CN104736975A - 确定管道内流体的质量流的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定管道内流体(例如流过管子的牛奶流)的质量流率的装置，该装置包括：用于确定流体电导率的测量构件；用于确定流体在附加位置处的电导率的附加测量构件；以及用于根据这些确定来确定管道内流体的质量流率的处理部件，其中能够确定流动中每横截面面积上的电阻系数。

Description

确定管道内流体的质量流的装置和方法

本发明涉及用于确定管道内流体的质量流率的装置。

本发明的另一个方面涉及用于确定管道内流体的质量流率的方法。

确定管道内流体的质量流率，这本身是众所周知。当前市售可得的自由流动牛奶流量计确定在一段确定时间周期内存在于牛奶流量计一部分内的牛奶量。通过对所确定的测量数量的所有值进行积分，计算在一定时间段内的全部牛奶产量。

这种自由流动牛奶流量计的缺点是，实际上所确定的牛奶产量经常不同于实际的牛奶产量。

本发明的目的是消除或者至少减少现有技术的这种缺点。为了这个目的，本发明提供用于确定管道内流体(例如流过管子的牛奶流)的质量流率的装置，该装置包括：

用于确定流体的电导率的测量构件；

用于确定流体在附加位置处的电导率的附加测量构件；以及

用于根据这些确定来确定管道内的流体的质量流率的处理部件，

其中，能够确定流动中的每横截面面积上的电阻系数。

根据本发明的本装置的一个优点是，所确定的牛奶产量与实际的牛奶产量相一致，或者至少在可接受的偏差内。

流体的电阻与该流体的电导率成正比。这意味着，当优选地能够确定在测量构件位置处的切割面中的电阻，且切割面更为优选地大体上垂直于流体的流动方向时，有可能确定在测量构件位置处的流体的电导率。利用已知的电导率，借助于本领域技术人员所知的公式，有可能确定在测量构件位置处的流体的特征密度。

在将该装置应用于测量在奶牛挤奶过程中的牛奶流动的情况下，那么可想而知牛奶流动连续地变化。在某个时刻，在流体流动中将存在着比下一个时刻更多的气体和泡沫。因此，特征密度也依赖于流体流动而发生变化。由于特征密度发生变化并且在两个不同的位置进行确定的事实，有可能确定流体的流动速度，其中在预定的时间周期内确定这个速度许多次，例如在2kHz的频率下。

特征密度还是对在测量构件的位置处的牛奶实际数量的量度。通过测量在确定时间点处的牛奶实际数量以及同时确定在同一时间点处的流动速度，有可能准确地确定流过管子的牛奶的质量流率。

本发明具有多种多样的优选实施方式，通过多个这种实施方式的后续描述，其将变得明显。本发明各个方面的有益发明特征，包括限定在从属权利要求中的测量，且决不会受限于在上面和/或下面所陈述的这些考虑。

根据本发明的装置的第一个优选实施方式的特征是，测量构件和/或附加测量构件呈圆形。这个实施方式的优点是，能够以这种方式将测量构件布置在管道的表面上，而不需要改变管道，在实践中管道经常已经存在。在布置一根新的管子的情况下，那么有可能使用常规的管子，由此例如节省不必要的开支。

根据本发明的装置的另一个优选实施方式的特征是，测量构件和/或附加测量构件能够放置在管道的内表面上，使得在使用期间，测量构件和/或附加测量构件与流体相接触。这个实施方式的优点是，因为测量构件与流体直接接触，所以测量结果更好。流体的可能变化可在测量构件处立即检测出，使得更小的变化也是可检测到的。

用于确定管道内流体的质量流率的装置的优选实施方式的特征是，每个测量构件和附加测量构件包括电极对。每个电极对包括相互隔离布置的第一电极和第二电极，这是有益的。施加至电极对的是波形信号，测量了波形信号的当前值。当这个当前值已知时，于是有可能通过本身已知的公式来确定流体的电导率。电极对的使用使得有可能以相对简单的方式来确定在测量构件和/或附加测量构件位置处的流体的电导率。

采用绝缘材料是为了避免电流经由与穿过流体的电流路径不同的路径流动。

在另一个优选的实施方式中，测量采取电势测定方式，优选地，其中借助于无源电极，根据从外部提供的关于无源电极的信号来测量电压。它的优点是避免了极化效应。测量直接取决于解决方案的电导率。还避免了电解，由此能够测量大范围的电导率。例如，通过应用更便宜的不锈钢电极而不是更为昂贵的铂电极，能够实现进一步的成本节省。

装置更为优选地包括工作电极，其优选地提供用于测量构件测量的目的的信号。它的优点是能够实现大测量范围，例如此处通过施加变化的电压有可能实现这样的优点，当进行测量时能够实现这一变化，由此能够达到高的输出分辨度。

在另一个优选的实施方式中，测量构件和附加测量构件的组合布置于一对工作电极中，优选地，其中布置工作电极是为了向两个测量构件提供信号。

在另一个优选的实施方式中，装置包括数据文件或者对数据文件的访问通道，其中数据文件包括与质量流率有关的参数之间的预定相关性有关的数据，所述参数例如速度、真空度、撕裂漏气、内衬滑动、流体粘度、流态、传感器角度，更为优选地，为了用于估计在这些参数影响下的速度的计算，优选地包括来自基于受控测试情况的早期数据序列的与所述速度有关的预定数据。

因此，有可能在层流的这些周期中实现准确确定。为了这个目的，改变标准化的数值以便进行与流体速度有关的计算。当到达流体的层状部分的端部时，提供应用校正计算以便将高品质的测量与标准化的数值高质量匹配。这里，在关于实际测量的概率和先前实现的校正测量的已知概率之间达到平衡。

装置更为优选地包括用于将当前进行的测量与已校正的先前测量的数据相关联的关联机构。

根据另一个优选的实施方式，装置还包括用于进行参考测量的参考测量构件，该参考测量优选地采取电势测定方式，借助于一对工作电极和其间布置的测量电极，更为优选地测量电极布置为突出物，更为优选地配备有电极对，该电极对配置成确定至少一个参考值，例如流体的电导率的电阻系数。

例如，因为牛奶中有盐分，所以流体(特别是牛奶)的电导率易于变化。例如，牛奶中的盐分数量取决于例如奶牛所吃的饲料，或者奶牛所处的环境。

通过应用参考测量构件，能够确定在充分除气后的牛奶中的电导率，由此，这两者之间的关系也变为已知。针对所测量的空气电导率和静态牛奶的电导率，绘制出在测量构件和附加测量构件处测量的电导率。它的优点是有可能确定在测量时刻存在于测量构件的位置处的牛奶量，特别是当应用圆形测量构件(例如圆形电极)时。在管道的凸出部分设置参考测量构件实现了没有空气的牛奶的电导率的确定。

附加测量构件位于距测量构件一段预定距离处，并且附加测量构件位于测量构件的布置位置下游，在这里是有益的。采用这种方式，有可能基于电阻系数/电导率的变化，结合测量构件和附加测量构件之间的距离，确定流体的流动速度。当将该速度与特征密度相结合时，于是有可能确定流过管道的流体的质量流率。

根据本发明的装置的另一个实施方式的特征是，参考测量构件设置在测量构件的上游或下游。这个实施方式的优点是，在电阻系数的测量过程中，测量构件和/或附加测量构件的高度不会受到参考测量构件的影响。

根据本发明的装置的另一个优选实施方式的特征是，可改变流过管道的流体的流动类型。因为流过管子的流体的流动速度是基于流体的电阻系数和/或电导率的变化来确定，这些变化还由在测量构件和/或附加测量构件的位置处的牛奶量的变化引起，所以当可以改变流动类型时，简化了流体流动速度的确定。测量构件和/或附加测量构件的测量结果受到流动类型变化的影响，因此能够正确地确定流过管道的流体的流动速度。

优选通过在流体流中放置一个物体，能够在流体流中实现卡曼(Kármán)涡道，这在这里是有益的。本发明人发现这种涡道对测量构件和/或附加测量构件的测量结果具有积极作用。换句话说，利用这种涡道已获得好的结果。

根据本发明的装置的另一个优选实施方式的特征是，在使用中，能够向每个电极对施加波形信号。本身已知的是，当电极布置在流体中，特别是布置在液体中时，在电极对的表面上会发生气体生成。为了向电极对施加波形信号，每个电极的极性根据波形信号切换。它的优点是防止在电极对的表面上的气体生成。

本发明的另一个方面涉及用于确定管道内流体(例如流过管子的牛奶)的质量流率的方法，该方法包括执行以下操作的步骤，所述操作为：

-向测量构件和附加测量构件施加波形信号；

-确定在测量构件和附加测量构件位置处的流体的电导率；以及

-根据这些确定来确定流体的质量流率，

其特征为，

-在预定时间周期内重复确定电导率的步骤。

这个方法的优点是，因为在管道内的流体的流动速度被重复地确定的事实，所以流体的质量流率被重复地确定。由此，精确地确定了流过管道的流体的全部质量流率。

根据本发明的方法的优选实施方式的特征是，预定时间周期对应于采样频率，采用频率的范围为1kHz至20kHz，优选为1.5kHz至10kHz，优选为1.8kHz至5kHz，优选为大约2kHz。本发明人发现在这些频率下，确定流过管道的流体的质量流率的随机性落入期望的精度内。频率越高，在不同测量之间将会出现更大的重叠。这样的结果是精确地跟踪流体的电导率/电阻系数的变化。由此，能够更为准确地确定质量流率。

波形信号具有从包含有正弦波、锯齿波和方波的组里挑选出的形状，这在这里是有益的。波形信号的形状影响测量结果，取决于测量的类型。这样的结果是在许多条件下都能得到好的测量结果。

根据本发明的方法的另一个优选实施方式包括将测量构件的确定与附加测量构件的确定相关联的步骤。采用这种方式，有可能确定在管道内的流体的流动速度。在关联这两种确定的过程中，将进一步辨别在测量构件和附加测量构件之间的流体的可能减速。对于测量信号幅度的减小，同样是这种情况。

该方法更为优选包括将波形信号直接施加至测量构件的电极的步骤，或者将波形信号施加至工作电极的步骤，其中波形信号作用在测量电极上。由此实现如前面所陈述的类似优点。

以下是对在附图中示出的几个实施方式的描述，这些实施方式仅以举例的方式进行提供，其中同样或类似的部件、组件和元件都用相同的参考标号来标示，其中：

图1表示不同类型的流的横截面；

图2表示根据本发明的装置的实施方式；

图3表示带有测量信号的曲线图；

图4表示根据本发明的装置的实施方式的概述图；

图5表示不同类型的波形信号；

图6表示根据本发明的又一个优选实施方式的透视图；

图7表示图6的细节视图；

图8表示根据本发明的一个优选实施方式的示意图；

图9表示根据本发明的又一个优选实施方式的示意图；

图10表示根据本发明的优选实施方式的测量顺序的示意图。

图1表示不同类型流的横截面。不同类型流中的每种生成不同的测量结果，这借助于测量构件和附加测量构件来确定。不同类型的流具有关于管子内的空气L和牛奶M的不同分布，以及牛奶和空气L的不同比率。这些不同导致不同类型的测量信号，其中测量信号是对存在于测量构件的位置处的牛奶M的数量的度量。图1a表示层流(分层流)，图1b表示泡状流，以及图1c表示泡沫流。流移动穿过管子1。

图2表示根据本发明的装置的实施方式。在这个实施方式中，装置布置在管1的内表面上。装置包括第一电极对2和第二电极对3，这两个电极对相互间距一段确定距离D进行布置。每个电极对2、3都包括第一电极8、绝缘材料9和第二电极10。电极对2、3都与控制部件4相连接，该控制部件4向电极对2、3发送信号，并且确定在电极对2、3的位置处的流体的电导率。此外还提供其中布置两个电极5、6的腔室7。存在于腔室7中的流体(例如牛奶)大体上是均匀的，基本上不包括泡沫或空气气泡。根据大体上均匀的牛奶，借助于腔室内的电极5、6，采用本身已知的方式来确定牛奶的电阻系数。在腔室7内确定的电阻系数与在电极对2、3位置处的牛奶的电导率的测量结果相结合。采用这种方法，有可能确定在确定的时间点在电极对2、3的位置处存在多少牛奶。

图3表示具有测量信号的曲线图。在第一电极对2的位置处测量信号1且在第二电极对3的位置处测量信号2。这些电极对2、3之间的距离是已知的。两个信号之间的相关性由处理部件4确定，使得能够确定牛奶从第一电极对2移动到第二电极对3所需的时间，在图中用V来标示。由于两个电极对2、3之间的距离已知，且牛奶从第一电极对2移动到第二电极对3所需的时间已知，所以有可能确定牛奶的速度。

图中还示出，借助于相关性，检测到信号2的幅度相对于信号1的幅度的减少，且这种减少并不会对管子1内部的牛奶流动速度的确定造成不利影响。

图4表示根据本发明的电极对2、3的实施方式的概述图。所示为处理部件4，其中装置与管子1相连接。电极对E1和E2连接至管子1，因此与流体相接触。处理部件4产生由DAC进行转换的(数字)波形信号。输出经过电阻R，且A1测量流过R的电流。电极对E1和E2上的电压由A2来测量。A1和A2分别测量得到的电流和电压被ADC转换为数字值。处理部件4向ADC发送脉冲，其与所生成的波形信号的峰值相一致。由此，ADC能够直接采样波形信号的最大幅度。所测量的电流和电压的采样值被转换为数字值，且处理部件4计算采样值的电导率。

图5示出不同类型的波形信号。波形信号的优点是能够防止在电极对2、3处的气体生成。波形信号能适用于将被测量的流体，并且适用于测量条件，这是因为每种条件需要不同的波形信号。所示为锯齿形信号和波形信号。

在根据图6和7的实施方式中，根据电势测定原理应用一种测量方法。这个实施方式涉及测量装置61。测量构件2’、3’被布置为靠近牛奶流动管的一侧。在其一侧所布置的是两个工作电极62、63，使得测量构件2’、3’的实体位于工作电极之间。在这个优选的实施方式中，测量信号施加至工作电极62、63上，于是信号沿着两个测量构件2’、3’传递。

测量构件2’、3’中的每一个都分别配备有测量电极8’、9’和8”、9”。测量构件2’、3’中的每一个的操作如图9所表示。如按照如图4中类似方式具体实现的，工作电极62、63(在图9中分别为64、65)分别在电极8’、9’和8”、9”(在图9中分别为5’、6’)上提供测量信号。该测量的实施借助于分别在电极8’、9’和8”、9”上的电压测量。

以如根据图4的类似方式，将测量数据发送至处理部件。图6和图9的区别是，在图6中，一对工作电极、两对工作电极配备一个信号。这里规定，能够交替地分别记录来自测量构件2’、3’的测量信号。

在测量装置61的另一端附近形成的腔室7用于在此提供当中均匀数量的液体。对该均匀数量的液体进行参考测量，使得借助于计算，能够根据基于测量构件的计算消除以均匀方式流过的诸如牛奶的液体的电导率差值。

在根据图1的优选实施方式中，具有用于提供测量信号且进行测量的两个电极，在这个优选实施方式中，具有用于提供信号的两个工作电极64、65和用于执行测量的两个测量电极5’、6’(在图8中分别为电极5、6)。因此，这个优选实施方式的另一个目的是进行接近高度测量的参考测量，使得能够孤立地消除流体的电导率变化。

在图10中示意表示了根据图6－7的实施方式的方法。借助于各自的测量构件2’、3’的测量在图的左手侧平行地表示。在步骤72、72’中提供电阻值。在步骤75中提供参考值。根据这些，结合来自步骤76的温度，在步骤77中确定牛奶的电导率。

根据与填入73、73’有关的原始数据，直接确定关于速度的估计值74、74’，或者如果与速度的估计值74、74’有关的确定性降至低于门限值，那么根据在校正条件下预先确定的数值进行互相关80。在步骤81中，比较互相关的估计值和直接测量的估计值，并且修改以符合预先确定的设置参数。然后根据这些来确定产量82。这些确定能够在实时测量之外进行，或者能够进行校正。

关于估计的流动速度的数值78、78’根据数值74、74’来实现，之后根据这些来确定估计的产量79、79’。最后，添加这些数值以便确定流体的总估计质量83。

根据几个优选实施方式，在前面描述了本发明。不同实施方式的不同方面被认为是相互结合地进行描述，其中包括了本领域技术人员根据对本文的阅读而认为落入本发明范围内的所有组合。这些优选的实施方式并不是限制本文的保护范围。所要求的权利限定于附加的权利要求书中。

Claims (22)

1.一种用于确定例如流过管子的牛奶流的管道内流体的质量流率的装置，所述装置包括：

-用于确定所述流体的电导率的测量构件；

-用于确定所述流体在附加位置处的电导率的附加测量构件；以及

-用于根据所述确定来确定所述管道内的所述流体的所述质量流率的处理部件，

其中能够确定流动中的每个横截面面积上的电阻系数。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述测量构件和/或所述附加测量构件呈圆形。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述测量构件和/或所述附加测量构件能够放置在所述管道的内表面上，使得在使用期间，所述测量构件和/或所述附加测量构件与所述流体相接触。

4.如前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中所述测量构件和所述附加测量构件中的每一个都包括电极对。

5.如权利要求4所述的装置，其中每个电极对包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极相互隔离地布置。

6.如前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的装置，其中测量以电势测定方式进行，优选地，其中借助于无源电极，根据从外部提供的关于所述无源电极的信号来测量电压。

7.如前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的装置，其包括用于优选提供用于所述测量构件的测量目的的信号的工作电极。

8.如前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的装置，其中所述测量构件和所述附加测量构件的组合布置于一对工作电极中，优选地，其中布置所述工作电极是为了向两个测量构件提供信号。

9.如前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的装置，其包括数据文件或者对数据文件的访问通道，其中所述数据文件包括与所述质量流率有关的参数之间的预定相关性有关的数据，所述参数例如速度、真空度、漏气、内衬滑动、流体粘度、流态、传感器角度，更为优选地，为了估计在这些参数影响下的速度的计算，优选地包括来自基于受控测试情况的早期数据序列的与速度有关的预定数据。

14.如前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的装置，其包括用于将当前进行的测量与已校正的先前测量的数据相关联的机构，例如根据权利要求9所述的机构。

15.如前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，还包括用于进行参考测量的参考测量构件，所述参考测量优选地采取电势测定方式，借助于一对工作电极和其间布置的测量电极，更为优选地所述测量电极布置为突出物，更为优选地配备有电极对，所述电极对配置成确定至少一个参考值，例如所述流体的电导率的电阻系数。

16.如前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中所述附加测量构件位于距所述测量构件一段预定距离之处。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述附加测量构件位于所述测量构件的布置位置的下游。

18.如前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中所述参考测量构件设置在所述测量构件的上游或下游。

19.如前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中可改变流过所述管道的所述流体流的类型。

20.如前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中，优选通过在所述流体流中放置一个物体，能够在所述流体流中实现湍流，例如优选为卡曼涡道。

21.如前述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其包括在使用中向每个电极对施加波形信号的发信号机构。

22.一种用于确定例如流过管子的牛奶流的管道内流体的质量流率的方法，所述方法包括执行以下操作的步骤，所述操作为：

-向测量构件和附加测量构件施加波形信号；

-确定在所述测量构件和所述附加测量构件位置处的所述流体的电导率；以及

-根据所述确定来确定所述流体的所述质量流率，

其特征为，

-在一段预定时间周期内重复确定所述电导率的步骤。

23.如权利要求22所述的方法，其中，所述预定时间周期对应于采样频率，所述采样频率范围为1kHz至20kHz，优选为1.5kHz至10kHz，优选为1.8kHz至5kHz，优选为大约2kHz。

24.如权利要求22或权利要求23所述的方法，其中所述波形信号具有从包含有正弦波、锯齿波和方波的组里挑选出的形状。

25.如权利要求22至24中的任一项权利要求所述的装置，还包括将所述测量构件的确定与所述附加测量构件的确定相关联的步骤。

26.如权利要求22至25中的一项或多项权利要求所述的装置，其包括将所述波形信号直接施加至所述测量构件的电极的步骤，或者将所述波形信号施加至工作电极的步骤，其中所述波形信号作用在测量电极上。