CN102928476A - 水流含气量测量传感器及水流含气量的检测处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水流含气量测量传感器及水流含气量的检测处理方法，前者包括测量电桥，音频激励源为测量电桥提供正负等幅的音频交流信号，信号检测单元用于计算音频交流信号的有效值E_v和极板电压的有效值E_i；数据采集处理单元，用于根据公式1计算测量电极间的电阻值R_i，根据公式2计算置于被测液体中的测量电极间的水流含气量C；公式1：

其中，i＝p对应测量电极置于所述被测液体中的检测量，i＝0对应测量电极置于不含气的所述被测液体中的检测量；公式(2)：其中，水流含气量C为体积浓度。本发明的水流含气量测量传感器及检测处理方法由于采用了正负等幅的音频交流信号作为激励源，有效解决电极表面极化和钙化的问题。

Description

水流含气量测量传感器及水流含气量的检测处理方法

技术领域

本发明属于含气量测量技术领域，具体涉及一种水流含气量测量传感器及水流含气量的检测处理方法。

背景技术

目前，常用的水流含气量测量方法主要有取样法和电阻法，取样法是测量水流含气量的基本手段，可作为标定其他测量仪器的方法；取样法的不足之处在于所需的设备比较笨重，使用灵活性差，不宜作为通常的、快速测量方法。电阻法测量水流含气量的测量原理是：基于水和空气的导电率不同，水流含气量的改变使置入流场的两电极间的电阻值也将相应地发生变化，这样，便可通过与不含气的清水电阻值的比较来测量水流含气量；电阻法具有原理清晰、操作简单、测量迅速等优点。

喷水推进器是水上机动平台的一种动力装置，喷水含气量是喷水推进器工作性能的一个重要指标。在工作时，喷水推进器喷水流速非常大、振动也很强烈，受这些条件的限制，对喷水推进器的含气量目前还没有有效的方法来测量。利用电阻法进行喷水推进器高速水流含气量测量的传感器，由于信号检测处理方法的限制，存在测量电极容易极化、钙化、测量精度不高等不足，不能很好地满足对喷水推进器高速水流含气量的测量，以上问题在水质比较硬的地区尤为明显。

发明内容

本发明的一个目的是针对电阻法水流含气量测量传感器存在的以上问题，提供一种至少可防止测量电极出现表面极化和钙化现象的水流含气量测量传感器。

本发明采用的技术方案为：一种水流含气量测量传感器，包括：

测量电桥，所述测量电桥包括电阻值为R_s的电桥电阻和用于置入流场中执行检测的测量电极，所述测量电极和电桥电阻构成的串联电路的两端为测量电桥的输入端，测量电极的两端为测量电桥的输出端，用于输出极板电压；

音频激励源，所述音频激励源的输出端与测量电桥的输入端对应电连接，以为测量电桥提供正负等幅的音频交流信号；

信号检测单元，所述信号检测单元包括激励源有效值转换电路和电极有效值转换电路，其中，激励源有效值转换电路用于获取音频交流信号的有效值E_v，电极有效值转换电路用于获取极板电压的有效值E_i；

数据采集处理单元，所述数据采集处理单元用于接收所述音频交流信号的有效值和极板电压的有效值，并根据公式1计算测量电极间的电阻值R_i，根据公式2计算置于被测液体中的测量电极间的水流含气量C；

公式1：

其中，i＝p对应测量电极置于所述被测液体中的各检测量，i＝0对应测量电极置于不含气的所述被测液体中的检测量；

公式2：

其中，水流含气量C为体积浓度。

其中，所述水流含气量测量传感器还包括电压电流转换单元，所述电压电流转换单元包括转换系数相同的激励源转换电路和电极转换电路，所述激励源转换电路用于将音频交流信号的有效值E_v转换为激励源标准电流信号I_v，电极转换电路用于将极板电压的有效值E_i转换为极板标准电流信号I_i；

所述水流含气量测量传感器还包括隔离输出单元，所述隔离输出单元包括激励源电流信号隔离模块和电极电流信号隔离模块，所述激励源和电极电流信号隔离模块分别用于将激励源和极板标准电流信号传输至数据采集处理单元，数据采集处理单元根据公式3计算测量电极间的电阻值R_i，并根据公式2计算测量电极间的水流含气量C；

公式3： $R_i=\frac{I_i\×R_s}{I_v-I_i}.$

其中，所述音频交流信号的幅值为±12V～±18V，频率为1500Hz～3000Hz。

其中，所述音频激励源包括波形发生器和运放，波形发生器用于生成正弦交流音频信号，所述运放对正弦交流音频信号进行幅度和功率放大后输出所述正负等幅的音频交流信号。

本发明的另一个目的是针对现有水流含气量的测量检测方法存在的以上问题，提供一种至少可防止测量电极出现表面极化和钙化现象的水流含气量的检测处理方法。

一种水流含气量的检测处理方法为：包括如下步骤：

步骤1：将测量电桥的测量电极置于被测液体中，其中，所述测量电桥包括电阻值为R_s的电桥电阻和所述测量电极，将正负等幅的音频交流信号输入至所述测量电极和电桥电阻构成的串联电路的两端，其中，测量电极的两端作为测量电桥的输出端输出极板电压；

步骤2：获取音频交流信号的有效值E_v和测量电极的极板电压的有效值E_i；

步骤3：获取测量电极间的电阻值R_i，其中，i＝p对应测量电极置于所述被测液体中的检测量，i＝0对应测量电极置于不含气的所述被测液体中的检测量；

步骤4：计算测量电极置于所述被测液体中的测量电极间的水流含气量C，其中，

其中，水流含气量C为体积浓度。

其中，步骤2中，通过激励源有效值转换电路获取所述音频交流信号的有效值E_v，通过电极有效值转换电路获取所述极板电压的有效值E_i；步骤2中，音频交流信号的有效值E_v经激励源转换电路转换为激励源标准电流信号I_v，极板电压的有效值E_i经电极转换电路转换为极板标准电流信号I_i，其中，激励源转换电路与电极转换电路的转换系数相同；

所述检测处理方法通过数据采集处理单元执行步骤3和4，所述激励源标准电流信号经激励源电流信号隔离模块输入至数据采集处理单元中，极板标准电流信号I_i经电极电流信号隔离模块输入至数据采集处理单元；所述数据采集单元根据

计算测量电极置于所述被测液体中的电阻值R_p及测量电极置于不含气的所述被测液体中的电阻值。

本发明的有益效果为：本发明的水流含气量测量传感器及检测处理方法由于采用了正负等幅的音频交流信号作为激励源，有效解决电极表面极化和钙化的问题；另外，采用音频交流信号及极板电压的有效值作为检测量，简化了信号检测单元的复杂性，提高了电路的可靠性；再者，测量信号通过电压电流转换单元转换成电流信号，并进行隔离后传送给数据采集处理单元，提高了系统恶劣电磁环境下的抗干扰能力。

附图说明

图1为根据本发明所述水流含气量测量传感器的一种实施结构的原理框图；

图2为图1所示测量电桥的电路原理图；

图3为图1所示的音频激励源的电路结构；

图4为图1所示信号检测单元及电压电流转换单元的电路结构；

图5为图1所示数据采集处理单元的工作流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的水流含气量测量传感器包括音频激励源1、测量电桥2、信号检测单元3和数据采集处理单元6，其中，如图2所示，测量电桥1包括电阻值为R_s的电桥电阻和用于置入流场中执行检测的测量电极，测量电极和电桥电阻构成的串联电路的两端为测量电桥的输入端，用于输入音频激励源1提供的正负等幅的音频交流信号，测量电极的两端为测量电桥的输出端，用于输出极板电压。以上音频交流信号可以采用幅值为±12V～±18V，频率为1500Hz～3000Hz的音频信号，本实施例采用的音频交流信号的幅值为±15V，频率为3000Hz。

该信号检测单元3包括激励源有效值转换电路31和电极有效值转换电路32，其中，激励源有效值转换电路31用于计算音频交流信号的有效值E_v，电极有效值转换电路32用于计算极板电压的有效值E_i。该信号检测单元对音频交流信号和极板电压进行实时的同步检测，虽然检测信号是一个高频交变信号，但其测试对象的固有频率并不高，一般只有十几赫兹，因此，电路中采用有效值作为测量值，不仅能满足实际要求，还能简化电路的复杂性，提高了系统的可靠性。

该数据采集处理单元6在接收到音频交流信号的有效值和极板电压的有效值后，根据公式(1)计算测量电极间的电阻值R_i，根据公式(2)计算置于被测液体中的测量电极间的水流含气量C；

公式(1)：

其中，i＝p对应测量电极置于所述被测液体中的各检测量，i＝0对应测量电极置于不含气的所述被测液体中的检测量，即R_p和E_P分别为测量电极置于被测液体中的电阻值和极板电压的有效值，R₀和E₀分别为测量电极置于不含气的所述被测液体中的电阻值和极板电压的有效值。

公式(2)：

其中，水流含气量C为体积浓度。

为了提高信号传送的抗干扰能力，本发明采用如图1所示的电压电流转换单元4将检测的两路电压的有效值，即音频交流信号的有效值E_v和极板电压的有效值E_i，转换成标准电流信号(即4～20mA的电流信号)，再通过隔离输出单元5将转换得到的激励源标准电流信号I_v和极板标准电流信号I_i传输至数据采集处理单元6进行计算。

具体为：该电压电流转换单元4包括转换系数相同的激励源转换电路41和电极转换电路42，激励源转换电路41将音频交流信号的有效值E_v转换为激励源标准电流信号I_v，电极转换电路42将极板电压的有效值E_i转换为极板标准电流信号I_i；隔离输出单元5包括激励源电流信号隔离模块51和电极电流信号隔离模块52，激励源和电极电流信号隔离模块分别将激励源和极板标准电流信号传输至数据采集处理单元6，数据采集处理单元6根据公式(3)计算测量电极间的电阻值R_i，并根据以上公式(2)计算测量电极间的水流含气量C。

公式(3)：由于激励源转换电路41和电极转换电路42的转换系数相同，因此，通过公式(3)和公式(1)计算得到的测量电极间的电阻值R_i是相同的，即进行电压/电流信号转换不会影响测量值，公式(3)中的i与公式(1)中的i具有相同的定义。

如图3所示，本发明的音频激励源1可包括波形发生器U2(本实施例采用的型号为：ICL8038)和运放U1(本实施例采用的型号为LM7332)，波形发生器U2生成需要频率的正弦交流音频信号，通过调整电阻R5、R6和电容C2的值，可以改变正弦交流音频信号的频率F，其关系式为：

频率F＝0.33/R×C2(取R5＝R6＝R)。

由于波形发生器U2直接生成的正弦交流音频信号的幅度和驱动能力有限，满足不了使用要求，本实施例通过运放U1进行幅度和功率放大，提高电桥激励信号的幅值和驱动能力，从而提高系统的测量精度，功放通过其OUTA管脚输出所需的音频交流信号。

如图4所示，本实施例中，激励源有效值转换电路和电极有效值转换电路可采用相同的电路结构，激励源转换电路和电极转换电路可采用相同的电路结构，激励源电流信号隔离模块和电极电流信号隔离模块也可采用相同的电路结构，现以对音频激励源激输出的音频交流信号为例说明信号检测单元3、电压电流转换单元4和隔离输出单元5的具体实施结构。

激励源有效值转换电路31包括波形真有效值转换芯片U3(本实施例采用的型号为MX536)和电阻R8。波形真有效值转换芯片U3将输入的音频交流信号(通过波形真有效值转换芯片U3的Vin管脚输入)转换为音频交流信号的有效值E_v。

激励源转换电路41包括电压电流转换芯片U4(本实施例采用的型号为AD694)，主要功能是将波形真有效值转换芯片U3输出的音频交流信号的有效值E_v(通过电压电流转换芯片U4的+SIG管脚输入)转换成标准的4～20mA的激励源标准电流信号I_v。

激励源电流信号隔离模块51包括电流隔离模块U5(本实施例采用的型号为T1100)，主要功能是将激励源标准电流信号I_v(通过电流隔离模块U5的Sin+、Sin-管脚输入)进行隔离后输出(通过电流隔离模块U5的Sout+、Sout-输出+Iout、-Iout)至数据采集处理单元6。

如图5所示，所述的数据采集处理单元6的工作流程为：

步骤a：系统初始化，之后执行步骤b；

步骤b：接收控制指令，之后执行步骤c；

步骤c：通过激励源A/D转换通道接收激励源标准电流信号I_v，并执行A/D转换，之后执行步骤d；

步骤d：通过电极A/D转换通道接收极板标准电流信号I_i，并执行A/D转换，之后执行步骤e；

步骤e：根据

计算测量电极间的电阻值R_i，之后执行步骤f；

步骤f：判断控制指令确定的工作模式是否为检测水流含气量，如是则执行步骤g，如否则执行步骤h；

步骤g：根据

计算水流含气量，之后执行步骤h；

步骤h：存储、显示和输出计算得到的测量值，之后执行步骤b。

以上的系统初始化主要用于完成变量、采样频率等初始设置；接收控制指令主要功能是接收当前系统的工作模式指令。所述数据采集处理单元6有两种工作模式，除了测量被测液体的水流含气量外，另一种模式是获得测量电极置于不含气的液体(与被测液体相同)中的测量电极间的电阻值R₀，两种模式的区别仅在于后者只需计算出电阻值R₀，无需再根据公式(2)计算出水流含气量。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，并非用来限定本发明的实施范围，但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰，皆应认为落入了本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种水流含气量测量传感器，其特征在于，包括：

测量电桥，所述测量电桥包括电阻值为R_s的电桥电阻和用于置入流场中执行检测的测量电极，所述测量电极和电桥电阻构成的串联电路的两端为测量电桥的输入端，测量电极的两端为测量电桥的输出端，用于输出极板电压；

音频激励源，所述音频激励源的输出端与测量电桥的输入端对应电连接，以为测量电桥提供正负等幅的音频交流信号；

信号检测单元，所述信号检测单元包括激励源有效值转换电路和电极有效值转换电路，其中，激励源有效值转换电路用于获取音频交流信号的有效值E_v，电极有效值转换电路用于获取极板电压的有效值E_i；

数据采集处理单元，所述数据采集处理单元用于接收所述音频交流信号的有效值和极板电压的有效值，并根据公式1计算测量电极间的电阻值R_i，根据公式2计算置于被测液体中的测量电极间的水流含气量C；

公式1：

其中，i＝p对应测量电极置于所述被测液体中的各检测量，i＝0对应测量电极置于不含气的所述被测液体中的检测量；

公式2：

其中，水流含气量C为体积浓度。

2.根据权利要求1所述的水流含气量测量传感器，其特征在于，所述水流含气量测量传感器还包括电压电流转换单元，所述电压电流转换单元包括转换系数相同的激励源转换电路和电极转换电路，所述激励源转换电路用于将音频交流信号的有效值E_v转换为激励源标准电流信号I_v，电极转换电路用于将极板电压的有效值E_i转换为极板标准电流信号I_i；

所述水流含气量测量传感器还包括隔离输出单元，所述隔离输出单元包括激励源电流信号隔离模块和电极电流信号隔离模块，所述激励源和电极电流信号隔离模块分别用于将激励源和极板标准电流信号传输至数据采集处理单元，数据采集处理单元根据公式3计算测量电极间的电阻值R_i，并根据公式2计算测量电极间的水流含气量C；

公式3： $R_i=\frac{I_i\×R_s}{I_v-I_i}.$

3.根据权利要求1或2所述的水流含气量测量传感器，其特征在于，所述音频交流信号的幅值为±12V～±18V，频率为1500Hz～3000Hz。

4.根据权利要求3所述的水流含气量测量传感器，其特征在于，所述音频激励源包括波形发生器和运放，波形发生器用于生成正弦交流音频信号，所述运放对正弦交流音频信号进行幅度和功率放大后输出所述正负等幅的音频交流信号。

5.一种水流含气量的检测处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将测量电桥的测量电极置于被测液体中，其中，所述测量电桥包括电阻值为R_s的电桥电阻和所述测量电极，将正负等幅的音频交流信号输入至所述测量电极和电桥电阻构成的串联电路的两端，其中，测量电极的两端作为测量电桥的输出端输出极板电压；

步骤2：获取音频交流信号的有效值E_v和测量电极的极板电压的有效值E_i；

步骤3：获取测量电极间的电阻值R_i，其中，

i＝p对应测量电极置于所述被测液体中的检测量，i＝0对应测量电极置于不含气的所述被测液体中的检测量；

步骤4：计算测量电极置于所述被测液体中的测量电极间的水流含气量C，其中，

其中，水流含气量C为体积浓度。

6.根据权利要求5所述的检测处理方法，其特征在于，步骤2中，通过激励源有效值转换电路获取所述音频交流信号的有效值E_v，通过电极有效值转换电路获取所述极板电压的有效值E_i；步骤2中，音频交流信号的有效值E_v经激励源转换电路转换为激励源标准电流信号I_v，极板电压的有效值E_i经电极转换电路转换为极板标准电流信号I_i，其中，激励源转换电路与电极转换电路的转换系数相同；

所述检测处理方法通过数据采集处理单元执行步骤3和4，所述激励源标准电流信号经激励源电流信号隔离模块输入至数据采集处理单元中，极板标准电流信号I_i经电极电流信号隔离模块输入至数据采集处理单元；所述数据采集单元根据

计算测量电极置于所述被测液体中的电阻值R_p及测量电极置于不含气的所述被测液体中的电阻值R₀。

7.根据权利要求5或6所述的检测处理方法，其特征在于，所述音频交流信号的幅值为±12V～±18V，频率为1500Hz～3000Hz。

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