專利名稱：一種導(dǎo)電流體密度的測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電流體密度的測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
流場中流體的密度通常通過一定的狀態(tài)方法去確定，但是，對于導(dǎo)電流體，由于其密度一般隨電介質(zhì)的濃度而連續(xù)變化，而電介質(zhì)的濃度和電導(dǎo)率是一一對應(yīng)的，因此可通過電導(dǎo)率的測量去測量導(dǎo)電流體密度，但目前還沒有相關(guān)報道。
電導(dǎo)率一般可以采用傳統(tǒng)的電橋方法來測量，但因為電橋調(diào)節(jié)起來很費時，該方法并不適用于電導(dǎo)率迅速變化的流場中。Johnson和Enke(1 970)發(fā)明了一種交變脈沖電壓技術(shù)[Johnson，D.E.，and Enke，C.G.，“Bipolar Pulse Technique for Fast Conductance Measurements，”AnalyticChemistry，Vol.42，No.3，1970.]，可以用來迅速測量均勻電介質(zhì)溶液的電導(dǎo)率。Daum和Nelson(1973)在此基礎(chǔ)上進一步發(fā)展出了交變脈沖電流技術(shù)[Daum，P.H.and Nelson，D.F.，“Bipolar Current Method forDetermination of Solution Resistance，”Analytic Chemistry，Vol.45，No.3，1973.]，主要用來快速測量高濃度均勻電介質(zhì)溶液的電導(dǎo)率。兩種方法分別采用了在電介質(zhì)溶液中通過等強度交變脈沖電壓或電流的辦法，通過分析證明，電極之間的電阻正比于電極響應(yīng)電壓經(jīng)整流后再積分的信號強度，因此可以用來測量溶液的電導(dǎo)率。由于所采用的脈沖信號寬度很窄，一般是10微秒量級，上述方法可以快速測得均勻流體的電導(dǎo)率。但是，對于非均勻電導(dǎo)率的流場，由于電極之間的電阻是一個積分量，交變脈沖電流技術(shù)給出的信號將包括周圍流體濃度的影響，而且影響很大，因此無法對非均勻流場的密度進行定點測量。這一問題在迅速變化的流場中更為嚴(yán)重，因而實際上并不能實際使用。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種導(dǎo)電流體密度的測量裝置，該裝置可以對非定常流場中流體的電導(dǎo)率進行定點測量。
進一步地，本發(fā)明的目的在于提供一種采用上述裝置的導(dǎo)電流體密度的測量方法。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明一種導(dǎo)電流體密度的測量裝置包括探針和控制電路，所述探針包括一根絕緣管和兩根電極，所述兩根電極距離所述絕緣管一端適當(dāng)距離并排橫向插入該絕緣管，并與所述控制電路相連，所述絕緣管的另一端與參考壓力相連，通過調(diào)節(jié)參考壓力以使經(jīng)過電極的溶液流動速度與當(dāng)?shù)亓鲃铀俣认喈?dāng)；所述控制電路包括交變電流源、電極控制電路、整流電路、積分電路和信號鎖定電路，交變電流源對所述電極進行充電，電極控制電路將所述電極采集的信號依次經(jīng)整流電路、積分電路和信號鎖定電路，最后輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理。
進一步地，還包括一由光電耦合元件組成的隔離電路，所述信號鎖定電路輸出的電信號經(jīng)過該隔離電路后再輸入到計算機內(nèi)。
進一步地，所述光電耦合元件的型號為4N25。
進一步地，所述電極為鉑絲。
本發(fā)明一種導(dǎo)電流體密度的測量方法是采用所述導(dǎo)電流體密度測量裝置先對待測溶液進行數(shù)據(jù)標(biāo)定，獲得輸出電壓和溶液密度的對應(yīng)變化曲線，然后采用所述導(dǎo)電流體密度測量裝置在實際測量中將得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)進行對比，從而獲得密度分布。
本發(fā)明能夠迅速和準(zhǔn)確地測量導(dǎo)電流體的密度分布及其瞬時脈動信息，包括脈動強度和頻率，可以應(yīng)用于導(dǎo)電流體的湍流研究。


圖1為本發(fā)明導(dǎo)電流體密度的測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明探針結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明控制電路圖和控制信號；圖4為本發(fā)明對NaCl溶液的標(biāo)定曲線；圖5為本發(fā)明測的水洞中NaCl密度沿水洞高度方向的掃描曲線。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明導(dǎo)電流體密度的測量裝置包括探針、控制電路、探針依次連接控制電路、由型號為4N25的光電耦合元件組成的隔離電路和計算機。為了有效地隔離周圍流體對測量的影響，本發(fā)明設(shè)計了特殊的采樣探針，如圖2所示。探針采用外徑為1.6mm的絕緣(塑料和玻璃)細(xì)管2制成，頭部通過拉伸外徑收縮至1.0mm左右，其目的是為了便于固定，而內(nèi)徑約為0.5mm。電極1采用兩根直徑為0.13mm的鉑絲，橫向插入頭部細(xì)管，間距約為12.7mm，其中第一根鉑絲和探針頭部的距離約為3.2mm。電極1引出導(dǎo)線3通過焊接和鉑絲相連，并用膠水固定在探針表面。為了避免短路，所有導(dǎo)線和接口均采用硅橡膠密封絕緣。探針和參考壓力相連，流經(jīng)取樣電極1。參考壓力連續(xù)可調(diào)，以使采樣管中的流動速度和與當(dāng)?shù)亓鲃拥乃俣认喈?dāng)，從而可以對導(dǎo)電流體的瞬時密度進行連續(xù)采樣。由于取樣后的流體排出流場外，電極1電流被局限在兩電極1之間，有效地隔離了周圍流體對電極1之間電阻的影響，因而可以對非定常流場中流體的電導(dǎo)率進行定點測量。
探針的控制電路和相應(yīng)的開關(guān)信號G、H、J和K如圖3所示?；驹砗虳aum和Nelson設(shè)計的類似，但由于采用計算機自動生成開關(guān)信號和進行數(shù)據(jù)采集而大為簡化。圖2中，控制電路依次由交變電流源4、電極控制電路5、整流電路6、積分電路7以及信號鎖定電路8五部分組成，交變電流源4對電極1進行充電，電極控制電路5將電極1采集的信號依次經(jīng)整流電路6、積分電路7和信號鎖定電路8，最后通過隔離電路輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理。信號J的下降沿觸發(fā)采樣過程，而信號K的下降沿鎖定輸出信號并觸發(fā)計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對電極1的充電過程分成相等的兩階段，由信號G和H控制，分別對應(yīng)于通過正向和反向電流。實際測量時，信號J，K的脈沖寬度設(shè)置為20微秒，而G和H的脈沖寬度為其一半，即10微秒。節(jié)點A的輸出信號對應(yīng)交變電流源信號，B對應(yīng)探針電極響應(yīng)，C代表整流后的信號，如圖2所示。為了防止電極1通過導(dǎo)電流體或計算機線路接地而產(chǎn)生旁路，引起很大的測量誤差，控制電路采用電池驅(qū)動，并且在信號進入計算機前通過一個由光電耦合元件(4N25)組成的隔離電路進行隔離。
圖4給出了密度探針系統(tǒng)針對給定濃度NaCl溶液的標(biāo)定數(shù)據(jù)。通過多項式擬合，可以得到一條不同輸出電壓所對應(yīng)的溶液密度曲線。從圖中可知，系統(tǒng)的輸出電壓可以和溶液的密度很好地對應(yīng)起來，而且在低密度時，系統(tǒng)有很高的分辨率(單位密度變化產(chǎn)生的電壓變化)，但是，系統(tǒng)的響應(yīng)是非線性的，隨著密度的增加，系統(tǒng)的分辨率將降低。這一問題可以通過分區(qū)的辦法來解決，也即，針對不同的密度區(qū)間，采用不同的脈沖電流強度去驅(qū)動探針電極。具體實驗時，流體的密度可以通過系統(tǒng)的輸出電壓以及標(biāo)定曲線圖3來得到。
整個系統(tǒng)在水洞中進行了測試。水洞試驗段橫截面為12.7mm×203.2mm，流動速度約0.7m/s。流場中在測量點上游101.6mm處注射濃度為4M的NaCl溶液，注射流量約為主流流量的2.2％。探針采用步進電機驅(qū)動，在高度方向每秒種移動100次，每次上升0.025mm。圖5給出了一個測量得到的密度分布實例。測量曲線不僅給出了密度的平均分布，也給出了密度的脈動信息。從圖中可以估計，密度在y方向，即水洞試驗段高度上，脈動的特征長度約為0.01h，約0.13mm，相當(dāng)于探針移動約5步，間隔0.05秒，因此流體密度的脈動頻率約為20hz。考慮到流動速度約0.7m/s，流動特征長度約為試驗段高度的一半即6.4mm，流動的特征時間約為20hz。另外對于探針本身，由于兩個電極間距約為12.7mm，采樣管道中的流動速度u和主流相當(dāng)，約0.5m/s，則探針?biāo)芴綔y到的最高頻率約為40hz，完全可以滿足本實例中的測量要求。
兩根電極之間的間距可以根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)節(jié)。首先，對于非均勻流動，電極間距必須足夠短，一般應(yīng)小于流動在取樣方向上的特征長度，以保證足夠的空間分辨率。而由于采用了和流動速度相當(dāng)?shù)娜铀俣龋?dāng)電極距離小于流動特征長度時，電極的采樣響應(yīng)頻率將高于流動的特征頻率；其次，電極間距必須足夠長，以使電極間流體的電阻足夠大，能夠通過交變脈沖電流技術(shù)檢測出來。對于很小的間距，可以通過縮小采樣管的口徑來增加電阻值。本發(fā)明基于上述原則設(shè)計的探針，經(jīng)過實驗驗證，能夠迅速和準(zhǔn)確地測量導(dǎo)電流體的密度分布及其瞬時脈動信息，包括脈動強度和頻率，可以應(yīng)用于導(dǎo)電流體的湍流研究。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電流體密度的測量裝置，其特征在于，包括探針和控制電路，所述探針包括一根絕緣管和兩根電極，所述兩根電極距離所述絕緣管一端適當(dāng)距離并排橫向插入該絕緣管，并與所述控制電路相連，所述絕緣管的另一端與參考壓力相連，通過調(diào)節(jié)參考壓力以使經(jīng)過電極的溶液流動速度與當(dāng)?shù)亓鲃铀俣认喈?dāng)；所述控制電路包括交變電流源、電極控制電路、整流電路、積分電路和信號鎖定電路，交變電流源對所述電極進行充電，電極控制電路將所述電極采集的信號依次經(jīng)整流電路、積分電路和信號鎖定電路，最后輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電流體密度的測量裝置，其特征在于，還包括一由光電耦合元件組成的隔離電路，所述信號鎖定電路輸出的電信號經(jīng)過該隔離電路后再輸入到計算機內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的導(dǎo)電流體密度的測量裝置，其特征在于，所述光電耦合元件的型號為4N25。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的導(dǎo)電流體密度的測量裝置，其特征在于，所述電極為鉑絲。
5.一種采用如權(quán)利要求1至4任一導(dǎo)電流體密度的測量裝置的導(dǎo)電流體密度的測量方法，其特征在于，采用所述導(dǎo)電流體密度測量裝置先對待測溶液進行數(shù)據(jù)標(biāo)定，獲得輸出電壓和溶液密度的對應(yīng)變化曲線，然后采用所述導(dǎo)電流體密度測量裝置在實際測量中將得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)進行對比，從而獲得密度分布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種導(dǎo)電流體密度的測量裝置，包括探針和控制電路，所述探針包括一根絕緣管和兩根電極，所述兩根電極距離所述絕緣管一端適當(dāng)距離并排橫向插入該絕緣管，并與所述控制電路相連，所述絕緣管的另一端與參考壓力相連，通過調(diào)節(jié)參考壓力以使經(jīng)過電極的溶液流動速度與當(dāng)?shù)亓鲃铀俣认喈?dāng)；所述控制電路包括交變電流源、電極控制電路、整流電路、積分電路和信號鎖定電路，交變電流源對所述電極進行充電，電極控制電路將所述電極采集的信號依次經(jīng)整流電路、積分電路和信號鎖定電路，最后輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明能夠迅速和準(zhǔn)確地測量導(dǎo)電流體的密度分布及其瞬時脈動信息，包括脈動強度和頻率，可以應(yīng)用于導(dǎo)電流體的湍流研究。
文檔編號G01N27/413GK1673731SQ20051006994
公開日2005年9月28日 申請日期2005年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月11日
發(fā)明者范學(xué)軍 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所