CN113008315B - 一种微波流量计及水流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波流量计，包括：流体干涉管，用于形成引导和约束从管道中流入的流体介质的流动状态的检测场；微波源体，安装在流体干涉管外壁上，被配置为生成微波信号；收发一体探头组件，用于耦合微波源体，将微波信号施加到流体介质上，并接收流体介质响应所施加的微波信号的反射信号；副相组件，耦合收发一体探头组件，用于接收流体介质响应所施加的微波信号的散射信号；其水流量测量方法为根据流体介质对反射信号的实际频差和理论频差进行计算，同时通过计算对应发射信号的散射信号所包含的流体介质的频差分布对实际频差进行校准，从而获得精确的微波源体的流量。

Description

一种微波流量计及水流量测量方法

技术领域

本发明涉及微波流量计技术领域，具体涉及一种微波流量计及水流量测量方法。

背景技术

许多工业过程操作多种过程流体，需要通过特定的微波流量计进行多相过程流体的流速的测量，而采用发射线源由于他们在微波流量计中的处理通常因为杂波的存在而较为复杂，光/IR方法可能遭受光部分的灵敏度受到脏环境的影响的问题。超声传感器尽管具有高分辨率的特性，但是过程流体是固体流体的情况下，容易导致微波的损耗或高的功率损耗。尽管每种方法具有优缺点，但是微波可以更有效的用于表征多相流。

对于现有的微波流量计是采用24GH高频微波，通过传感器与管道之间电磁场的耦合，产生一个测量场。当被检测介质从微波检测场经过时，传感器传送低功率微波并接收物体反射回的能量。接收到的微波反射频率与发射频率产生频差，从而在输出端产生一低频交流电压，即微波传感器检测到运动介质的数量和流速。测量场的微波能量被固体颗粒反射回来并被接收器接收，根据多普勒原理，微波固体流量计仅流动的颗粒能被测量，结合记录的颗粒数目和状态可计算出流量，而对偏向于液体、固液混合态的过程流体，由于电荷和磁的易感性，并且过程流体的构成要素(例如：水)的介电常数对于微波存在散射，在液相时与外部电磁场影响相比，分子和电磁场之间的交互占据主导地位，并且受到在过程流体表面的流动状态的影响，施加在液相表面产生的响应信号会存在缺失严重或者无法被接收，进而计算的问题。

综上所述，微波流量计对于整体多相过程流体(同质或不同质)，且包含不止一种相态(如气、液或固态或混合态)的流速测量不具备通用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波流量计及水流量测量方法，以解决现有技术中微波流量计对于整体多相过程流体(同质或不同质)，且包含不止一种相态(如气、液或固态或混合态)的流速测量不具备通用性的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种微波流量计，包括：

流体干涉管，与供流体介质流动的管道连接，用于形成引导和约束从管道中流入的流体介质的流动状态的检测场；

微波源体，安装在所述流体干涉管外壁上，被配置为生成微波信号，并进行信号计算；

收发一体探头组件，安装在所述流体干涉管内壁上，用于耦合所述微波源体，将所述微波信号施加到所述流体介质上，并接收所述流体介质响应所施加的微波信号的反射信号；

副相组件，安装在所述流体干涉管内壁上，耦合所述收发一体探头组件，用于接收所述流体介质响应所施加的微波信号的散射信号。

作为本发明的一种优选方案，所述副相组件安装在所述收发一体探头组件的前端，且所述前端被配置为所述检测场中所述流体介质的流入端；

所述收发一体探头组件与所述流体干涉管之间具有夹角，所述收发一体探头组件将所述微波信号以所述夹角形成的角度施加在所述检测场的流体介质上，且所述收发一体探头组件施加在所述流体介质上的所述微波信号朝着所述流体介质流入所述检测场的方向。

作为本发明的一种优选方案，所述流体干涉管包括柱形管体，以及设置在所述柱形管体两侧的法兰盘，所述柱形管体的内套装有用于形成所述检测场的内管体，所述内管体和所述柱形管体位于所述流体介质流入的端部均设置有倾斜面，且所述内管体的倾斜面位于所述柱形管体的内部；

所述柱形管体的内壁上设置有用于安装所述收发一体探头组件的导波槽，且所述收发一体探头组件通过角度调节装置安装在所述导波槽内，所述导波槽贯穿至所述柱形管体的外壁的槽口与所述微波源体连接，所述导波槽位于所述柱形管体的内壁上的槽口安装有导波板，且所述导波板的表面与所述柱形管体的内壁表面保持一致。

作为本发明的一种优选方案，所述副相组件包括轴向等间距安装在所述柱形管体内壁上的多个环形天线，所述环形天线包括通过设置在所述柱形管体内壁上的嵌装槽安装在所述柱形管体内壁上的主环体，所述主环体的端面沿所述柱形管体的轴向设置有接收端环体，且所述接收端环体的表面与所述柱形管体的表面保持一致，且每个所述主环体独立耦合所述收发一体探头组件。

作为本发明的一种优选方案，所述导波板的背部设置有垂直所述导波板的导波座，所述导波座中间设置有与所述收发一体探头组件相配合的弧形贯穿导槽，且所述弧形贯穿导槽的底部延伸至所述导波板的表面。

作为本发明的一种优选方案，所述角度调节装置包括安装所述收发一体探头组件的壳体，所述壳体的一侧设置有弹性轴，所述壳体的另一侧设置有齿轮组件，以及用于通过外力转动进而驱动所述齿轮组件转动的调节轴，所述齿轮组件用于进行所述壳体的以所述调节轴为转动中心进行角度转动；

所述调节轴的另一端穿过设置在所述柱形管体上的刻度盘。

作为本发明的一种优选方案，所述收发一体探头组件产生的波长为所述弧形贯穿导槽的厚度的整倍数，且所述导波板的厚度为所述收发一体探头组件产生的平均波长的λ/2，或平均波长的整倍数。

作为本发明的一种优选方案，所述收发一体探头组件包括电性连接微波源体的测量发射单元总成，套装在所述壳体上的接收天线单元，所述接收天线单元的轴线上安装有发射天线单元，所述测量发射单元总成通过排线电性连接所述发射天线单元和接收天线单元，且所述接收天线单元的端部套装在所述弧形贯穿导槽上，且所述弧形贯穿导槽与所述导波板滑动连接。

作为本发明的一种优选方案，所述齿轮组件包括安装在所述壳体上的固定齿轮，所述固定齿轮的外圈与所述弧形贯穿导槽上设置的齿条啮合，所述固定齿轮的内壁设置有多个传动比齿轮，以及与所述传动比齿轮啮合的太阳轮，所述调节轴的一端固定连接在所述太阳轮的中心，所述太阳轮和所述固定齿轮之间设置有减震垫圈。

本发明提供了一种根据所述的微波流量计的水流量测量方法，包括具体步骤：

S100、通过流体干涉管构建供流体介质表面稳定流动的检测场；

S200、以与流体干涉管的轴向呈一定的夹角向流体介质上施加微波信号，再通过收发一体探头组件和副相组件对流体介质响应微波信号产生的反射信号和散射信号进行采集；

S300、微波源体通过内置的信号计算模块根据流体介质对反射信号的实际频差和理论频差进行计算，同时通过计算对应发射信号的散射信号所包含的流体介质的频差分布对实际频差进行校准，以获得实时的微波源体的流速和流量。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明通过在对过程流体施加可形成反射信号和散射信号的微波信号，并通过散射信号所包含的反射信号的实际频差的校准结果，对微波信号测量过程流体的计算结果进行选择和校准，提高了对于多相态的过程流体的流状态测量的同时，精确对流状态测量结果进行校准选择，有效的提高了微波流量计在测量过程中的精确度和通用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供微波流量计的结构示意图；

图2为本发明实施例提供微波流量计纵截面的部分结构示意图；

图3为本发明实施例提供副相组件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供角度调节装置和壳体的安装结构示意图。

图中的标号分别表示如下：

1-流体干涉管；2-微波源体；3-收发一体探头组件；4-副相组件；5-检测场；6-角度调节装置；

101-柱形管体；102-法兰盘；103-内管体；104-倾斜面；105-导波槽；106-导波板；107-导波座；108-弧形贯穿导槽；

301-测量发射单元总成；302-接收天线单元；303-发射天线单元；

401-环形天线；402-主环体；403-接收端环体；

601-壳体；602-弹性轴；603-调节轴；604-固定齿轮；605-传动比齿轮；606-太阳轮；607-减震垫圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，本发明提供了一种微波流量计，包括：

流体干涉管1，与供流体介质流动的管道连接，用于形成引导和约束从管道中流入的流体介质的流动状态的检测场5；

微波源体2，安装在流体干涉管1外壁上，被配置为生成微波信号，其中微波信号采用5～10GHz的中频微波信号，采用高频信号在对于传播距离较小，也就使传播时间较短，微波信号在检测场的轴向上的频差距离小，其计算的难度较大，微波信号的表征无法准确的体现过程流体的流量；

本发明采用中频微波信号，相当于放大了过程流体和微波信号之间的“交互”时间，使微波信号在检测场的轴向上的频差距离增大，使过程流体的流量计算结果放大。

收发一体探头组件3，安装在流体干涉管1内壁上，用于耦合微波源体2，将微波信号施加到流体介质上，并接收流体介质响应所施加的微波信号的反射信号；

副相组件4，安装在流体干涉管1内壁上，耦合收发一体探头组件3，用于接收流体介质响应所施加的微波信号的散射信号。

其中，微波源体2内置有信号处理模块，用于对发射的微波信号的实际频差和理论频差进行采集计算，其包含了过程流体的流速信号，并通过计算副相组件4接收的散射信号形成的频差分布，确定该次微波信号计算的实际频差获得的过程流体的流量是否为能够获得过程流体的流量的准确值。

如果副相组件4采集的频差分布与微波信号产生的反射信号的理论频差不对应，则本次微波信号计算获得的过程流体的流量值为错误值，被舍弃，如果副相组件4采集的频差分布与微波信号产生的反射信号的理论频差对应，则本次微波信号计算获得的过程流体的流量值为准确值，保留。

通过多次和多频率的数据采集计算的平均值为过程流体的流量的准确值。

副相组件4安装在收发一体探头组件3的前端，且前端被配置为检测场5中流体介质的流入端。

收发一体探头组件3与流体干涉管1之间具有夹角，收发一体探头组件3将微波信号以夹角形成的角度施加在检测场的流体介质上，且收发一体探头组件3施加在流体介质上的微波信号朝着流体介质流入检测场5的方向。

在实际的流体介质检测过程中，微波除了受到流体的介电常数，还会受到流体的流动状态的影响，由于管体中的水体的流动通常不是完全的均匀统一，当流体表面的流动状态发生变化时，微波接收天线则会接收较多的杂波，影响副相组件4的频差分布的准确性，使计算的难度增加，因此，管体中的流体的流动状态对现有的微波流量计的检测误差存在较大的影响，而现有的微波流量计采用的大多是和供流体流动的管体相同的流动管道，管体中流体的流动状态和微波流量计的管道保持一致。

为此，本发明中的流体干涉管1包括柱形管体101，以及设置在柱形管体101两侧的法兰盘102，柱形管体101的内套装有用于形成检测场5的内管体103，内管体103和柱形管体101位于流体介质流入的端部均设置有倾斜面104，且内管体103的倾斜面104位于柱形管体101的内部。

本发明中的流体干涉管1的对管道中的流体介质的流动状态影响作用具体包括两种：

其一、当管道中的流体介质处于没有满盈整个管道的流动状态：

这样供流体流动的管体中的流体介质在流入柱形管体101时候，由于倾斜面104的导向作用，使得流体介质表面的两端沿着柱形管体101的径向向柱形管体101的中间进行收束，当流体介质的表面存在流动脉冲而产生波纹时，则会干涉波纹的形成，从而使得流体介质的表面趋于稳定的流动状态。

其二、当管道中的流体介质处于满盈整个管道的流动状态：

柱形管体101由于存在内管体103，那么内管体103的内径小于管道的内径，从而通过内管体103对流体介质进行导流，从而消除整个管道在流动时产生对的脉冲，并且避免脉冲流进入柱形管体101中。

优选的是，本发明中在内管体103的内径尽可能接近流体介质流动的管道的内径时，倾斜面104沿轴向的长度尽可能的延长，并在流体介质流动的管道的直径增大的同时，倾斜面104沿轴向上的长度减小。

柱形管体101的内壁上设置有用于安装收发一体探头组件3的导波槽105，且收发一体探头组件3通过角度调节装置6安装在导波槽105内，导波槽105贯穿至柱形管体101的外壁的槽口与微波源体2连接，导波槽105位于柱形管体101的内壁上的槽口安装有导波板106，且导波板106的表面与柱形管体101的内壁表面保持一致。

其中，导波板106和导波槽105均采用不影响微波信号传输的聚四氟乙烯材料，其形状为弧状或圆弧状。

副相组件4包括轴向等间距安装在柱形管体101内壁上的多个环形天线401，环形天线401包括通过设置在柱形管体101内壁上的嵌装槽安装在柱形管体101内壁上的主环体402，主环体402的端面沿柱形管体101的轴向设置有接收端环体403，且接收端环体403的表面与柱形管体101的表面保持一致，且每个主环体402独立耦合收发一体探头组件3。

其中，接收端环体403的数量尽可能的多，且接收端环体403在轴向上的分布取决于角度调节装置6调节下的收发一体探头组件3所产生的微波信号的投射角度范围和检测场5在流体干涉管1径向上的距离。

导波板106的背部设置有垂直导波板106的导波座107，导波座107中间设置有与收发一体探头组件3相配合的弧形贯穿导槽108，且弧形贯穿导槽108的底部延伸至导波板106的表面。

角度调节装置6包括安装收发一体探头组件3的壳体601，壳体601的一侧设置有弹性轴602，壳体601的另一侧设置有齿轮组件，以及用于通过外力转动进而驱动齿轮组件转动的调节轴603，齿轮组件用于进行壳体601的以调节轴603为转动中心进行角度转动；

齿轮组件(相当于现有的行星轮结构)包括安装在壳体601上的固定齿轮604，固定齿轮604的外圈与弧形贯穿导槽108上设置的齿条啮合，固定齿轮604的内壁设置有多个传动比齿轮605，以及与传动比齿轮605啮合的太阳轮606，调节轴603的一端固定连接在太阳轮606的中心，太阳轮606和固定齿轮604之间设置有减震垫圈607，减震垫圈607将起到减震和增大太阳轮606和固定齿轮604两者之间的阻尼的作用，能够避免流体干涉管1的振动传递至角度调节装置6，造成的角度调节后的角度偏移，影响调节结果的精确度；

调节轴603的另一端穿过设置在柱形管体101上的刻度盘，用于提供可视化的角度调节。

收发一体探头组件3产生的波长为弧形贯穿导槽108的厚度的整倍数，且导波板106的厚度为收发一体探头组件3产生的平均波长的λ/2，或平均波长的整倍数，以确保在进行微波信号的传输过程中，微波信号的半波穿透导波板106。

收发一体探头组件3包括测量发射单元总成301，套装在壳体上的接收天线单元302，接收天线单元302采用喇叭状或盘状，且接收天线单元302的有效接收面和导波板106的面积相同，接收天线单元302的轴线上安装有发射天线单元303，测量发射单元总成301通过排线电性连接发射天线单元303和接收天线单元302，且接收天线单元302的端部套装在弧形贯穿导槽108上，且弧形贯穿导槽108与导波板106滑动连接。

基于上述，本发明提供了一种根据所述的微波流量计的水流量测量方法，包括具体步骤：

S100、通过流体干涉管构建供流体介质表面稳定流动的检测场；

S200、以与流体干涉管的轴向呈一定的夹角向流体介质上施加中频的微波信号，再通过收发一体探头组件和副相组件对流体介质响应微波信号产生的反射信号和散射信号进行采集；

S300、微波源体通过内置的信号计算模块根据流体介质对反射信号的实际频差和理论频差进行计算，同时通过计算对应发射信号的散射信号所包含的流体介质的频差分布对实际频差进行校准，以获得实时的微波源体的流速和流量。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种微波流量计，其特征在于，包括：

流体干涉管（1），与供流体介质流动的管道连接，用于形成引导和约束从管道中流入的流体介质的流动状态的检测场（5）；

微波源体（2），安装在所述流体干涉管（1）外壁上，被配置为生成微波信号，并进行信号计算；

收发一体探头组件（3），安装在所述流体干涉管（1）内壁上，用于耦合所述微波源体（2），将所述微波信号施加到所述流体介质上，并接收所述流体介质响应所施加的微波信号的反射信号；

副相组件（4），安装在所述流体干涉管（1）内壁上，耦合所述收发一体探头组件（3），用于接收所述流体介质响应所施加的微波信号的散射信号；

所述副相组件（4）安装在所述收发一体探头组件（3）的前端，且所述前端被配置为所述检测场（5）中所述流体介质的流入端；

所述收发一体探头组件（3）与所述流体干涉管（1）之间具有夹角，所述收发一体探头组件（3）将所述微波信号以所述夹角形成的角度施加在所述检测场的流体介质上，且所述收发一体探头组件（3）施加在所述流体介质上的所述微波信号朝着所述流体介质流入所述检测场（5）的方向；

所述流体干涉管（1）包括柱形管体（101），以及设置在所述柱形管体（101）两侧的法兰盘（102），所述柱形管体（101）的内套装有用于形成所述检测场（5）的内管体（103），所述内管体（103）和所述柱形管体（101）位于所述流体介质流入的端部均设置有倾斜面（104），且所述内管体（103）的倾斜面（104）位于所述柱形管体（101）的内部；

所述柱形管体（101）的内壁上设置有用于安装所述收发一体探头组件（3）的导波槽（105），且所述收发一体探头组件（3）通过角度调节装置（6）安装在所述导波槽（105）内，所述导波槽（105）贯穿至所述柱形管体（101）的外壁的槽口与所述微波源体（2）连接，所述导波槽（105）位于所述柱形管体（101）的内壁上的槽口安装有导波板（106），且所述导波板（106）的表面与所述柱形管体（101）的内壁表面保持一致。

2.根据权利要求1所述的一种微波流量计，其特征在于，所述副相组件（4）包括轴向等间距安装在所述柱形管体（101）内壁上的多个环形天线（401），所述环形天线（401）包括通过设置在所述柱形管体（101）内壁上的嵌装槽安装在所述柱形管体（101）内壁上的主环体（402），所述主环体（402）的端面沿所述柱形管体（101）的轴向设置有接收端环体（403），且所述接收端环体（403）的表面与所述柱形管体（101）的表面保持一致，且每个所述主环体（402）独立耦合所述收发一体探头组件（3）。

3.根据权利要求1所述的一种微波流量计，其特征在于，所述导波板（106）的背部设置有垂直所述导波板（106）的导波座（107），所述导波座（107）中间设置有与所述收发一体探头组件（3）相配合的弧形贯穿导槽（108），且所述弧形贯穿导槽（108）的底部延伸至所述导波板（106）的表面。

4.根据权利要求3所述的一种微波流量计，其特征在于，所述角度调节装置（6）包括安装所述收发一体探头组件（3）的壳体（601），所述壳体（601）的一侧设置有弹性轴（602），所述壳体（601）的另一侧设置有齿轮组件，以及用于通过外力转动进而驱动所述齿轮组件转动的调节轴（603），所述齿轮组件用于进行所述壳体（601）的以所述调节轴（603）为转动中心进行角度转动；

所述调节轴（603）的另一端穿过设置在所述柱形管体（101）上的刻度盘。

5.根据权利要求4所述的一种微波流量计，其特征在于，所述收发一体探头组件（3）产生的波长为所述弧形贯穿导槽（108）的厚度的整倍数，且所述导波板（106）的厚度为所述收发一体探头组件（3）产生的平均波长的λ/2，或平均波长的整倍数。

6.根据权利要求5所述的一种微波流量计，其特征在于，所述收发一体探头组件（3）包括电性连接微波源体（2）的测量发射单元总成（301），套装在所述壳体（601）上的接收天线单元（302），所述接收天线单元（302）的轴线上安装有发射天线单元（303），所述测量发射单元总成（301）通过排线电性连接所述发射天线单元（303）和接收天线单元（302），且所述接收天线单元（302）的端部套装在所述弧形贯穿导槽（108）上，且所述弧形贯穿导槽（108）与所述导波板（106）滑动连接。

7.根据权利要求4所述的一种微波流量计，其特征在于，所述齿轮组件包括安装在所述壳体（601）上的固定齿轮（604），所述固定齿轮（604）的外圈与所述弧形贯穿导槽（108）上设置的齿条啮合，所述固定齿轮（604）的内壁设置有多个传动比齿轮（605），以及与所述传动比齿轮（605）啮合的太阳轮（606），所述调节轴（603）的一端固定连接在所述太阳轮（606）的中心，所述太阳轮（606）和所述固定齿轮（604）之间设置有减震垫圈（607）。

8.一种利用权利要求1-7任意一项所述的微波流量计的水流量测量方法，其特征在于，包括具体步骤：

S100、通过流体干涉管构建供流体介质表面稳定流动的检测场；

S200、以与流体干涉管的轴向呈一定的夹角向流体介质上施加微波信号，再通过收发一体探头组件和副相组件对流体介质响应微波信号产生的反射信号和散射信号进行采集；

S300、微波源体通过内置的信号计算模块根据流体介质对反射信号的实际频差和理论频差进行计算，同时通过计算对应发射信号的散射信号所包含的流体介质的频差分布对实际频差进行校准，以获得实时的微波源体的流速和流量。

Images