專利名稱：一種小通道流體流速流量測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及流速流量檢測技術，尤其涉及一種小通道流體流速流量測量裝置。
背景技術：
管道中的流體廣泛存在于食品制藥、石油化工、環境保護等行業部門的科研和生產過程中，流速與流量是工業生產中的重要過程參數。隨著新材料技術的進步，各種新工藝的應用和發展，工業器件以及設備逐步呈現出微型化、小型化的趨勢。雖然在工業生產過程中，常規管道的流量測量裝置或儀表的研究與應用已較為成熟，但對于毫米級管徑的小通道流量測量技術還十分匱乏，目前缺乏有效的測量手段。此外，在化工制藥等領域生產過程中，帶有懸浮物、固體顆粒等的導電性流體也較為常見，而現有的流速流量測量儀表主要針對介質單一和無雜質的均質流體，對上述這種非均質流體的流速流量測量一直沒有很好的解決辦法。因此，急需開發一種適用于小通道非均質流體流速流量測量的儀表。電容耦合式非接觸電導測量技術是一種新型的非接觸式電導測量技術。其電極不與流體直接接觸，有效地避免了傳統接觸式電導測量方法存在的電極極化和電化學腐蝕等問題。然而，目前該技術的研究與應用主要局限于分析化學等領域中毛細管或以下管徑溶液電導、離子濃度等的測量，在小通道非均質流體流速流量測量領域基本上屬于空白。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供一種穩定、可靠的小通道流體流
速流量測量裝置。小通道流體流速流量測量裝置包括絕緣管道、第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、第五電極、交流激勵源、調幅解調電路、數據采集模塊、微型計算機；絕緣管道外側順次設有第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、第五電極，第一電極與交流激勵源相連，第二電極、第三電極、第四電極分別與調幅解調電路相連，調幅解調電路、數據采集模塊、微型計算機順次相連，第五電極接地；由第一電極、第二電極、第三電極、第四電極和第五電極構成五電極非接觸式電導傳感器，第一電極作為激勵電極，第五電極為接地電極，第二電極、第三電極和第四電極為五電極非接觸式電導傳感器的輸出端，由絕緣管道、第二電極和第三電極構成上游電導傳感器，由絕緣管道、第三電極和第四電極構成下游電導傳感
ο所述的調幅解調電路為第二耦合電容一端、第二電阻一端與第一運算放大器的正向輸入端相連接，第一電阻的一端、第一電容的一端與第一運算放大器的反相輸入端相連接，第二電阻另一端、第一電容另一端、第三電阻的一端相連接，第三電阻的另一端接地， 第三耦合電容一端、第五電阻一端與第二運算放大器的正向輸入端相連接，第四電阻的一端、第二電容的一端與第二運算放大器的反相輸入端相連接，第五電阻另一端、第二電容另一端、第六電阻的一端相連接，第六電阻的另一端接地，第四耦合電容一端、第八電阻一端
3與第三運算放大器的正向輸入端相連接，第七電阻的一端、第三電容的一端與第三運算放大器的反相輸入端相連接，第八電阻另一端、第三電容另一端、第九電阻的一端相連接，第九電阻的另一端接地，第一運算放大器的輸出端、第一電阻的另一端與第一儀用放大器的正向輸入端相連接，第二運算放大器的輸出端、第四電阻的另一端與第一儀用放大器的反向輸入端、第二儀用放大器的正向輸入端相連接，第三運算放大器的輸出端、第七電阻的另一端與第二儀用放大器的反向輸入端相連接，第一儀用放大器的輸出端與第一乘法器的一個輸入端相連接，第二儀用放大器的輸出端與第二乘法器的一個輸入端相連接，交流激勵源與第一乘法器的另一個輸入端、第二乘法器的另一個輸入端相連接，第一乘法器的輸出端通過第十電阻與第四電容的一端、第十二電阻的一端、第四運算放大器的反向輸入端相連接，第四運算放大器的正向輸入端通過第十六電阻接地，第四運算放大器的輸出端通過第十四電阻與第六電容的一端相連接，第六電容的另一端接地，第二乘法器的輸出端通過第十一電阻與第五電容的一端、第十三電阻的一端、第五運算放大器的反向輸入端相連接， 第五運算放大器的正向輸入端通過第十七電阻接地，第五運算放大器的輸出端通過第十五電阻與第七電容的一端相連接，第七電容的另一端接地。本實用新型與現有技術相比具有有益效果1)測量方式為非侵入式，壓力損失小，不破壞管道內流體流場，電極不與管道中流體接觸，因此電極不受流體沖擊、腐蝕、極化作用，適用于小通道非均質流體流速流量測量；2)五電極非接觸式電導傳感器直接獲得反映管道內流體電導信息的微弱電壓信號，五電極的結構可以避免傳統電容耦合式非接觸電導測量技術中耦合電容的影響，提高傳感器的靈敏度；3)利用調幅解調電路實現了對微弱電壓信號的檢測，有效地抑制了電路噪聲，提高了輸出信號的信噪比。
圖1是流體流速流量測量裝置的結構示意圖；圖2是本實用新型的五電極非接觸式電導傳感器等效電路圖；圖3是本實用新型的調幅解調電路圖；圖中絕緣管道1、第一電極2、第二電極3、第三電極4、第四電極5、第五電極6、交流激勵源7、調幅解調電路8、數據采集模塊9、微型計算機10。
具體實施方式
如圖1所示，小通道流體流速流量測量裝置包括絕緣管道1、第一電極2、第二電極 3、第三電極4、第四電極5、第五電極6、交流激勵源7、調幅解調電路8、數據采集模塊9、微型計算機10 ；絕緣管道1外側順次設有第一電極2、第二電極3、第三電極4、第四電極5、第五電極6，第一電極2與交流激勵源7相連，第二電極3、第三電極4、第四電極5分別與調幅解調電路8相連，調幅解調電路8、數據采集模塊9、微型計算機10順次相連，第五電極6接地；由第一電極2、第二電極3、第三電極4、第四電極5和第五電極6構成五電極非接觸式電導傳感器，第一電極2作為激勵電極，第五電極6為接地電極，第二電極3、第三電極4和第四電極5為五電極非接觸式電導傳感器的輸出端，由絕緣管道1、第二電極3和第三電極 4構成上游電導傳感器，由絕緣管道1、第三電極4和第四電極5構成下游電導傳感器。利用該裝置和方法測量流體流速流量流程為交流激勵源輸出交流電壓信號，并施加到第一電極上，第五電極接地以構成交流通路，在第二電極、第三電極間和第三電極、 第四電極間分別得到兩組獨立的反映管內流體電導信息的電壓信號，經調幅解調電路和數據采集模塊傳送至微型計算機，利用互相關原理對所獲得的兩組電壓信號進行互相關運算，獲得被測流體的流速，并進而獲得流體的流量。如圖2所示，交流激勵源7與第一電極2、絕緣管道1和管道內流體形成的第一耦合電容Cxl —端相連接，第二電極3、絕緣管道1與管道內流體形成的第二耦合電容Cx2 —端接入第一電位輸出端V1，第三電極4、絕緣管道1與管道內流體形成的第三耦合電容Cx3 —端接入第二電位輸出端V2，第四電極5、絕緣管道1與管道內流體形成的第四耦合電容Cx4 — 端接入第三電位輸出端V3，第五電極6、絕緣管道1與管道內流體所形成的第五耦合電容Cx5 一端接地，第一耦合電容Cxl另一端與第二耦合電容Cx2另一端通過兩者之間第一流體等效電阻Rxl相連接，第二耦合電容Cx2另一端與第三耦合電容Cx3另一端通過兩者之間第二流體等效電阻Rx2相連接，第三耦合電容Cx3另一端與第四耦合電容Cx4另一端通過兩者之間第三流體等效電阻Rx3相連接，第四耦合電容Cx4另一端與第五耦合電容Cx5另一端通過兩者之間第四流體等效電阻Rx4相連接。如圖3所示，所述的調幅解調電路8為第二耦合電容Cx2 —端、第二電阻& 一端與第一運算放大器AJAD817)的正向輸入端相連接，第一電阻R1的一端、第一電容C1的一端與第一運算放大器AJAD817)的反相輸入端相連接，第二電阻&另一端、第一電容C1S 一端、第三電阻民的一端相連接，第三電阻民的另一端接地，第三耦合電容Cx3—端、第五電阻& 一端與第二運算放大！A2(AD817)的正向輸入端相連接，第四電阻&的一端、第二電容(2的一端與第二運算放大器A2(AD817)的反相輸入端相連接，第五電阻&另一端、第二電容C2另一端、第六電阻&的一端相連接，第六電阻&的另一端接地，第四耦合電容Cx4 — 端、第八電阻& 一端與第三運算放大！A3(AD817)的正向輸入端相連接，第七電阻R7的一端、第三電容C3的一端與第三運算放大器A3(AD817)的反相輸入端相連接，第八電阻&另一端、第三電容C3另一端、第九電阻&的一端相連接，第九電阻&的另一端接地，第一運算放大器AJAD817)的輸出端、第一電阻隊的另一端與第一儀用放大器Yl (INAlll)的正向輸入端相連接，第二運算放大器A2 (AD817)的輸出端、第四電阻R4的另一端與第一儀用放大器Y1(INAlll)的反向輸入端、第二儀用放大器I(INAlll)的正向輸入端相連接，第三運算放大！A3(AD817)的輸出端、第七電阻R7的另一端與第二儀用放大器Y2(INA111)的反向輸入端相連接，第一儀用放大器Yl (INAlll)的輸出端與第一乘法器禮仏0734)的一個輸入端相連接，第二儀用放大器Y2(INA111)的輸出端與第二乘法！M2(AD734)的一個輸入端相連接，交流激勵源7與第一乘法器M1 (AD734)的另一個輸入端、第二乘法器M2 (AD734)的另一個輸入端相連接，第一乘法器M1 (AD734)的輸出端通過第十電阻Rltl與第四電容C4的一端、第十二電阻R12的一端、第四運算放大器A4(AD817)的反向輸入端相連接，第四運算放大 !A4(AD817)的正向輸入端通過第十六電阻禮6接地，第四運算放大！A4(AD817)的輸出端通過第十四電阻R14與第六電容C6的一端相連接，第六電容C6的另一端接地，第二乘法器 M2(AD734)的輸出端通過第十一電阻R11與第五電容C5的一端、第十三電阻R13的一端、第五運算放大器A5(AD817)的反向輸入端相連接，第五運算放大器A5(AD817)的正向輸入端通過第十七電阻R17接地，第五運算放大器A5 (AD817)的輸出端通過第十五電阻R15與第七電容 C7的一端相連接，第七電容C7的另一端接地。小通道流體流速流量測量方法的步驟如下1)設置交流激勵源7的激勵頻率為f，輸出電壓為Uin，在該激勵信號作用下，五電極非接觸式電導傳感器形成一個交流通路，等效電路總阻抗
+ +^2+^3 +^4 +-rV ，第一電位輸出端V1的電位值 J^JcAJ2^Jcx5
ν _ Κχ2 +Κχ3 +ΚχΛ + Jlnfcx5 ,第二電位輸出端、的電位值廠_Κ、2πβχ5 , 1 ~Z2 _Z，
R , 1
第三電位輸出端V3的電位值r x4 JlKfcx5第二流體等效電阻Rx2兩端的電壓降
3 _ Z ，
Um=Vl-V2= ^-Um，第三流體等效電阻Rx3兩端的電壓降f/Q2 = F2 - F3 = f ，其中，第一
流體等效電阻I^xl為第一電極和第二電極間的流體的等效電阻，第二流體等效電阻Rx2為第二電極和第三電極間的流體的等效電阻，第三流體等效電阻民3為第三電極和第四電極間的流體的等效電阻，第四流體等效電阻Rx4為第四電極和第五電極間的流體的等效電阻，第一耦合電容Cxl為第一電極2、絕緣管道1和管道內流體形成的耦合電容，第二耦合電容Cx2 為第二電極3、絕緣管道1與管道內流體形成的耦合電容，第三耦合電容Cx3為第三電極4、 絕緣管道1與管道內流體形成的耦合電容，第四耦合電容Cx4為第四電極5、絕緣管道1與管道內流體形成的耦合電容，第五耦合電容Cx5為第五電極6、絕緣管道1與管道內流體所形成的耦合電容；2)調幅解調電路8由第一電位輸出端V1和第二電位輸出端V2獲得第二流體等效電阻Rx2兩端的電壓降U01，由第二電位輸出端V2和第三電位輸出端V3獲得第三流體等效電阻Rx3兩端的電壓降U02,并將其分別解調、放大，得到第一電壓U1和第二電壓U2 ；3)第一電壓U1、第二電壓U2由數據采集模塊采集到微型計算機中，采用如下公式
計算流速流量，先利用=0法，求出渡越時間τ。，通過v。p = L/
τ。計算出流體流速ν。ρ，并進而獲得流體流量Q = ν。ρΑ，其中，L為上游傳感器和下游傳感器間的間距，A為管道橫截面積。已利用非均質導電流體在水平玻璃管道上對本實用新型中所提及的裝置與方法進行了初步試驗，驗證了本實用新型的可行性，其中水平玻璃管道內徑為3. 90mm，外徑為 6. 20mm，試驗介質為水和牛奶的非均勻混合溶液。試驗結果表明利用本實用新型中所提及的裝置與方法，可以實現管道中流體的流速、流量測量，并可取得較好的測量結果。
權利要求1.一種小通道流體流速流量測量裝置，其特征在于包括絕緣管道(1)、第一電極(2)、 第二電極(3)、第三電極(4)、第四電極(5)、第五電極(6)、交流激勵源(7)、調幅解調電路 (8)、數據采集模塊(9)、微型計算機(10);絕緣管道(1)外側順次設有第一電極(2)、第二電極(3)、第三電極(4)、第四電極(5)、第五電極(6)，第一電極(2)與交流激勵源(7)相連，第二電極(3)、第三電極(4)、第四電極(5)分別與調幅解調電路(8)相連，調幅解調電路(8)、 數據采集模塊(9)、微型計算機(10)順次相連，第五電極(6)接地；由第一電極(2)、第二電極(3)、第三電極(4)、第四電極(5)和第五電極(6)構成五電極非接觸式電導傳感器，第一電極(2)作為激勵電極，第五電極(6)為接地電極，第二電極(3)、第三電極(4)和第四電極 (5)為五電極非接觸式電導傳感器的輸出端，由絕緣管道(1)、第二電極(3)和第三電極(4) 構成上游電導傳感器，由絕緣管道(1)、第三電極(4)和第四電極(5)構成下游電導傳感器。
2.根據權利要求1所述的一種小通道流體流速流量測量裝置，其特征在于所述的調幅解調電路(8)為第二耦合電容一端、第二電阻(慫)一端與第一運算放大器(為)的正向輸入端相連接，第一電阻(A)的一端、第一電容(G)的一端與第一運算放大器(為)的反相輸入端相連接，第二電阻(慫)另一端、第一電容(G)另一端、第三電阻(A)的一端相連接，第三電阻(A)的另一端接地，第三耦合電容(G,)—端、第五電阻(A)—端與第二運算放大器的正向輸入端相連接，第四電阻0 )的一端、第二電容(G)的一端與第二運算放大器的反相輸入端相連接，第五電阻(A)另一端、第二電容(G)另一端、第六電阻的一端相連接，第六電阻的另一端接地，第四耦合電容(Crf)—端、第八電阻0 ) —端與第三運算放大器的正向輸入端相連接，第七電阻OV)的一端、第三電容(G)的一端與第三運算放大器的反相輸入端相連接，第八電阻(A)另一端、第三電容(G)另一端、 第九電阻(慫)的一端相連接，第九電阻(慫)的另一端接地，第一運算放大器(Λ)的輸出端、 第一電阻(A)的另一端與第一儀用放大器的正向輸入端相連接，第二運算放大器(A) 的輸出端、第四電阻0 )的另一端與第一儀用放大器OP的反向輸入端、第二儀用放大器 (乙)的正向輸入端相連接，第三運算放大器的輸出端、第七電阻OV)的另一端與第二儀用放大器Op的反向輸入端相連接，第一儀用放大器的輸出端與第一乘法器(#,)的一個輸入端相連接，第二儀用放大器(IP的輸出端與第二乘法器(叢)的一個輸入端相連接， 交流激勵源(7)與第一乘法器(軋)的另一個輸入端、第二乘法器(見)的另一個輸入端相連接，第一乘法器(#7)的輸出端通過第十電阻0^)與第四電容(G)的一端、第十二電阻的一端、第四運算放大器(O的反向輸入端相連接，第四運算放大器的正向輸入端通過第十六電阻Uk)接地，第四運算放大器(O的輸出端通過第十四電阻0^)與第六電容 (G)的一端相連接，第六電容(G)的另一端接地，第二乘法器(尾)的輸出端通過第十一電阻(Mn)與第五電容(Q)的一端、第十三電阻U、)的一端、第五運算放大器(A)的反向輸入端相連接，第五運算放大器(A)的正向輸入端通過第十七電阻(A7)接地，第五運算放大器(A)的輸出端通過第十五電阻O^)與第七電容(G)的一端相連接，第七電容(G)的另一端接地。
專利摘要本實用新型公開了一種小通道流體流速流量測量裝置。包括交流激勵源、絕緣管道、五電極非接觸式電導傳感器、調幅解調電路、數據采集模塊以及微型計算機。五電極非接觸電導傳感器的第一電極作為激勵電極，第五電極為接地電極以構成交流通路。在第一電極上施加交流電壓信號，在第二電極、第三電極間和第三電極、第四電極間分別獲得兩組獨立地反映管內流體電導信息的電壓信號，經調幅解調電路和數據采集模塊傳送至微型計算機，利用互相關原理對所獲得的兩組電壓信號進行互相關運算，獲得被測流體的流速，并進而獲得流體的流量。本實用新型的裝置為非接觸式，對管內流體流動無影響，壓力損失小，為解決小通道內非均質流體的流速流量測量提供了有益手段。
文檔編號G01P5/22GK202204828SQ201120334308
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月7日 優先權日2011年9月7日
發明者冀海峰, 李海青, 王保良, 高學敏, 黃志堯 申請人:浙江大學