專利名稱：小管徑小流量流體的多參數(shù)測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體的測量裝置和方法，特別是一種小管徑小流量流體的多參數(shù)測量裝置和方法。
(二)技術(shù)背景現(xiàn)代工業(yè)，如化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)工藝監(jiān)控中，經(jīng)常需要對流體的質(zhì)量流量、體積流量、密度等多種參數(shù)進行測量。對于小管徑、小流量流體參數(shù)測量，是流量測量中的難點。雖然渦輪式、浮子式、電磁式或熱線式等流量計可用于小流量測量，但因這類流量計是采用機械部件測量通過儀表的流體的動力效應(yīng)，或利用流動壓差進行測量的連通管或薄膜、活塞等專用設(shè)備，不僅制作及安裝均要求嚴格，其測量精度受到限制，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求。如中國專利申請98206185“微小流量測量裝置”，為改進的文丘利管裝置，同時形成前取壓環(huán)室和喉部取壓環(huán)室及連通喉部流道的窄縫。雖然該裝置可適應(yīng)于高溫高壓下小小流量的測量，但也與現(xiàn)有的多數(shù)流體測量儀表及所采用的測量方法相同，其測量結(jié)果與流體的密度、粘度等狀態(tài)密切相關(guān)，其流體狀態(tài)的改變將極大影響測量結(jié)果，這就難以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程中的復(fù)雜多變的各種情況。
超聲波流量計可以實現(xiàn)檢測裝置與被測流體非接觸測量，使用方便，適應(yīng)面廣，不受流體狀態(tài)影響。但用于小管徑小流量流體超聲波流量計，價格昂貴。而且因管徑小，超聲波發(fā)射換能器與接受換能器的安裝困難，小管徑中產(chǎn)生的雜波干擾較大。由于管徑小而產(chǎn)生聲速溫漂，也導(dǎo)致測量不準(zhǔn)，必須再增加補償或修正電路。中國專利申請88220240“小管徑超聲波流量計”設(shè)計增加集成電路構(gòu)成的時間濾波電路和數(shù)字延時電路配合鎖相環(huán)電路，以克服雜波干擾與聲速溫漂的問題。但小管徑小流量流體測量的準(zhǔn)確性仍達不到要求，而且裝置更復(fù)雜，從而更加昂貴。
另外，現(xiàn)有的流量測量裝置和方法所得的測量參數(shù)單一，若要同時測量多種參數(shù)，必須增加傳感器，勢必又進一步提高成本。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是設(shè)計一種新型的測量小管徑小流量流體的結(jié)構(gòu)簡單的測量裝置，其測量原理不同于現(xiàn)有的測量方法。
該測量方法是通過其裝置將測量流體轉(zhuǎn)換為液位，同時完成對密度的檢測，實現(xiàn)流體體積流量，質(zhì)量流量的測量。本測量結(jié)果與流體的除密度外的其它狀態(tài)無關(guān)，并實現(xiàn)對小管徑小流量流體的多參數(shù)動態(tài)測量。
本發(fā)明設(shè)計的小管徑小流量流體的多參數(shù)測量裝置包括測量管、壓力傳感器、采樣卡和計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。豎直的測量管管徑大于擬測流體管的管徑，在測量管管壁上安裝有上下兩個壓力傳感器A、B，測量管下部有出口管，出口管上安裝有閥門。擬測流體管從測量管頂部接入，從下方出口管接出。壓力傳感器A、B與采樣卡連接，采樣卡與計算機相連接。
本發(fā)明設(shè)計的小管徑小流量流體的多參數(shù)測量方法包括如下步驟①擬測流體管從本裝置測量管頂端接入、從出口管接出；②調(diào)節(jié)出口閥門，使擬測流體充入測量管，液面高度大于上壓力傳感器的高度，(H(t)＞H0)，出口閥門維持此時的開啟角度；③上下壓力傳感器測量即時的壓力值；④采樣卡將壓力傳感器測得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入計算機；⑤計算機對檢測結(jié)果處理，包括多傳感器數(shù)據(jù)融合、SVM處理，得到流體密度、質(zhì)量流量、體積流量的測量結(jié)果。
本發(fā)明小管徑小流量流體的多參數(shù)測量裝置的優(yōu)點為1、實現(xiàn)了小管徑小流量流體的密度、體積流量、質(zhì)量流量多參數(shù)的動態(tài)即時測量；2、適用于5～30毫米小管徑、流量0～10升/分鐘小流量的流體測量，且對于管道內(nèi)的流體是否滿管無要求；3、采用固態(tài)壓力傳感器，測量裝置中的指示部件無運動零件，測量精度高，響應(yīng)快，無磨損；4、流體的粘度、密度等狀態(tài)對測量結(jié)果沒有影響；5、結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本低廉。
本發(fā)明小管徑小流量流體的多參數(shù)測量方法的優(yōu)點為1、實現(xiàn)了小管徑小流量流體的密度、體積流量、質(zhì)量流量多參數(shù)的動態(tài)即時測量；2、對流量為間接測量，測量結(jié)果不受粘度等流體狀態(tài)的影響，對流體是否充滿管也無嚴格要求；3、采用了小波變換濾波處理，消除干擾，提高測量精度；4、SVM技術(shù)處理可同時得到密度、體積流量、質(zhì)量流量等流體主要參數(shù)；5、具有在線自適應(yīng)校正功能，保證測量的準(zhǔn)確度；6、檢測結(jié)果可在屏幕顯示，也可輸出文本結(jié)果或動態(tài)變化的曲線圖；7、檢測結(jié)果處理程序可方便地嵌入控制軟件中，具有可擴展性、移植性。


圖1為本發(fā)明小管徑小流量流體的多參數(shù)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明小管徑小流量流體的多參數(shù)測量方法流程框圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計的小管徑小流量流體的多參數(shù)測量裝置包括測量管2、壓力傳感器5、8、采樣卡6和計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7。豎直的測量管2管壁上安裝有上壓力傳感器A9、下壓力傳感器B5，測量管2下部有出口管3，出口管3上安裝有閥門4。出口管3的高度等于下壓力傳感器B5的高度，即二者的中心線在同一水平面上。上壓力傳感器A9、下壓力傳感器B5與采樣卡6連接，采樣卡6與計算機7相連接。擬測流體管1從測量管2頂部接入從下方出口管3接出。
上壓力傳感器A9、下壓力傳感器B5為固態(tài)傳感器。
上壓力傳感器A9、下壓力傳感器B5之間的高度差為H0，上壓力傳感器A9與測量管2頂端的高度差為H1。H1等于H0的1/4～1。在流量波動時，測量管2上部有足夠空間，允許測量管2內(nèi)的所測流體液面上下波動。
在測量的開始根據(jù)流量的大小，決定閥門的開度。待測量管2內(nèi)的待測流體液面高度H(t)維持基本穩(wěn)定于大于上壓力傳感器A9高度后，閥門4開度保持不變，測量過程中也不再變。
如圖2所示，本發(fā)明設(shè)計的小管徑小流量流體的多參數(shù)測量方法包括如下步驟①擬測流體管1從本裝置測量管2頂端接入、從出口管3接出；②調(diào)節(jié)出口閥門4，擬測流體充入測量管2，當(dāng)擬測流體液面高度H(t)在高于上壓力傳感器A9高度的某點上下浮動時，出口閥門4維持此時的開度；③上壓力傳感器A9、下壓力傳感器B5測量即時的該點壓力值，測量所得結(jié)果信號送入采樣卡6；④采樣卡6將壓力傳感器A9、B5測得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入計算機7；
⑤計算機7對檢測結(jié)果處理，包括多傳感器數(shù)據(jù)融合、SVM處理，得到流體密度、質(zhì)量流量、體積流量測量結(jié)果；⑥計算機與顯示器或打印機8相連接，檢測結(jié)果可在屏幕顯示，或在打印機輸出。
對于不同的流量只要調(diào)節(jié)出口閥門4，使之出口管徑不同，即可使在測量管2中的流體液面保持一定的高度H(t)＞H0。
P1(t)、P2(t)分別為壓力傳感器A9、B5所測得的即時壓力值。即時密度ρ與測量管2內(nèi)流體的量即液面高度H之間有函數(shù)的關(guān)系ρgH0＝P1(t)-P2(t)(1)式中g(shù)為萬有引力常數(shù)由上式(1)求得待測流體即時密度ρ=P2(t)-P1(t)gH0---(2)]]>即流體即時密度ρ可根據(jù)壓力傳感器A9、B5所測得的即時壓力值P1(t)、P2(t)計算得出。流體即時體積流量Q與即時壓力P之間存在一定的關(guān)系Q＝f(p1，p2，p3……)＝f(P)，其中P為向量；因此可通過測量壓力來計算流量。由質(zhì)量守衡定律可知Qin(t)-Qout(t)=SdH(t)dt---(3)]]>式中Qin(t)為待測流體的即時體積流量，即流入測量管2的即時流量；Qout(t)為出口管3即時體積流量；H(t)為液面高度；S為測量管2管內(nèi)橫截面積；由式(3)可得Qin(t)=Qout(t)+SdH(t)dt---(4)]]>Qout(t)由H(t)、閥門開度的大小α、待測流體的密度ρ決定。當(dāng)某種流體確定后其密度ρ基本確定，液面基本穩(wěn)定后α也基本確定，Qout(t)主要取決于H(t)。由實驗和計算可得Qout(t)=KH(t)---(5)]]>式中K為本裝置儀表系數(shù)，為動態(tài)變化值，通過智能計算可得。由式(4)和(5)可得Qin(t)=KH(t)+SdH(t)dt---(6)]]>而P(t)＝ρgH(t) (7)故可得Qin(t)=KP(t)ρg+SρgdP(t)dt---(8)]]>即待測流體的即時體積流量Qin(t)根據(jù)壓力傳感器A9、B5所測得的即時壓力值P1(t)、P2(t)和測量管內(nèi)管截面積S、儀表系數(shù)K及即時流體密度ρ計算得出。
待測流體的即時質(zhì)量流量Q’in(t)為其即時體積流量Qin(t)與密度ρ的乘積，易計算。
測量過程中，擬測流體液面高度在高于上壓力傳感器A9高度的某點上下浮動，流入測量管2的流體對擬測流體液面的沖擊，對上壓力傳感器A9、下壓力傳感器B5的測量值有一定影響，采用小波變換濾波處理的方法，對壓力信號進行動態(tài)處理，消除干擾影響，實現(xiàn)對裝置參數(shù)的在線識別和修正，提高了測量精度，也降低了對裝置結(jié)構(gòu)與安裝的要求。
檢測結(jié)果可在與計算機7相連接的顯示器或打印機8上屏幕顯示或打印，也可輸出不同的表格、文本結(jié)果或動態(tài)變化的曲線圖；檢測結(jié)果處理程序可方便地嵌入控制軟件中，具有可擴展性、移植性。
權(quán)利要求
1 一種小管徑小流量流體的多參數(shù)測量裝置，其特征為包括測量管(2)、上壓力傳感器A(9)、下壓力傳感器B(5)、采樣卡(6)和計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7)；豎直的測量管(2)管壁上安裝有上壓力傳感器A(9)、下壓力傳感器B(5)，測量管(2)下部有出口管(3)，出口管(3)上安裝有閥門(4)；出口管(3)的高度等于下壓力傳感器B(5)的高度；上壓力傳感器A(9)、下壓力傳感器B(5)與采樣卡(6)連接，采樣卡(6)與計算機(7)相連接；擬測流體管(1)從測量管(2)頂部接入，從下方出口管(3)接出。
2 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小管徑小流量流體的多參數(shù)測量裝置，其特征為上壓力傳感器A(9)、下壓力傳感器B(5)為固態(tài)傳感器。
3 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的小管徑小流量流體的多參數(shù)測量裝置，其特征為上壓力傳感器A(9)、下壓力傳感器B(5)之間的高度差為H0，上壓力傳感器A(9)與測量管(2)頂端的高度差為H1；H1等于H0的1/4～1。
4 一種小管徑小流量流體的多參數(shù)測量方法，采用權(quán)利要求1至3中任一項所述的裝置，其特征為包括如下步驟①擬測流體管(1)從本裝置測量管(2)頂端接入、從出口管(3)接出；②調(diào)節(jié)出口閥門(4)，擬測流體充入測量管(2)，當(dāng)擬測流體液面H(t)高度在高于上壓力傳感器A(9)高度的某點上下浮動時，出口閥門(4)維持此時的開度；②上壓力傳感器A(9)、下壓力傳感器B(5)測量即時的該點壓力值，測量所得結(jié)果信號送入采樣卡(6)；③采樣卡(6)將壓力傳感器A(9)、B(5)測得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入計算機(7)；④計算機(7)對檢測結(jié)果處理，包括多傳感器數(shù)據(jù)融合、SVM處理，得到流體密度、質(zhì)量流量、體積流量測量結(jié)果。
5 如權(quán)利要求4所述的小管徑小流量流體的多參數(shù)測量方法，其特征為即時流體密度ρ根據(jù)壓力傳感器A(9)、B(5)所測得的即時壓力值P1(t)、P2(t)計算得出，ρ=P2(t)-P1(t)gH0]]>式中g(shù)為萬有引力常數(shù)。
6 如權(quán)利要求4或5所述的小管徑小流量流體的多參數(shù)測量方法，其特征為待測流體的即時體積流量Qin(t)根據(jù)壓力傳感器A(9)、B(5)所測得的即時壓力值P1(t)、P2(t)和測量管(2)內(nèi)管載面積S、儀表系數(shù)K及流體密度計算得出，Qin(t)=KP(t)ρg+SρgdP(t)dt]]>
7 如權(quán)利要求4～6中任一項所述的小管徑小流量流體的多參數(shù)測量方法，其特征為采用小波變換的方法，對壓力信號進行動態(tài)處理，消除干擾影響。
8 如權(quán)利要求4～7中任一項所述的小管徑小流量流體的多參數(shù)測量方法，其特征為計算機(7)與顯示器或打印機(8)相連接，檢測結(jié)果可在屏幕顯示，或在打印機輸出。
全文摘要
本裝置豎直的測量管管壁上安裝有上下兩個壓力傳感器，測量管下部有帶閥門的出口管。壓力傳感器A、B與采樣卡、計算機連接。擬測流體從測量管頂部接入，出口管接出。本法先使擬測流體充入測量管，液面高度大于上壓力傳感器的高度，調(diào)節(jié)閥門，保持流體進出量基本平衡，閥門維持此開度；上下壓力傳感器測量即時的壓力值；經(jīng)采樣卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入計算機；得到結(jié)果。實現(xiàn)了質(zhì)量流量、體積流量、密度多參數(shù)的動態(tài)即時測量；適用于小管徑、小流量的流體測量，且對流體是否滿管無要求；固態(tài)壓力傳感器測量精度高，響應(yīng)快，無磨損；間接測量，不受流體狀態(tài)影響；小波變換濾波處理，消除干擾，提高精度，結(jié)構(gòu)簡單，成本低；具有可擴展性、移植性。
文檔編號G01N9/00GK1527030SQ0313588
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者譚永紅, 陳輝, 黨選舉 申請人:桂林電子工業(yè)學(xué)院