端接LM741的第3脚，另一端接地。划线变阻器R5一端接LM741的第6脚，另一端接LM741的第3脚。电阻R4与电容C2并联，一端接地，另一端接LM741的第2脚，电阻R3与电容C1串联，一端接LM741的第6脚，一端接LM741的第2脚。LM741第6脚输出产生一个正弦交流电来驱动桥式流量测量传感器。

Claims (7)

1.一种导电液体流量测量的桥式流量测量方法，其特征在于：采用放置在测量管轴向截面两两对称的电极之间的集总参数阻抗组成惠斯登电桥，在惠斯登电桥一组对角电极上通以交流电激励，另一组对角电极上得到的输出电压信号与导电液体的流速成线性关系。

2.根据权利要求1所述测量方法的一种导电液体流量测量的桥式流量测量装置，其特征在于：包括振荡驱动电路、桥式流量测量传感器、放大器、整流滤波电路、零点校准电路、跟随器、A/D转换器、单片机、输出显示电路和D/A转换器；振荡驱动电路依次经桥式流量测量传感器、放大器、整流滤波电路、零点校准电路、跟随器、A/D转换器、单片机与输出显示电路连接，D/A转换器电路与单片机连接。

3.根据权利要求2所述的一种导电液体流量测量的桥式流量测量装置，其特征在于：所述的桥式流量测量传感器是由放置在测量管轴向截面两两对称的电极之间的集总参数阻抗组成惠斯登电桥，一组对角电极（A、D）中的一个接地，另一个接振荡驱动电路LM741的第6脚进行激励，另一组对角电极（B、C）接放大器INA101的10、5脚；测量管内表面有绝缘衬里，测量管的两端面用法兰通过绝缘垫片或聚四氯乙烯塑胶片分别与两端被测管道连接。

4.根据权利要求2所述的一种导电液体流量测量的桥式流量测量装置，其特征在于：所述的振荡驱动电路以LM741为核心，LM741的第6脚输出端与桥式流量测量传感器的一组对角电极的一个电极（A）相接，一组对角电极的另一个电极（D）接地，桥式流量测量传感器的另一组对角电极的一个电极（C）接放大器INA101的第5脚，桥式流量测量传感器的另一组对角电极的另一个电极（B）接放大器INA101的第10脚。

5.根据权利要求2所述的一种导电液体流量测量的桥式流量测量装置，其特征在于：所述的放大器与整流滤波电路，整流滤波电路LM124的第一路运算放大器OP07-1的第3脚与放大器INA101的第8脚相接，运算放大器OP07-1的第1脚与零点校准电路LM124第二路运算放大器OP07-2的第6脚相接。

6.根据权利要求2所述的一种导电液体流量测量的桥式流量测量装置，其特征在于：所述的零点校准与跟随器电路，零点校准电路LM124第二路运算放大器OP07-2的第7脚与跟随器LM124第三路运算放大器OP07-3的第10脚相接， OP07-3的第8脚通过A/D转换器输入单片机，再通过D/A转换器把单片机输出的信号变为4-20mA标准电流信号用于输出显示。

7.根据权利要求2所述的一种导电液体流量测量的桥式流量测量装置，其特征在于：所述的单片机采用LPC2136，A/D转换器采用ADS1251，D/A转换器采用AD421，输出显示采用12864点阵带汉字液晶模块，LM124是有四路运算放大器OP07的集成芯片。

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