CN109632023B - 一种基于电学原理的流量计及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电学原理的流量计，主要包括计量槽、测量电极板、参比电极板、嵌入型底板、电流传感器。当水流通过特定的计量槽时，其流量大小可通过上游液位高度进行换算。利用参比电极板和测量电极板将液位信息转化为电信号，并通过对电信号进行处理和计算后，输出流量值。本发明测量结构简单、低价耐用、对水质要求低，且同时具备实时在线监测瞬时流量和累积流量的功能。
Description
技术领域
本发明属于计量领域，涉及一种计量装置，具体是一种基于电学原理的流量计。
背景技术
现今市面上的流量计种类繁多，常见的有转子流量计、涡轮流量计、超声波流量计、电磁流量计等。转子流量计虽然结构简单、价低廉宜，但经常性发生堵塞、损坏等现象，且不能实现流量的在线监测；涡轮流量计精度高、重复性好、输出信号易数字化，价格也相对便宜，但对于所测量水体的清洁度要求较高；超声波流量计精度高，能够测量出大管径及不易接触和观察到的介质流量，但对于水质均匀度要求较高；电磁流量计测量精度高、速度快，量程广，应用较为广泛，但价格相对昂贵。综上所述，现今市面上还难以找到一种低价耐用，且普适性较高的流量计。
发明内容
为了克服上述流量计的不足，提高流量计的普适性，本发明的目的是提供一种基于电学原理的流量计，在采用计量槽(也可以采用计量堰)将流量测量转化为液位测量的基础上，利用水体中含有一定量的离子能够导电这一原理，使得位于导电水体中的测量电极板和参比电极板产生并输出电信号，通过电流传感器采集电流信息，然后根据两个电流信息计算液位高度和流量。
本发明具体采用的技术方案如下：
一种基于电学原理的流量计，其包括计量槽、电源、测量电极板、参比电极板、嵌入型底板和电流传感器；所述的嵌入型底板安装于计量槽过水区域的底部，且嵌入型底板的上表面与计量槽底面平齐；所述的测量电极板和参比电极板都由两片平行的电极片对称粘贴在绝缘体的两个相对侧面上制得；测量电极板和参比电极板底部均垂直固定在嵌入型底板上，且两个电极板上的4片电极片均连续延伸至嵌入型底板上表面；测量电极板的顶部高度高于参比电极板顶部；所述的测量电极板中的两片平行电极片分别连接电源的正负极构成第一导电回路，所述的参比电极板中的两片平行电极片也分别连接电源的正负极构成第二导电回路，且两个导电回路中均设有电流传感器。
作为优选，所述的计量槽为巴氏计量槽，所述测量电极板安装于巴氏计量槽收缩段内的中轴线上，所述参比电极板安装于巴氏计量槽扩散段内的中轴线上，参比电极板顶部高度低于测量电极板底部高度。
在上述两种技术方案的基础上，本发明还可以进一步提供以下优选方式，需要指出的是，各优选方式之间若没有矛盾之处，均可进行相互组合，不构成限制。
进一步的，所述的测量电极板或参比电极板中，绝缘体的形状为长方体，两片平行的电极片形状为相同的长方形，两片电极片刚好完全覆盖绝缘体的两个对立侧面。
进一步的，所述的电源所输出电压的大小和方向都可调整。
进一步的，所述的测量电极板或参比电极板中，两片平行的电极片通过绝缘胶粘贴固定于绝缘体侧面上。
进一步的，所述的参比电极板高度为1～2cm，在工作状态下完全淹没在水中，且参比电极板所处位置的淹水高度至少为8cm。
进一步的，还包括信号处理单元和无线通讯单元，第一导电回路和第二导电回路中的电流传感器采集的电流信息，由信号处理单元接收电信号后进行处理，处理后的数据通过无线通讯单元，实时传输到远程终端。
进一步的，所述的测量电极板的顶部高度高于计量槽的最高液位。
进一步的，所述的测量电极板或参比电极板底部均采用绝缘胶固定在嵌入型底板上表面。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述流量计的流量测量方法，其步骤如下：
1)将计量槽安装于待测出水位置，使得水流从计量槽中流过；保持所述的参比电极板被水完全淹没，参比电极板所处位置的淹水高度至少为8cm；保持所述的测量电极板中的两片平行电极片未被水淹没；
2)将所述的测量电极板和参比电极板并联接通电源的正负极，通过电流传感器采集所述第一导电回路中的电流值I1和第二导电回路中的电流值I2；
3)根据I1/I2的比值与测量电极板处液位高度h之间的线性相关关系，计算出液位高度h，再结合计量槽的标准水位与流量的换算公式，计算出当前的瞬时流量值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：相较于转子流量计，本发明能通过电学原理感应计量槽中的液位高度，进而转化计算出瞬时水量和累积水量。相较于对水质要求较高的涡轮流量计、超声波流量计等，本发明对于水质的清洁度、均匀度要求较低，一般的水质都能符合测量要求；相较于价格较贵的电磁流量计等，采用电学原理测量流量，结构简单、造价成本低，更适宜在经济不发达等地区大面积推广。
附图说明
图1为本发明实施例1中流量计的结构示意图。
图2为本发明实施例1中流量计的俯视图。
图3为本发明实施例1中流量计的左视图。
图4为本发明中电极板的结构示意图。
图5为实施例1中流经参比电极板的电流读数I2与液位高度的相关关系；
图6为实施例1中流经测量电极板的电流读数I1与液位高度的相关关系；
图7为实施例1中I1/I2的比值与液位高度的相关关系；
图8为本发明实施例2中流量计的结构示意图。
图9为本发明实施例2中流量计的俯视图。
图10为本发明实施例2中流量计的左视图。
图中附图标记：1-计量槽、2-电源、3-测量电极板、4-参比电极板、5-嵌入型底板、6-电流传感器、7-信号处理单元、8-无线通讯单元、9-电极片；10-绝缘体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的阐述和说明，但此处所描述的案例仅用于解释本发明，其具体的实施方法不限于此。
实施例1
参照附图1-3，在本实施例中，基于电学原理的流量计由计量槽1、电源2、测量电极板3、参比电极板4、嵌入型底板5、电流传感器6、信号处理单元7和无线通讯单元8构成。
本发明提供的计量槽1为巴氏计量槽，电源2电压为恒定直流电压。嵌入型底板5是由高强度薄片状绝缘体材料切割形成，能正好嵌入到计量槽1过水区域底部，并通过强力绝缘胶固定，防止位移。为了保证测量的准确性，嵌入型底板5的上表面应当与计量槽1底面平齐。在本实施例中，嵌入型底板5安装在巴氏计量槽收缩段内，而测量电极板3和参比电极板4并排、间隔安装在嵌入型底板5上，且两者在同一水流断面上。
测量电极板3和参比电极板4的结构基本相同，区别仅在于两者的高度不同。参比电极板4的结构如图4所示，由两片平行电极片采用高强度绝缘胶粘贴在绝缘体上制得，其中绝缘体的形状为长方体，底面为长方形。两片平行的电极片形状为与长方体中一个侧面相同的长方形，两片电极片通过高强度绝缘胶粘贴在绝缘体两个相对立的正侧面及背侧面，且电极片与绝缘体的正背面完全重合。测量电极板3，所用材料和粘结方式与参比电极板4一致，也由两片平行电极片采用高强度绝缘胶粘贴在绝缘体正面及背面制得，但其绝缘体的形状为长方体，底面为正方形，电极片与绝缘体的正背面完全重合。测量电极板3和参比电极板4底部均通过高强度绝缘胶固定在嵌入型底板5上，且两个电极板保持垂直状态。测量电极板3和参比电极板4对称安装在计量槽1中轴线的两侧。测量电极板3和参比电极板4上的4片电极片均从绝缘体顶部开始连续延伸至嵌入型底板5上表面。相较于测量电极板3，参比电极板4的高度较低，为1～2cm。而测量电极板3的顶部高度应当高于参比电极板4顶部，从而确保参比电极板4在测量时能完全淹没在水体中，同时具备一定的浸没深度，从而消除因水质状况不同所带来的测量误差。为了使该流量计的测量量程最大，测量电极板3的顶部高度应当高于计量槽1的最高液位，以免水流淹没测量电极板3造成液位测量不准确。
本发明中，液位的计量是通过两个电极板的电流信息不同来实现的，为了使两个电极板能够感应与液位相关的电流，需要将测量电极板3中的两片平行电极片分别连接电源2的正负极构成第一导电回路，参比电极板4中的两片平行电极片也分别连接电源2的正负极构成第二导电回路，且在两个导电回路中均设有电流传感器6。一般而言，第一导电回路和第二导电回路的电源2的电压需要保持一致，因此两者可并联在同一个电源2的正负极上。
本发明的工作原理如下：当可导电水体，如生活污水流经巴氏计量槽时，根据计量槽本身的原理，其流体流量大小只与过流断面的液位高度有关。测量电极板3的顶部高度由于高于计量槽1的最高液位，其电极片不会被完全淹没。因此当水流部分淹没电极片时，在可导电的生活污水中，测量电极板3等同于一个可变电阻，电阻大小同时与水的电阻率和液位高度相关。而参比电极板4由于高度较小，在工作状态下会一直淹没在一定高度的水体中，在可导电的生活污水中，等同于一个定值电阻，电阻大小只与水的电阻率相关。测量电极板3和参比电极板4并联，在恒定直流电压下，流经测量电极板3的电流I1大小与水的电阻率和液位高度有关，流经参比电极板4的电流I2大小只与水的电阻率有关。因此，可以同参比电极板4的电流I2来修正测量电极板3的电流I1，去除水的电阻率影响。在测量电极板3和参比电极板4大小、规格、材料等方面确定的情况下，电流的比值
只与液位高度h有关，且呈正相关关系。在本实施例中，电流传感器6采集到电流值I1与I2，首先计算出电流
的比值，进一步根据电流
的比值与液位高度h之间的相关关系，求出液位高度h，并结合巴氏计量槽标准水位-流量公式，即可计算出瞬时流量值。
的比值与液位高度h之间的相关关系可以预先通过试验确定。
由于流量的计量自动化的需求，因此本实施例中还可以设置信号处理单元7和无线通讯单元8实现数据的自动处理和远程发送。信号处理单元7可以采用单片机、PLC等设备实现，其作用是接收电流传感器6感应到的电流信号，然后通过无线通讯单元8将其传输至远程终端的数据平台，供监控人员实时查看或者其他设备调用。电流传感器6用于采集到电流值I1与I2，并将电流信号传输到信号处理单元7，信号处理单元7将两个电信号通过一定的运算方式，计算出电流
的比值，进一步求出液位高度h和瞬时流量值。无线通讯单元8通过无线传输方式，将瞬时流量数据实时传输到数据平台。每间隔一定时间，读取并记录一次瞬时流量值，根据瞬时流量值，能够通过积分法求得一定时间内的累积流量值。
另外，在本实施例中，由于设置了参比电极板4，能够排除水的电阻率值对测量结果的影响。但若水的导电能力较差，电阻率值较高，如较洁净的地表水，会使得电流值I1与I2过小，此时则可通过对电源2所输出的电压进行调节，适当增大输出电压，保证所输出的电流强度；反之，若水的导电能力过强，则可适当降低输出电压。因此，电源2在选型时可以优选采用所输出电压的大小和方向都可调整的型号。本发明的流量计由于工作条件可调，能够测量各类可导电水体的流量，如生活污水、工业污水、地表水等。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的实质，下面通过具体的试验展示其效果。
对该计量槽进行不同液位高度(测量电极板所在位置的水头高度)下的过流试验，其试验数据如下：
表1不同的液位高度下两个电极板的电流数据
如表1和图5所示，参比电极板4在液位高度大于8cm时，其电流读数I2基本可以保持稳定。因此在实际测量时，应当保证参比电极板大于8cm的浸没深度，使测量数据准确。而如图6所示，测量电极板电流I1则随着液位高度呈显著的线性正相关。如图7所示，在液位高度大于8cm时，
的比值与液位高度h之间存在明显的线性正相关相关关系，而且该相关关系已经消除了水质的影响，因此可以通过它在后续的测量过程中根据
的比值计算出液位高度h。
因此，基于该流量计的流量测量方法，其步骤如下：
1)将计量槽1安装于待测出水位置，使得水流从计量槽1中流过；保持参比电极板4被水完全淹没，参比电极板4所处位置的淹水高度至少为8cm；保持测量电极板3中的两片平行电极片未被水淹没；
2)将测量电极板3和参比电极板4并联接通电源2的正负极，通过电流传感器6采集所述第一导电回路中的电流值I1和第二导电回路中的电流值I2；
3)根据预先测定的I1/I2的比值与测量电极板3处液位高度h之间的线性相关关系，计算出液位高度h。对于每一个经过检定的计量槽而言，其标准水位与流量之间的换算公式是确定的。因此再结合计量槽的标准水位与流量的换算公式，计算出当前的瞬时流量值。
实施例2
基于实施例1的流量计，在本实施例中可进一步提供一种改进方案。根据实施例1的数据可知，在实际测量时，应当保证参比电极板大于8cm的浸没深度，使测量数据准确。因此，在本实施例中，计量槽1依然采用实施例1中的巴氏计量槽，巴氏计量槽拥有收缩段、喉道段和扩散段，其中喉道段的底面是一个斜坡，高度是沿程下降的，因此可利用巴氏计量槽的结构重新布设两个电极板，降低参比电极板自身的高度，使得测量电极板能够测量的更低的液位高度，扩大量程。在本实施例中，两个电极板的结构与实施例1保持相同。如图8～10所示，两个电极板的安装位置与实施例1不同，本实施例中将测量电极板3安装于巴氏计量槽收缩段内的中轴线上，而参比电极板4安装于巴氏计量槽扩散段内的中轴线上，参比电极板4顶部高度低于测量电极板3底部高度。由于参比电极板4高度仅有1～2cm，因此当测量电极板3淹水时，参比电极板4一般能够被完全淹没，且通过高差的优化保持所处位置的淹水高度达到8cm以上。因此，参比电极板4可利用巴氏计量槽特殊的结构，使其本身低于测量电极板3，提高其浸没深度。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于电学原理的流量计的流量测量方法，其特征在于，所述流量计包括计量槽（1）、电源（2）、测量电极板（3）、参比电极板（4）、嵌入型底板（5）和电流传感器（6）；所述的嵌入型底板（5）安装于计量槽（1）过水区域的底部，且嵌入型底板（5）的上表面与计量槽（1）底面平齐，采用绝缘材料制成；所述的测量电极板（3）和参比电极板（4）都由两片平行的电极片对称粘贴在绝缘体的两个相对侧面上制得；测量电极板（3）和参比电极板（4）底部均垂直固定在嵌入型底板（5）上，且两个电极板上的4片电极片均连续延伸至嵌入型底板（5）上表面；测量电极板（3）的顶部高度高于参比电极板（4）顶部；所述的测量电极板（3）中的两片平行电极片分别连接电源（2）的正负极构成第一导电回路，所述的参比电极板（4）中的两片平行电极片也分别连接电源（2）的正负极构成第二导电回路，且两个导电回路中均设有电流传感器（6）；
所述流量测量方法的步骤如下：
1）将计量槽（1）安装于待测出水位置，使得水流从计量槽（1）中流过；保持所述的参比电极板（4）被水完全淹没，参比电极板（4）所处位置的淹水高度至少为8cm；保持所述的测量电极板（3）中的两片平行电极片未被水淹没；
2）将所述的测量电极板（3）和参比电极板（4）并联接通电源（2）的正负极，通过电流传感器（6）采集所述第一导电回路中的电流值I1和第二导电回路中的电流值I2；
3）根据I1 /I2的比值与测量电极板（3）处液位高度h之间的线性相关关系，计算出液位高度h，再结合计量槽的标准水位与流量的换算公式，计算出当前的瞬时流量值。
2.如权利要求1所述的流量测量方法，其特征在于，所述的计量槽（1）为巴氏计量槽，所述测量电极板（3）安装于巴氏计量槽收缩段内的中轴线上，所述参比电极板（4）安装于巴氏计量槽扩散段内的中轴线上，参比电极板（4）顶部高度低于测量电极板（3）底部高度。
3.如权利要求1或2所述的流量测量方法，其特征在于，所述的测量电极板（3）或参比电极板（4）中，绝缘体的形状为长方体，两片平行的电极片形状为相同的长方形，两片电极片刚好完全覆盖绝缘体的两个对立侧面。
4.如权利要求1或2所述的流量测量方法，其特征在于，所述的电源（2）所输出电压的大小和方向都可调整。
5.如权利要求1或2所述的流量测量方法，其特征在于，所述的测量电极板（3）或参比电极板（4）中，两片平行的电极片通过绝缘胶粘贴固定于绝缘体侧面上。
6.如权利要求1或2所述的流量测量方法，其特征在于，所述的参比电极板（4）高度为1~2cm，在工作状态下完全淹没在水中，且参比电极板（4）所处位置的淹水高度至少为8cm。
7.如权利要求1或2所述的流量测量方法，其特征在于，还包括信号处理单元（7）和无线通讯单元（8），第一导电回路和第二导电回路中的电流传感器（6）采集的电流信息，由信号处理单元（7）接收电信号后进行处理，处理后的数据通过无线通讯单元（8），实时传输到远程终端。
8.如权利要求1或2所述的流量测量方法，其特征在于，所述的测量电极板（3）的顶部高度高于计量槽（1）的最高液位。
9.如权利要求1或2所述的流量测量方法，其特征在于，所述的测量电极板（3）或参比电极板（4）底部均采用绝缘胶固定在嵌入型底板（5）上表面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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