一种非满管流液体流动速度测量装置及其测量方法

1.本发明属于液体流动速度测量技术领域，涉及一种非满管流液体流动速度测量装置，本发明还涉及一种非满管流液体流动速度测量方法。


背景技术：

2.液体流速的测量在日常生活和工业控制中广泛存在，如自来水厂流速与流量的控制，石油井下注水系统对注水量和流速的精确测量等。近年来，小型化工业设备中液体流动参数的测量备受关注。由于小型化设备中管道内径的变小，水的表面张力作用会变的更为突出，因此在常规管径下得到的一些理论将不再适用于小通道内流体的检测。
3.目前在小通道液体流速测量领域常用的检测手段主要有超声法、高速摄影法和电导测量法等。其中前两种方法相比于电导测量法而言，不仅对检测环境有特殊要求，而且成本较高，在实际工业中的应用较为困难。电导测量法装置简单且成本低，在液体流速测量领域中的应用较为常见。然而传统的电导测量方法多为接触式电导检测，电极与被测溶液直接接触，容易造成电极极化和电化学腐蚀等问题。
4.电容耦合非接触电导检测(capacitively coupled contactless conductivity detection,c4d)方法是一种新型非接触式测量技术，由于其检测电极不与被测液体直接接触，可以有效克服传统接触式电导检测中存在的问题。目前将该技术应用于流速测量的研究也仅局限于采用互相关的方法实现，这不仅对传感器的结构有特殊要求，而且就互相关方法本身而言，要求上下游信号具有一致性，从而使该方法对液体流动状态的稳定性有较高要求。而对于非满管流，液体在流动过程中形态不断发生改变，输出的电信号也随之变动，难以保证上下游输出信号的一致性，液体流速的测量就难以实现。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种非满管流液体流动速度测量装置，将电容耦合非接触电导测量技术与空间滤波测速方法相结合，解决了现有技术中存在的非满管液体流动速度难以测量的问题。
6.本发明的另一目的是提供一种非满管流液体流动速度测量方法。
7.本发明所采用的技术方案是，一种非满管流液体流动速度测量装置，包括在绝缘管道外壁安装的激励电极和检测电极，激励电极通过导线连接有信号发生器，检测电极通过导线依次连接有色环电感、信号处理电路、数据采集卡及计算机。
8.优选地，信号处理电路包括依次通过导线连接的流压转换电路、全波整流电路、低通滤波电路，色环电感和数据采集卡分别连接流压转换电路和低通滤波电路。
9.本发明采用的另一种技术方案是，一种非满管流液体流动速度测量方法，采用上述一种非满管流液体流动速度测量装置，具体为：
10.信号发生器输出一定频率的交流电压施加在激励电极上，此时，激励电极和检测电极以及之间的导电溶液形成一条交流通路，检测电极上输出含有溶液电导信息的交流电
信号并与色环电感串联，利用电感的感抗抵消耦合电容的容抗，消除耦合电容的影响，然后交流电流信号经过流压转换电路、全波整流电路、低通滤波电路之后输出便于采集的直流电压信号，由数据采集卡采集并传输到计算机进行数据处理，计算机对输出的电压信号进行去除趋势项处理，消除测量环境的干扰，并对处理后的电压信号进行傅里叶变换得到其频谱图，通过频谱图获取信号的频率fi和幅值hi，然后根据信号的频率fi和幅值hi计算等效峰值频率，再根据液体流动速度与等效峰值频率的数学表达式计算出液体的流速。
11.优选地，信号发生器输出电压的频率为谐振频率。
12.优选地，等效峰值频率按照如下公式计算：
[0013][0014]
其中：fe为等效峰值频率，fi为通过频谱图获取信号的频率fi，hi为频率fi所对应的幅值，i为频谱分析中的点数。
[0015]
优选地，液体流动速度与等效峰值频率的数学表达式按照如下公式计算：
[0016]
v＝kfeꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]
其中，k是速度测量中的无量纲校正系数，由实验标定，v为液体流动速度。
[0018]
本发明的有益效果是：
[0019]
(1)本发明采用空间滤波测速的方法，使得电容耦合非接触式电导检测技术可以实现非满管状态下液体流动速度的测量；
[0020]
(2)本发明测量方式为非接触式，可有效避免电极极化、腐蚀等问题，延长了电极的寿命，同时提高了测量精度；
[0021]
(3)本发明使用两环形电极结构的传感器即可实现：结构简单、体积小、成本低，在复杂工业环境中更方便应用。
附图说明
[0022]
图1是本发明一种非满管流液体流动速度测量装置的结构示意图；
[0023]
图2是本发明一种非满管流液体流动速度测量装置中电容耦合非接触式电导检测传感器刨面图；
[0024]
图3是本发明一种非满管流液体流动速度测量装置中电容耦合非接触式电导检测传感器的空间灵敏度分布特性图；
[0025]
图4是本发明检测电极输出电压信号的频谱图；
[0026]
图5是本发明参考速度与等效峰值频率之间的关系图。
[0027]
图中，1.绝缘管道，2.激励电极，3.检测电极，4.信号发生器，5.色环电感，6.信号处理电路，6-1.流压转换电路，6-2.全波整流电路，6-3.低通滤波电路，7.数据采集卡，8.计算机。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0029]
本发明的一种非满管流液体流动速度测量装置，其结构如图1所示，包括在绝缘管道1外壁安装的激励电极2和检测电极3，激励电极2通过导线连接有信号发生器4，检测电极3通过导线依次连接有色环电感5、信号处理电路6、数据采集卡7及计算机8。
[0030]
优选地，信号处理电路6包括依次通过导线连接的流压转换电路6-1、全波整流电路6-2、低通滤波电路6-3，色环电感5和数据采集卡7分别连接流压转换电路6-1和低通滤波电路6-3。
[0031]
本发明采用的另一种技术方案是，一种非满管流液体流动速度测量方法，采用上述一种非满管流液体流动速度测量装置，具体为：
[0032]
信号发生器4输出一定频率的交流电压施加在激励电极2上，此时，激励电极2和检测电极3以及之间的导电溶液形成一条交流通路，检测电极3上输出含有溶液电导信息的交流电信号并与色环电感5串联，利用电感的感抗抵消耦合电容的容抗，消除耦合电容的影响，然后交流电流信号经过流压转换电路6-1、全波整流电路6-2、低通滤波电路6-3之后输出便于采集的直流电压信号，由数据采集卡7采集并传输到计算机8进行数据处理，计算机8对输出的电压信号进行去除趋势项处理，消除测量环境的干扰，并对处理后的电压信号进行傅里叶变换得到其频谱图，如图4所示，为一组输出电压信号的频谱图，通过频谱图获取信号的频率fi和幅值hi，然后根据信号的频率fi和幅值hi计算等效峰值频率，再根据液体流动速度与等效峰值频率的数学表达式计算出液体的流速。
[0033]
优选地，信号发生器(4)输出电压的频率为谐振频率。
[0034]
优选地，等效峰值频率按照如下公式计算：
[0035][0036]
其中：fe为等效峰值频率，fi为通过频谱图获取信号的频率fi，hi为频率fi所对应的幅值，i为频谱分析中的点数。
[0037]
优选地，液体流动速度与等效峰值频率的数学表达式按照如下公式计算：
[0038]
v＝kfeꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0039]
其中，k是速度测量中的无量纲校正系数，由实验标定，v为液体流动速度。
[0040]
如图2所示，w1、w2分别为采用的激励电极2和检测电极3的宽度，以及两电极之间的距离dw，r1、r2分别为绝缘管道1的内径和外径，其中w1＝w2＝dw＝20mm，r1＝14mm，r2＝16mm，激励电极2和检测电极3均为环形结构，安装在绝缘管道1外壁。
[0041]
以绝缘管道、激励电极和检测电极构成电容耦合非接触式电导检测传感器。
[0042]
如图3所示，液体流经传感器发生波动时，传感器的轴向空间灵敏度分布近似于高斯脉冲函数分布，在传感器中心位置处达到峰值，图中r表示液体波动相对于传感器中心的位置距离。
[0043]
图5为实验中得到的等效峰值频率与速度之间的关系，为准确验证速度和等效峰
值频率之间的关系，通过上述装置对四组不同速度下的液体进行实验，并进行拟合分析，可以看出参考速度和等效峰值频率呈现良好的线性关系，该实验结果与理论部分获取的速度计算式(2)相吻合。图中线条为等效峰值频率与速度拟合的直线，黑点代表不同速度下对应的等效峰值频率。
[0044]
本发明通过重力输送平台对自来水流动速度进行了实验测量，利用本发明提出的方法对液体速度范围1.39-2.35m/s的情况进行了测试，获得了连续重复测量的绝对误差小于5％的良好效果，实现了非满贯状态的下液体流动速度的测量。