CN112325953B - 一种基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，包括：磁性液体团、压力传导膜、不导磁管、感应线圈、磁场装置、磁性液体回收装置和测量装置；其中，压力传导膜穿设在不导磁管中，压力传导膜一端设有流体入口管，另一端设有流体出口管；压力传导膜与不导磁管的端部粘接，磁性液体团填充在压力传导膜与不导磁管的内侧壁之间；感应线圈绕设在不导磁管外并与测量装置电连接；磁场装置布置在不导磁管外并与测量装置电连接，用于通过调整磁场强度控制磁性液体团的位置和形状。本发明测量精度和灵敏度高，量程可调、过载安全保护、设备简单高效，绿色环保，体积小，寿命长，高低温测量范围广，具有很好的应用前景。

Description

一种基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器

技术领域

本发明涉及磁性液体微流量传感器技术领域，特别涉及一种基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器。

背景技术

磁性液体内腔可调式微流量传感器在我国的研究尚处于理论研究阶段，属于将新型纳米磁性材料——磁性液体应用于微流量传感器领域的新技术开发问题。这种新技术可以广泛应用于航天、机械、生物医学等领域，例如，管道微泄漏、医学微量给药和给药速度调控等。

但现有的液柱式磁性液体流量传感器还处于实验阶段，其主要有以下缺陷：主要对大流量进行测量，而对小微流量测量不敏感，在进行小微流量测量时测量精度低、灵敏度低；U形管装置在被测量流体压力过高，即超量程时，会使磁性液体柱一侧的高度过度增大，甚至使磁性液体从U形管的一端溢出，这会造成磁性液体的浪费和对周围环境造成污染，同时引起传感器后续测量数据的失真；U形管的长度确定后，对应传感器的测量范围就固定不可调；液柱式磁性液体流量传感器采用U形管设计，这就需要将U形管高度设计得很长，才能保证磁性液体不溢出，这不利于设备的小型化，尤其在生物医学等领域应用受限；液柱式磁芯需要注入大量的磁性液体才能形成，使管腔横截面要充满磁性液体，这也使传感器的成本增高。

发明内容

本发明提供了一种基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，以解决现有磁性液体流量传感器测量精度和灵敏度低、适应性差、量程不可调、无过载保护、体积大、成本高等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，其包括：磁性液体团、压力传导膜、不导磁管、感应线圈、磁场装置和测量装置；其中，

所述压力传导膜和所述不导磁管均为空心管状结构，所述压力传导膜穿设在所述不导磁管中，且所述压力传导膜与所述不导磁管的端部粘接，以在所述压力传导膜与所述不导磁管的内侧壁之间形成空腔，所述磁性液体团填充在所述空腔内；所述感应线圈绕设在所述不导磁管的外侧壁上，并与所述测量装置电连接，所述磁场装置布置在所述不导磁管外，并与所述测量装置电连接；

所述压力传导膜一端设有供被测流体流入的流体入口管，另一端设有供被测流体流出的流体出口管；所述感应线圈用于感应所述磁性液体团的形状和位置变化；所述测量装置用于根据所述感应线圈输出的电流信号测量被测流体流量，并将测量结果反馈给所述磁场装置；所述磁场装置用于根据所述测量装置的测量结果调整所述不导磁管外的磁场，以控制所述磁性液体团的位置和形状。

其中，所述压力传导膜和所述不导磁管均为横截面为O形的环形管状结构。

其中，所述磁性液体团包括纳米级磁性颗粒、表面活性剂和基载液。

其中，所述压力传导膜由不导磁材料制成，用于将被测流体的压力传导给所述磁性液体团，同时与所述磁场装置配合，以控制所述磁性液体团的形状和位置；所述压力传导膜的内径通过所述磁场装置调整磁性液体团的形状来控制，进而实现传感器的量程可调。

其中，所述测量装置包括信号采集及放大系统和测量及反馈电路；其中，

所述感应线圈的输出端与所述信号采集及放大系统的输入端电连接，所述信号采集及放大系统的输出端与所述测量及反馈电路的输入端电连接，所述测量及反馈电路的输出端与所述磁场装置的输入端电连接；

所述信号采集及放大系统用于采集所述感应线圈输出的电流信号，并对采集到的电流信号进行放大处理；所述测量及反馈电路用于根据放大后的电流信号测量出被测流体的流量，并将测量结果反馈给所述磁场装置。

其中，所述感应线圈包括多个独立的子线圈，每一子线圈分别由漆包铜线绕制而成，多个子线圈并排均匀分布于所述不导磁管的外侧壁上，每一所述子线圈的输出端分别与所述信号采集及放大系统的输入端电连接。

其中，所述磁场装置包括一次线圈、二次线圈和电感调控器；其中，

所述二次线圈为滑动变感式线圈，所述二次线圈与所述电感调控器的输出端电连接，所述电感调控器的输入端与所述测量及反馈电路的输出端电连接；

所述电感调控器用于当所述磁性液体团的位移超过设定值时，根据所述测量及反馈电路的输出调整所述二次线圈，以调整所述不导磁管外的磁场强度，进而控制所述磁性液体团的位置，完成对所述磁性液体团的位置的固定。

其中，所述不导磁管对应所述流体出口管的一端开设有安装孔，所述安装孔内安装有感应电磁阀，所述感应电磁阀与一磁性液体回收装置连通。

其中，所述感应电磁阀的端部设置有压力传感器，所述压力传感器用于测量所述磁性液体团的压力，当被测流体流量大到超过所述压力传感器设定的可测量范围时，所述感应电磁阀打开，磁性液体团流入所述磁性液体回收装置。

其中，所述磁性液体回收装置包括由不导磁材料制成的回收管和磁性液体回收箱；其中，所述磁性液体回收箱通过所述回收管与所述感应电磁阀连通。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

1、本发明提出了一种新的磁性液体团式磁芯，以此为传感介质设计的传感器体积小，成本低；

2、本发明提出了一种新的压力传导膜，用于隔离被测流体并将压力传导给磁性液体，从而使制备的流量传感器测量对象从气体扩大到气体和液体，同时也避免了磁性液体的流失；

3、本发明提出了一种内腔可调的微流量传感器结构，可以通过外界磁场的调节，调整传感器内磁性液体团的形状和位置，从而设计出了一种量程可调节的微流量传感器；

4、本发明提出了将感应线圈分解为若干个独立线圈的设计思路，当磁性液体团发生较大位移时，可以更精确地计算感应电流和磁性液体团的位移，这样可以有效提高传感器的测量精度和灵敏度，而且可以通过调整外界磁场强度及早固定磁性液体团，避免出现磁性液体团在流体通道出口处的大量聚集，避免压力传导膜局部受力过大；

5、本发明提出了一种O形管装置，装置的入口和出口接近，便于将被测完的流体导入原流体流动管道，同时装置末端出口处打孔，并设置有感应电磁阀和磁性液体回收装置相通，有效避免了传统的U形管装置高度受限的问题；

6、本发明提出了一种基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器的过载保护装置，即磁性液体的回收装置。当传感器测量的流体流量超过设定值，造成磁性液体团在流体通道出口处的大量聚集时，设计的感应电磁阀开始工作，让磁性液体通过回收管进入磁性液体回收装置。这样既避免了传感器因过载而造成的压力传导膜的变形或破裂，也避免了磁性液体的溢出和浪费；

7、本发明提出了一种基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器结构，测量精度和灵敏度更高，量程可调、过载安全保护、体积更小，成本更低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器的工作流程示意图；

图3为本发明实施例提供的磁性液体团及压力传导膜的局部示意图；

图4为本发明实施例提供的磁场装置的原理示意图。

附图标记说明：

1、磁性液体团；2、压力传导膜；3、不导磁管；4、感应线圈；

5、磁场装置；6、感应电磁阀；7、磁性液体回收装置；

8、信号采集及放大系统；9、测量及反馈电路；10、流体入口管；

11、流体出口管；51、一次线圈；52、二次线圈；53、电感调控器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

请参阅图1至图4，本实施例提供了一种基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，该基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器包括：磁性液体团1、压力传导膜2、不导磁管3、感应线圈4、磁场装置5和测量装置；其中，

所述压力传导膜2和不导磁管3均为空心管状结构，所述压力传导膜2穿设在所述不导磁管3中，且所述压力传导膜2与不导磁管3的端部粘接，以在所述压力传导膜2与不导磁管3的内侧壁之间形成空腔，所述磁性液体团1填充在所述空腔内；所述感应线圈4绕设在所述不导磁管3的外侧壁上，并与所述测量装置电连接，所述磁场装置5布置在所述不导磁管3外，并与所述测量装置电连接；所述压力传导膜2一端设有流体入口管10，另一端设有流体出口管11；被测流体从流体入口管10进入压力传导膜2的管腔内，经流体出口管11流出；当被测流体通过压力传导膜2时，流体压力会通过压力传导膜2迫使磁性液体团1的位置和形状发生变化，从而产生磁通变化，进而使不导磁管3外的感应线圈4产生感应电流，进而通过测量装置测得被测流体流量。

具体地，所述压力传导膜2和不导磁管3均为横截面为O形的环形管状结构，压力传导膜2由光滑的不导磁材料制成，同时不导磁管3也由不导磁材料制成，如不锈钢。所述磁性液体团1包括纳米级磁性颗粒、表面活性剂和基载液，其形状和位置可以通过所述磁场装置5来控制。

磁性液体团1根据工作环境选择不同基载液，选择饱和磁化强度尽量高的磁性液体，如煤油基磁性液体、氟醚油基磁性液体等；所述压力传导膜2的内腔供被测流体通过，当被测流体通过时，压力传导膜2将被测流体的压力传导给所述磁性液体团1，同时与所述磁场装置5配合，以控制所述磁性液体团1的形状和位置；而且所述压力传导膜2的内径可通过所述磁场装置5调整磁性液体团1的形状来控制，从而可以适应不同流量的被测流体通过。

所述感应线圈4用于感应所述磁性液体团1的形状和位置变化，其由若干个独立子线圈组成，每一子线圈分别由漆包铜线绕制而成，多个子线圈并排均匀分布于所述不导磁管3的外侧壁上；每一子线圈均能感应内部磁性液体团1的形状和位置变化；当所述磁性液体团1的位移变化超过一个子线圈的长度范围时，相邻的子线圈开始工作，进而可更加精确地判断内部流体的流量变化；其中，子线圈的数量不作限定，可以根据需求设置，例如10个。

所述测量装置包括信号采集及放大系统8和测量及反馈电路9；其中，每一所述子线圈的输出端分别与所述信号采集及放大系统8的输入端电连接，所述信号采集及放大系统8的输出端与所述测量及反馈电路9的输入端电连接，所述测量及反馈电路9的输出端与所述磁场装置5的输入端电连接；

所述信号采集及放大系统8用于采集所述感应线圈4输出的电流信号，并对采集到的电流信号进行放大处理；所述测量及反馈电路9用于根据放大后的电流信号测量出被测流体的流量，并将测量结果反馈给所述磁场装置5；所述磁场装置5用于根据所述测量装置的测量结果调整所述不导磁管3外的磁场，以控制所述磁性液体团1的位置和形状。

其中，磁场装置5可旋转，按照需求可调整磁场的大小和方向，如图4所示，其包括一次线圈51、二次线圈52和电感调控器53；所述二次线圈52为滑动变感式线圈，所述二次线圈52与电感调控器53的输出端电连接，所述电感调控器53的输入端与所述测量及反馈电路9的输出端电连接；通过所述测量及反馈电路9的反馈数据，分析所述磁性液体团1的位移；若所述磁性液体团1的位移超过设定值，即启动电感调控器53调整所述二次线圈52，获得需要的线圈电感，从而获得所需磁场强度，进而控制所述磁性液体团1的位置，完成对所述磁性液体团1的位置的固定，以保证所述磁性液体团1的安全位移范围。

进一步地，在本实施例中，所述不导磁管3对应所述流体出口管11的一端开设有安装孔，所述安装孔内安装有感应电磁阀6，所述感应电磁阀6与一磁性液体回收装置7连通。其中，所述感应电磁阀6的端部设置有压力传感器，所述压力传感器用于测量所述磁性液体团1的压力，当被测流体流量大到超过所述压力传感器设定的可测量范围时，所述磁性液体团1因受力过大而聚集在出口端，此时所述感应电磁阀6打开，所述磁性液体回收装置7工作，磁性液体团1流入所述磁性液体回收装置7，起到过载保护的作用。

其中，所述磁性液体回收装置7包括由不导磁材料制成的回收管和磁性液体回收箱；其中，所述磁性液体回收箱通过所述回收管与所述感应电磁阀连通。当被测流体的流量超过所述压力传感器的可测范围时，所述磁性液体团1在外界流体压力作用下发生移动和聚集，致使所述不导磁管3的出口处的磁性液体压力升高，所述感应电磁阀6感测磁性液体压力增加，阀门打开，磁性液体沿回收通道流入所述磁性液体回收箱，从而可以在传感器量程超载时，对磁性液体进行回收，以避免磁性液体对环境的污染和资源的浪费。

使用时，本实施例的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器的放置方式为水平放置；初始状态时，将磁性液体团1固定于首端的子线圈内；感应电磁阀6位于关闭状态；被测流体的温度可以为-30℃～60℃，根据不同的温度可以选用不同类型的磁性液体团1。

测量时，将被测流体导入流体入口管10，被测流体通过环形管道，根据流体流量的大小，磁性液体团1的变形程度不同，根据感应线圈4反应的感应电流判断磁性液体团1的变形程度，从而通过信号采集及放大系统8、测量及反馈电路9得到被测流体的流量值。

测量过程中，如果被测流体流量偏大，磁性液体团1在压力的作用下会偏离原来的位置而发生移动，移动到下一个独立子线圈，根据系统检测到的当前独立子线圈的感应电流，判断磁性液体团1的形状和位移变化；如果因被测流体流量过大引起磁性液体团1移动位移过大，磁性液体团1聚集到不导磁管3的末端出口处，引起压力传导膜2局部所受压力剧增，此时感应电磁阀6打开，磁性液体回收装置7通过回收管将磁性液体回收。

具体地，本实施例的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器的工作流程如图2所示，其原理如下：

被测流体从流体入口管10进入压力传导膜2的管腔内，经流体出口管11流出；当被测流体流入所述压力传导膜2内，流体压力作用于所述压力传导膜2并迫使所述磁性液体团1的形状和位置发生变化，从而使所述感应线圈4内产生感应电流，通过所述信号采集及放大系统8、所述测量及反馈电路9得到可测信号，完成对流体流量的间接测量。

初始状态时，传感器输入流体流量为0，磁性液体团1在磁场装置5的设定磁场作用下保持稳定。当有微小流量的流体流入压力传导膜2的管腔内时，磁性液体团1在流量的作用下会有微小的变形，致使感应线圈4内的磁通量发生变化，从而使某个子线圈a内产生感应电流，通过测量子线圈a内的感应电流可间接测量被测流体的流量。当被测流体流量继续增大时，磁性液体团1在较大流量的作用下，形状发生较大变化，子线圈a内的感应电流也随之增大。当被测流体流量再继续增大时，磁性液体团1所受的流体冲刷力增大，当这个力超过磁性液体团1与不导磁管3的管壁和压力传导膜2之间的附着力时，磁性液体团1将发生位移；此时原有的子线圈a内失去磁芯，没有感应电流，而磁性液体团1在流体力的作用下进入下一个子线圈b，此时测控系统监测到子线圈b内产生感应电流，这个电流间接反映磁性液体团1的变形和位移的大小。

通过测量及反馈电路9的反馈数据，分析判断磁性液体团1的位移是否超过安全范围。若磁性液体团1的位移超过设定值，会发生磁性液体团向不导磁管3的出口侧聚集太快，使靠近流体入口侧的感应线圈失去感应电流变化的能力；此刻启动电感调控器53调整磁场装置5，以获得更大的磁场强度，从而完成对磁性液体团1的位置固定。

当被测流体流量超出传感器量程时，磁性液体团1因受力过大而聚集在不导磁管3的出口端，发生磁性液体团1聚集在不导磁管3的出口侧，使靠近流体入口侧的感应线圈失去感应电流变化的能力的同时，聚集的磁性液体在流体出口侧压力增大，流体出口侧的压力传导膜2所受压力增大，传感器可能会发生过载并导致压力传导膜2破裂；此时感应电磁阀6打开，磁性液体回收装置7工作，将聚集的磁性液体回收，起到过载保护的作用。

综上，本实施例提出了一种新的磁性液体团式磁芯，以此为传感介质设计的传感器体积小，成本低；同时提出了一种新的压力传导膜，用于隔离被测流体并将压力传导给磁性液体，从而使制备的流量传感器测量对象从气体扩大到气体和液体，同时也避免了磁性液体的流失；而且可通过外界磁场的调节，调整传感器内磁性液体团的形状和位置，从而设计出了一种量程可调节的微流量传感器；并且本实施例将感应线圈分解为若干个独立线圈，当磁性液体团发生较大位移时，可更精确地计算感应电流和磁性液体团的位移，提高了传感器的测量精度和灵敏度，可以通过调整外界磁场强度及早固定磁性液体团，避免出现磁性液体团在流体通道出口处的大量聚集，避免压力传导膜局部受力过大；此外，本实施例还设置了磁性液体回收装置，当传感器测量的流体流量超过设定值，造成磁性液体团在流体通道出口处的大量聚集时，设计的感应电磁阀开始工作，让磁性液体通过回收管进入磁性液体回收装置。这样既避免了传感器因过载而造成的压力传导膜的变形或破裂，也避免了磁性液体的溢出和浪费。

此外，需要说明的是，在本文中，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、物品或者终端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、物品或者终端设备所固有的要素。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、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

还需要说明的是，以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (8)

1.一种基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，其特征在于，包括：磁性液体团、压力传导膜、不导磁管、感应线圈、磁场装置和测量装置；其中，

所述压力传导膜和所述不导磁管均为空心管状结构，所述压力传导膜穿设在所述不导磁管中，且所述压力传导膜与所述不导磁管的端部粘接，以在所述压力传导膜与所述不导磁管的内侧壁之间形成空腔，所述磁性液体团填充在所述空腔内；所述感应线圈绕设在所述不导磁管的外侧壁上，并与所述测量装置电连接，所述磁场装置布置在所述不导磁管外，并与所述测量装置电连接；

所述压力传导膜一端设有供被测流体流入的流体入口管，另一端设有供被测流体流出的流体出口管；所述感应线圈用于感应所述磁性液体团的形状和位置变化；所述测量装置用于根据所述感应线圈输出的电流信号测量被测流体流量，并将测量结果反馈给所述磁场装置；所述磁场装置用于根据所述测量装置的测量结果调整所述不导磁管外的磁场，以控制所述磁性液体团的位置和形状；

所述测量装置包括信号采集及放大系统和测量及反馈电路；其中，

所述感应线圈的输出端与所述信号采集及放大系统的输入端电连接，所述信号采集及放大系统的输出端与所述测量及反馈电路的输入端电连接，所述测量及反馈电路的输出端与所述磁场装置的输入端电连接；

所述信号采集及放大系统用于采集所述感应线圈输出的电流信号，并对采集到的电流信号进行放大处理；所述测量及反馈电路用于根据放大后的电流信号测量出被测流体的流量，并将测量结果反馈给所述磁场装置；

所述磁场装置包括一次线圈、二次线圈和电感调控器；其中，

所述二次线圈为滑动变感式线圈，所述二次线圈与所述电感调控器的输出端电连接，所述电感调控器的输入端与所述测量及反馈电路的输出端电连接；

所述电感调控器用于当所述磁性液体团的位移超过设定值时，根据所述测量及反馈电路的输出调整所述二次线圈，以调整所述不导磁管外的磁场强度，进而控制所述磁性液体团的位置，完成对所述磁性液体团的位置的固定。

2.如权利要求1所述的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，其特征在于，所述压力传导膜和所述不导磁管均为横截面为O形的环形管状结构。

3.如权利要求1所述的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，其特征在于，所述磁性液体团包括纳米级磁性颗粒、表面活性剂和基载液。

4.如权利要求1所述的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，其特征在于，所述压力传导膜由不导磁材料制成，用于将被测流体的压力传导给所述磁性液体团，同时与所述磁场装置配合，以控制所述磁性液体团的形状和位置；所述压力传导膜的内径通过所述磁场装置调整所述磁性液体团的形状来控制，进而实现传感器的量程可调。

5.如权利要求1所述的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，其特征在于，所述感应线圈包括多个独立的子线圈，每一子线圈分别由漆包铜线绕制而成，多个子线圈并排均匀分布于所述不导磁管的外侧壁上，每一所述子线圈的输出端分别与所述信号采集及放大系统的输入端电连接。

6.如权利要求1所述的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，其特征在于，所述不导磁管对应所述流体出口管的一端开设有安装孔，所述安装孔内安装有感应电磁阀，所述感应电磁阀与一磁性液体回收装置连通。

7.如权利要求6所述的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，其特征在于，所述感应电磁阀的端部设置有压力传感器，所述压力传感器用于测量所述磁性液体团的压力，当被测流体流量大到超过所述压力传感器设定的可测量范围时，所述感应电磁阀打开，所述磁性液体团流入所述磁性液体回收装置。

8.如权利要求7所述的基于磁性液体的内腔可调式微流量传感器，其特征在于，所述磁性液体回收装置包括由不导磁材料制成的回收管和磁性液体回收箱；其中，所述磁性液体回收箱通过所述回收管与所述感应电磁阀连通。

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