CN110763866B - 一种液相流速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种液相流速测量装置，包括处理器及流速传感器；所述流速传感器包括氧化钨电极及金属钨电极；所述金属钨电极连接于定电位点；所述处理器用于确定所述流速传感器的开路电压，并通过所述开路电压确定所述氧化钨电极处的液体流速。本申请利用所述氧化钨电极与所述金属钨电极对液体的温度与pH值响应基本一致的原理，消除了液体本身的温度与pH值对两电极之间电压的影响，并将所述金属钨电极连接于所述定电位点，使得氧化钨电极与所述金属钨电极之间的电压只受流动电势的影响，实现测量所述流速传感器所在的点的液体的瞬间流速的效果。本申请还提供了一种具有上述有益效果的液相流速测量方法。

Description

一种液相流速测量装置及方法

技术领域

本申请涉及流体测量领域，特别是涉及一种液相流速测量装置及方法。

背景技术

气液两相流是气体和液体的混合流动，广泛存在于能源、环境、化工等众多领域中，单点液体流速作为气液两相流中最重要的测量参数之一，它的实时准确测量对气液两相流的流型及传热传质性能判断意义重大。例如，在核反应堆安全冷却过程中，实时准确监测冷却系统管道中各点液体流速，可以预测冷却系统的状态以判断核燃料棒是否充分冷却；在水污染处理生物降解过程中，实时准确监测生物降解曝气过程中管道中各点的液体流速，可以精准设计生物降解流程以提高生物降解速率；在油气输送过程中，实时准确监测输送管道中各点的液体流速，可以为油气输送提供科学指导以保证输送安全。

如今广泛使用的流速测量方法有电磁测速法、基于声学技术的测速法、激光多普勒测速法、粒子图像测速法等，可以实现流速测量，但仍存在一定问题，上述方法测得流速都表示一定时间内局部区域的平均流速，无法实时准确得到单点液体流速。由于气液两相流流动的复杂性，如果只能测得其平均流速意义不大，因此如何实时准确测量单点液体流速就成了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种液相流速测量装置及方法，以解决现有技术中流速测量无法测量单点瞬间流速的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供一种液相流速测量装置，包括处理器及流速传感器；

所述流速传感器包括氧化钨电极及金属钨电极；

所述金属钨电极连接于定电位点；

所述处理器用于确定所述流速传感器的开路电压，并通过所述开路电压确定所述氧化钨电极处的液体流速。

可选地，在所述的液相流速测量装置中，所述金属钨电极接地。

可选地，在所述的液相流速测量装置中，所述液相流速测量装置包括多个所述氧化钨电极；

所述处理器用于确定每个电极电压响应范围在0至500毫伏范围内的所述氧化钨电极与所述金属钨电极间的电压。

可选地，在所述的液相流速测量装置中，多个所述氧化钨电极设置在液体流动通路的不同高度上。

可选地，在所述的液相流速测量装置中，所述液相流速测量装置还包括网板；

所述氧化钨电极与所述金属钨电极设置在所述网板上。

可选地，在所述的液相流速测量装置中，所述氧化钨电极及所述金属钨电极为酚醛纸基板电极。

可选地，在所述的液相流速测量装置中，所述氧化钨电极及所述金属钨电极包括密封层，所述密封层用于密封所述氧化钨电极的焊接层及所述金属钨电极的焊接层。

可选地，在所述的液相流速测量装置中，所述密封层为焊接胶密封层。

本申请还提供了一种液相流速测量方法，包括：

获得所述流速传感器的开路电压；其中，所述流速传感器包括氧化钨电极及金属钨电极，所述金属钨电极连接于定电位点；

通过所述开路电压确定所述氧化钨电极处的液体流速。

可选地，在所述的液相流速测量方法中，所述获得所述流速传感器的开路电压包括：

当液相流速测量装置包括多个所述氧化钨电极时，分别获得电极电压响应范围在0至500毫伏范围内的所述氧化钨电极与所述金属钨电极间的电压，并得到所述开路电压的平均值或中位数；

通过所述平均值或中位数，确定所述流速传感器处的液体流速。

本申请所提供的液相流速测量装置，包括处理器及流速传感器；所述流速传感器包括氧化钨电极及金属钨电极；所述金属钨电极连接于定电位点；所述处理器用于确定所述流速传感器的开路电压，并通过所述开路电压确定所述氧化钨电极处的液体流速。本申请利用所述氧化钨电极与所述金属钨电极对液体的温度与pH值响应基本一致的原理，消除了液体本身的温度与pH值对两电极之间电压的影响，并将所述金属钨电极连接于所述定电位点(即测量时电路中电位固定不变的点)，使得氧化钨电极与所述金属钨电极之间的电压只受流动电势的影响，实现测量所述流速传感器所在的点的液体的瞬间流速的效果。本申请还提供了一种具有上述有益效果的液相流速测量方法。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的液相流速测量装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本申请提供的液相流速测量装置的另一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本申请提供的液相流速测量装置的又一种具体实施方式的结构示意图；

图4为本申请提供的液相流速测量方法的一种具体实施方式的流程示意图；

图5为氧化钨电极制备过程中循环次数与极化电流的关系图；

图6为氧化钨电极与金属钨电极的电压与液体pH值的关系图；

图7为氧化钨电极与金属钨电极的电压与液体温度的关系图；

图8为搅拌器转速与流速传感器开路电压的关系图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的核心是提供一种液相流速测量装置，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括处理器200及流速传感器100；

所述流速传感器100包括氧化钨电极110及金属钨电极120；

所述金属钨电极120连接于定电位点；

所述处理器200用于确定所述流速传感器100的开路电压，并通过所述开路电压确定所述流速传感器100处的液体流速。

特别的，所述金属钨电极120接地。本申请利用了氧化钨与金属钨对液体pH值及温度响应基本一致的特性来避免所述液体的温度和pH值影响两电极间的电压进而导致流速误判，因此，可以预见的是，本申请中的所述氧化钨电极110与所述金属钨电极120应设置于同一位置，或温度与pH值相同的位置，可根据实际情况作调整。

另外，所述氧化钨电极110及所述金属钨电极120为酚醛纸基板电极，酚醛纸基板成本低，价格便宜，相对密度较小，使用寿命长。

更进一步地，所述氧化钨电极110及所述金属钨电极120包括密封层，所述密封层用于密封所述氧化钨电极110的焊接层及所述金属钨电极120的焊接层，所述焊接层指将金属与基板焊接在一起的焊料形成的层，增设密封层后可有效避免焊料与待测速的液体接触并发生反应，提高电极的工作稳定性与可靠性。再进一步地，所述密封层为焊接胶密封层。

本申请中的处理器200，可为一独立终端，也可为一虚拟装置，优选地，为通过ZigBee的无线传输方式，以CC2530为主芯片的多路电压测量的无线传感器网络节点，包括终端电压数据采集节点和协调器。终端节点采集多路差动氧化钨开路电压，并将电压数据无线发送给协调器，协调器再将电压数据通过串口通信发送到PC端，最终将电压值输出到串口显示助手，实现了多路毫伏级开路电压的采集和无线传输。

本申请所提供的液相流速测量装置，包括处理器200及流速传感器100；所述流速传感器100包括氧化钨电极110及金属钨电极120；所述金属钨电极120连接于定电位点；所述处理器200用于确定所述流速传感器100的开路电压，并通过所述开路电压确定所述流速传感器100处的液体流速。本申请利用所述氧化钨电极110与所述金属钨电极120对液体的温度与pH值响应基本一致的原理，消除了液体本身的温度与pH值对两电极之间电压的影响，并将所述金属钨电极120连接于所述定电位点(即测量时中电路中电位固定不变的点)，使得氧化钨电极110与所述金属钨电极120之间的电压只受流动电势的影响，实现测量所述流速传感器100所在的点的液体的瞬间流速的效果。

需要注意的是，所述开路电压更具体的为所述氧化钨电极110与所述金属钨电极120之间的开路电压。

下面给出一种本申请中所述氧化钨电极110及金属钨电极120的制备方法：

1)采用长宽3mm、厚度0.5mm、纯度大于99.99％的纯钨片，以酚醛纸基板材料为钨片衬底，在基板上印刷焊盘和导线，将钨片紧密地焊接在焊盘上，再将钨片四周密封，避免底层焊接的焊锡与待测液体接触反应。准备两支焊接胶封好的纯钨片电极，分别标号为1#、2#。

2)1#、2#电极分别用砂纸打磨，再用氧化铝颗粒抛光处理后用纯净水洗净。

3)将1#电极为工作电极浸泡于H₂SO₄溶液中，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，设置电化学工作站工作方式为循环伏安法，给定一定的扫描电压，以一定的扫描速率，循环扫描若干次。PC端可以时刻显示极化电流大小，以判断电极是否制备成功，待氧化结束后，将1#电极继续在H₂SO₄溶液中浸泡若干小时，直至表面氧化层稳定后取出。制备完成的1#氧化钨电极110表面呈暗灰色，失去金属光泽。如图5所示，随着循环扫描次数的不断增加，氧化钨电极110的氧化程度不断加强，流过的极化电流越来越小；当增加到一定程度，随着扫描次数的改变，极化电流曲线基本重合，不再改变，判定1#电极氧化充分，制备成功。

其中1#电极即为本申请中的氧化钨电极110，2#电极为本申请中的金属钨电极120。

参考图6，它表示1#、2#电极的pH响应，1#、2#电极pH响应分别为54.12mV/pH、54.31mV/pH，由图可知，两支电极的pH响应几乎一致，可以互相抵消。

参考图7，它表示1#、2#电极的温度响应，1#、2#电极温度响应分别为2.62mV/℃、2.52mV/℃，由图可知，两支电极的温度响应相差为某一常数，构成差动结构后不影响流速测量。

将1#、2#电极置于pH＝6.86的混合磷酸盐缓冲溶液，以磁力搅拌器转速来模拟液体流速，在烧杯中注入一定缓冲溶液，并将磁力搅拌子放进烧杯中，烧杯置于磁力搅拌器圆盘上，磁力搅拌器转动使部分空气进入溶液，形成气液两相流。制备好的1#氧化钨电极作为工作电极，2#金属钨电极120作为参比电极，放于烧杯中。在室温25℃下，设置转速分别为100、150、200、300、400、500、600(r/min)，电化学工作站分别测得上述转速下电极的开路电压，电压与转速的关系图如图8所示，由图可知，磁力搅拌器转速与传感单元间的开路电压呈正相关关系，由于磁力搅拌器转速跟气液两相流液相流速呈正相关关系，因此，气液两相流液相流速与所述流速传感器100的开路电压(即所述流速传感器100的开路电压)呈一定正相关关系。因此可以通过所述开路电压确定液体瞬间流速。

在具体实施方式一的基础上，进一步对所述氧化钨电极110的数量做限定，得到具体实施方式二，其结构示意图如图2所示，包括处理器200及流速传感器100；

所述流速传感器100包括氧化钨电极110及金属钨电极120；

所述金属钨电极120连接于定电位点；

所述处理器200用于确定所述流速传感器100的开路电压，并通过所述开路电压确定所述流速传感器100处的液体流速；

所述液相流速测量装置包括多个所述氧化钨电极110；

所述处理器200用于确定每个电极电压响应范围在0至500毫伏范围内的所述氧化钨电极110与所述金属钨120电极间的电压。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中包括了多个氧化钨电极110，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。

需要注意的是，图2中多个所述氧化钨电极用120、121…12N表示。

本具体实施方式设置了多个所述氧化钨电极110，分别取所述流速传感器100的开路电压，之后计算多个所述开路电压的平均值或者中位数，以最终的计算结果为依据得到所述流速传感器对应点的液体瞬间流速，其中，若所述氧化钨电极110的电极响应为0，则说明该电极未浸入液体中，该电极与所述金属钨电极120之间的电压应忽略不计。在实际情况中，液体成分复杂，可能出现局部区域pH值突然升高或个别所述氧化钨电极110失效的情况，因此，设置多个所述氧化钨电极110能大大提高最终测得的液体流速的准确性，并延长所述液相流速测量装置的使用寿命与可靠性。

另外，所述“0至500毫伏”为电压读数大小，实际使用中由于电压存在方向，因此实际显示有可能为0至-500毫伏。

此外，还可在获取各个所述氧化钨电极110与金属钨电极120的开路电压后，不作进一步求值处理，而是直接传输到外部系统，进而反映出各个所述金属钨电极110处的瞬间流速，建立所述流速传感器100的各部位的流速模型。

由于设置多个所述氧化钨电极110后可能存在一部分所述氧化钨电极110没有浸泡在液体中的情况，因此需要排除这部分电极的干扰，通过大量理论计算与实际检验，在液相中的所述氧化钨电极110与所述金属钨电极120之间的开路电压不会超过500毫伏(包括端点值)，而暴露在空气中的所述氧化钨电极110与所述金属钨电极120之间的开路电压通常大于1伏，差距明显，因此本申请通过限定求平均值或中位数的所述氧化钨电极110的条件，排除干扰。

在具体实施方式二的基础上，进一步对所述氧化钨电极110的设置方式做限定，得到具体实施方式三，其结构示意图如图3所示，包括处理器200及流速传感器100；

所述流速传感器100包括氧化钨电极110及金属钨电极120；

所述金属钨电极120连接于定电位点；

所述处理器200用于确定所述流速传感器100的开路电压，并通过所述开路电压确定所述流速传感器100处的液体流速；

所述液相流速测量装置包括多个所述氧化钨电极110；

所述处理器200用于确定每个电极电压响应范围在0至500毫伏范围内的所述氧化钨电极110与所述金属钨电极120间的电压；

多个所述氧化钨电极110设置在液体流动通路的不同高度上。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中的多个氧化钨电极110设置在了不同位置，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。

本具体实施方式中，所述氧化钨电极110设置在液体流动通路(通常为管道)的不同高度上，则在水平方向的管道中，通过监测不同高度的所述氧化钨电极110的电极响应是否为0，便可知道当前管道内该位置的液面位置，进而计算管道内的实时流量；更进一步地，可如图3所示所述液相流速测量装置还包括网板；所述氧化钨电极110与所述金属钨电极120设置在所述网板上形成氧化钨电极110阵列，提高测量精度的同时，保证所述流速传感器100位置在所述液体流动通路内的位置始终固定，不易发生偏移。

本申请还提供了一种具有上述有益效果的液相流速测量方法，其流程示意图如图4所示，包括：

步骤S101：获得所述流速传感器的开路电压；其中，所述流速传感器包括氧化钨电极及金属钨电极，所述金属钨电极连接于定电位点。

步骤S102：通过所述开路电压确定所述氧化钨电极处的液体流速。

本申请所提供的液相流速测量方法，通过获得所述流速传感器的开路电压；通过所述开路电压确定所述氧化钨电极处的液体流速。本申请利用所述氧化钨电极与所述金属钨电极对液体的温度与pH值响应基本一致的原理，消除了液体本身的温度与pH值对两电极之间电压的影响，并将所述金属钨电极连接于所述定电位点(即测量时中电路中电位固定不变的点)，使得氧化钨电极与所述金属钨电极之间的电压只受流动电势的影响，实现测量所述流速传感器所在的点的液体的瞬间流速的效果。

更进一步地，当液相流速测量装置包括多个所述氧化钨电极时，分别获得电极电压响应范围在0至500毫伏范围内的所述氧化钨电极与所述金属钨电极间的电压，并得到所述开路电压的平均值或中位数；

通过所述平均值或中位数，确定所述流速传感器处的液体流速。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的液相流速测量装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种液相流速测量装置，其特征在于，包括处理器及流速传感器；

所述流速传感器包括氧化钨电极及金属钨电极；

所述金属钨电极连接于定电位点；所述金属钨电极为参比电极，所述氧化钨电极为工作电极；

所述处理器用于确定所述流速传感器的开路电压，并通过所述开路电压确定所述氧化钨电极处的液体流速；

所述液相流速测量装置包括多个所述氧化钨电极；

所述处理器用于确定每个电极电压响应范围在0至500毫伏范围内的所述氧化钨电极与所述金属钨电极间的电压；

多个所述氧化钨电极设置在液体流动通路的不同高度上；

所述液相流速测量装置还包括网板；

所述氧化钨电极与所述金属钨电极设置在所述网板上。

2.如权利要求1所述的液相流速测量装置，其特征在于，所述金属钨电极接地。

3.如权利要求1所述的液相流速测量装置，其特征在于，所述氧化钨电极及所述金属钨电极为酚醛纸基板电极。

4.如权利要求1所述的液相流速测量装置，其特征在于，所述氧化钨电极及所述金属钨电极包括密封层，所述密封层用于密封所述氧化钨电极的焊接层及所述金属钨电极的焊接层。

5.如权利要求4所述的液相流速测量装置，其特征在于，所述密封层为焊接胶密封层。

6.一种液相流速测量方法，其特征在于，包括：

获得流速传感器的开路电压；其中，所述流速传感器包括氧化钨电极及金属钨电极，所述金属钨电极连接于定电位点；所述金属钨电极为参比电极，所述氧化钨电极为工作电极；

通过所述开路电压确定所述氧化钨电极处的液体流速；

所述获得所述流速传感器的开路电压包括：

当液相流速测量装置包括多个所述氧化钨电极时，分别获得电极电压响应范围在0至500毫伏范围内的所述氧化钨电极与所述金属钨电极间的电压，并得到所述开路电压的平均值或中位数；

通过所述平均值或中位数，确定所述流速传感器处的液体流速；

多个所述氧化钨电极设置在液体流动通路的不同高度上；

所述液相流速测量装置还包括网板；

所述氧化钨电极与所述金属钨电极设置在所述网板上。

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