專利名稱：管道內(nèi)流體流量的測(cè)量方法及其聲波流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬管道流量測(cè)量方法及其流量?jī)x表技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種管道內(nèi)流體聲波速度測(cè)量方法及其聲波流量計(jì)。
目前利用聲波檢測(cè)方式來(lái)測(cè)量流體流量的儀表主要有超聲波流量計(jì)，還有旋進(jìn)旋渦及卡門旋渦等速度式流量計(jì)。超聲波流量計(jì)是采用一對(duì)超聲傳感器，其中一個(gè)為發(fā)射傳感器，另一個(gè)為接收傳感器。測(cè)量超聲信號(hào)從超聲發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)，通過(guò)流體到達(dá)另一個(gè)超聲傳感器的傳播時(shí)間，并據(jù)此確定流速及流量，從發(fā)射來(lái)講要有振蕩、激勵(lì)、換能輸出電路，從接收來(lái)講要有換能器、放大器、解調(diào)等處理電路，因此測(cè)量方法及超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)安裝都比較復(fù)雜，價(jià)格較高；旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是一種采用儀表測(cè)量管內(nèi)安裝強(qiáng)制產(chǎn)生旋渦的旋渦發(fā)生體，使流體流入時(shí)，在旋渦發(fā)生體的作用下被強(qiáng)制圍繞中心旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生渦流，旋渦在文丘利管中到達(dá)收縮段節(jié)流后，使旋渦加速，在旋渦發(fā)生體到整流葉片之間某點(diǎn)形成進(jìn)動(dòng)脈沖，該頻率經(jīng)流量積算儀換算成體積流量，雖然采用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)檢測(cè)方法結(jié)構(gòu)是可行的，但其最大的缺點(diǎn)是采用強(qiáng)制流體，產(chǎn)生旋渦振動(dòng)，因此壓力損失大，特別是檢測(cè)大流量時(shí)，壓力損失更大。例如口徑D2=50的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在每小時(shí)25方時(shí)壓損將達(dá)到30kpa?？ㄩT旋渦流量計(jì)雖較旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在壓力損失方面有了很大進(jìn)步，它是采用在流體內(nèi)插入產(chǎn)生卡門旋渦的柱體。但其流量下限往往靈敏度較低，并很難達(dá)到儀表的測(cè)量精度。
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提供了一種不需設(shè)置信號(hào)發(fā)射裝置、不需在管道內(nèi)設(shè)置產(chǎn)生旋渦的旋渦發(fā)生體、也不需在流體內(nèi)插入產(chǎn)生卡門旋渦的柱體，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，生產(chǎn)和安裝維護(hù)方便的一種振動(dòng)檢測(cè)型的管道內(nèi)介質(zhì)流量的測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)出使該方法得以實(shí)施的新型流量計(jì)。
本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)是按以下要求完成的，管道內(nèi)流體流量的測(cè)量方法是依靠設(shè)置在管道上的取樣管段(A)的凹形槽內(nèi)壓電傳感器(B)直接拾取管道內(nèi)流體的聲波頻率(主要是流體在流動(dòng)過(guò)程中粒子相互碰撞而產(chǎn)生的聲波)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算電路進(jìn)行處理，得到流速V和頻率f的對(duì)應(yīng)值，聲波頻率f與流體流速V呈非線性正比關(guān)系，即f=Ⅵ，式中Ⅰ是不同流速下的系數(shù)，與流速、介質(zhì)種類及密度有關(guān)聲，由此可見(jiàn)，流速V可通過(guò)聲波頻率f經(jīng)電路處理后得到，聲波頻率由壓電傳感器直接采集。
本發(fā)明的特征還在于，實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)方法的聲波流量計(jì)主要由取樣管段(A)、壓電傳感器(B)、電荷放大器(C)、倒相放大器(D)、幅度監(jiān)別和整形電路(E)及脈沖頻率積算儀等構(gòu)成，其特征在于壓電傳感器(B)直接安裝在聲波取樣管段(A)的管壁上或?qū)в斜Ｗo(hù)外殼的壓電傳感器(B)安裝在取樣管的管道內(nèi)，且該壓電傳感器(B)輸出端與電荷放大器(C)輸入端連接，該電荷放大器(C)輸出端與倒相放大器(D)輸入端連接，該倒相放大器(D)輸出端與幅度監(jiān)別和整形電路(E)輸入端連接，該幅度監(jiān)別和整形電路(E)的輸出端與脈沖頻率積算儀聯(lián)接。
我們知道流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生多種聲波信號(hào)，我們通常稱之為噪聲，其中比較強(qiáng)烈的有流體與管壁摩擦產(chǎn)生的摩擦聲波、流體粒子相互碰撞而產(chǎn)生的聲波及其它噪聲聲波，而本發(fā)明直接拾取的主要是流體粒子相互碰撞而產(chǎn)生的聲波，為了降低其它聲波的強(qiáng)度，本發(fā)明采取提高測(cè)量管內(nèi)壁的光滑度來(lái)降低流體對(duì)管壁的摩擦聲波，克服管道振動(dòng)來(lái)降低附加聲波的干擾，經(jīng)過(guò)工藝處理后所拾取的聲波信號(hào)中粒子相互碰撞而產(chǎn)生的聲波信號(hào)相對(duì)幅度較高，最后我們?cè)偻ㄟ^(guò)幅度監(jiān)別電路將幅度較低的其它雜波信號(hào)予以切除，從而保證測(cè)量信號(hào)的精確。
本發(fā)明的原理是通過(guò)傳感器直接拾取管道內(nèi)流體流動(dòng)的固有代表流速信息的聲波振動(dòng)頻率，然后經(jīng)過(guò)選頻放大整形后，由脈沖積算儀，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算和處理，便可獲得流速和流量測(cè)量值，不需設(shè)置象超聲波流量計(jì)的發(fā)射裝置，也不需在管道內(nèi)設(shè)置如旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的旋渦發(fā)生體及卡門旋渦流量計(jì)的產(chǎn)生卡門旋渦的柱體，完全是直接拾取管道內(nèi)流體流動(dòng)的固有聲波，因而也不存在壓力損失，簡(jiǎn)化了一次儀表的結(jié)構(gòu)，易于加工、生產(chǎn)，且安裝維護(hù)方便，加之同樣沒(méi)有可動(dòng)部件等，使用壽命長(zhǎng)。另外由于本發(fā)明的流量計(jì)檢測(cè)方法獨(dú)特，所以能夠適合液體、氣體、蒸汽、顆粒的粉塵及漿狀介質(zhì)的測(cè)量，這是目前各種流量計(jì)很難做到的，這無(wú)疑使本發(fā)明的應(yīng)用空間增大。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。


圖1為本發(fā)明的聲波流量計(jì)的原理框2為本發(fā)明聲波流量計(jì)第一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明聲波流量計(jì)第二種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意4為本發(fā)明聲波流量計(jì)的電荷放大器的電路原理5為本發(fā)明聲波流量計(jì)的倒相放大器的電路原理6為本發(fā)明聲波流量計(jì)的幅度監(jiān)別及整形的電路原理圖如圖1所示本發(fā)明的聲波流量計(jì)主要由取樣管段(A)、壓電傳感器(B)、電荷放大器(C)、倒相放大器(D)、幅度監(jiān)別和整形電路(E)及脈沖頻率積算儀(F)等六個(gè)基本部份組成，分別說(shuō)明如下取樣管段(A)設(shè)置有一個(gè)用來(lái)放置壓電傳感器(B)凹槽，該凹槽可設(shè)置成與管道內(nèi)孔相通或不相通(如圖2、圖3所示)，當(dāng)凹槽不與管道內(nèi)孔相通時(shí)，壓電晶體傳感器連同電荷放大器一起直接放在取樣管段(A)的凹槽管壁上(如圖2)，蓋上封閉護(hù)罩。當(dāng)凹槽與管道孔相通時(shí)，首先將壓電傳感器或壓電傳感器和電荷放大器一起組成帶有前置放大的整體傳感器組件放入已制好的殼體內(nèi)，然后將帶有外殼的傳感器組件放入取樣管的凹槽孔內(nèi)，直接與介質(zhì)接觸(如圖3)，本實(shí)施例中取樣管凹槽為帶有螺紋的通孔，相應(yīng)的壓電傳感器的外殼同樣設(shè)有外螺紋，這樣就可將壓電傳感器旋入取樣管段凹槽孔內(nèi)，但也可用其他方法固定或連接，其旋入深度最佳方案是使傳感器殼體前端面與管道弧面相切。
壓電傳感器(B)直接拾取管道內(nèi)的流體流動(dòng)聲波，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)通過(guò)(21)端與電荷放大器(C)連接。
電荷放大器(C)的一種電路原理圖(如圖4所示)，它主要由Mos場(chǎng)效應(yīng)晶體管及阻容元件R1-R3、C1-C4組成，由壓電傳感器拾取轉(zhuǎn)換后，電信號(hào)由(21)端輸入并經(jīng)電容C2聯(lián)接到Mos場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極上進(jìn)行低噪聲，、高阻坑電荷放大，電荷放大器(C)的工作偏置由電阻R1、R2組成的自生偏壓電路提供，電阻R3是本放大器的負(fù)載電阻，電容C1是一選頻電容，以便濾掉高頻雜波干擾，電容C3是Mos管的源極旁路電容，經(jīng)電荷放大器放大的漏極輸出經(jīng)電容C4耦合到倒相放大器的(22)輸入端。
倒相放大器(D)的一種電路原理圖(如圖5所示)，它主要由晶體管TR1及阻容元件R4-R7、C5組成，來(lái)自電荷放大器(B)的信號(hào)經(jīng)(22)端聯(lián)接到晶體管TR1的基極，TR1是PNP型晶體管，由電流負(fù)反饋電阻R7穩(wěn)定TR1的工作點(diǎn)，由TR1的工作偏置電阻R4、R5分壓取得，R6是TR1的負(fù)載電阻，經(jīng)倒相放大器放大后的信號(hào)由電容C5耦合到幅度監(jiān)別及整形電路的輸入端(23)。
幅度監(jiān)別及整形電路(E)的一種電路原理圖(如圖6所示)，它主要由晶體管TR2、TR3及阻容元件R8-R14、C6組成。幅度監(jiān)別電路是由電阻反饋網(wǎng)絡(luò)組成的雙穩(wěn)態(tài)施密特電路，靜態(tài)設(shè)置成TR2截止?fàn)顟B(tài)，故電阻R8＞＞R9，調(diào)整R8、R9的比值可改變幅度監(jiān)別電路的門檻電平，也即切除了其它聲波干擾，R14是輸出管TP3的集電極負(fù)載電阻，經(jīng)TR3整形后的聲波脈沖經(jīng)電容C6耦合到輸出端(24)，輸出端(24)即可與脈沖頻率積算儀聯(lián)接，進(jìn)行流量積算。
權(quán)利要求
1．一種管道內(nèi)流體流量的測(cè)量方法是依靠設(shè)置在取樣管段(A)的管壁上的壓電傳感器(B)直接拾取管道內(nèi)流體的聲波頻率(主要是流體在流動(dòng)過(guò)程中粒子相互碰撞而產(chǎn)生的聲波)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算電路進(jìn)行處理，得到流速V和頻率f的對(duì)應(yīng)值，聲波頻率f與流體流速V呈非線性正比關(guān)系，即f=Ⅵ，式中Ⅰ是不同流速下的系數(shù)，與流速、介質(zhì)種類及流體密度有關(guān)。
2．實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)流體流量的測(cè)量方法的聲波流量計(jì)，它主要由聲波取樣管段(A)、壓電傳感器(B)、電荷放大器(C)、倒相放大器(D)、幅度監(jiān)別和整形電路(E)及脈沖頻率積算儀等構(gòu)成，其特征在于壓電傳感器(B)直接安裝在聲波取樣管段(A)的管壁上或?qū)в斜Ｗo(hù)外殼的壓電傳感器(B)安裝在取樣管管道內(nèi)，且該壓電傳感器(B)輸出端與電荷放大器輸入端連接，該電荷放大器(C)輸出端與倒相放大器(D)輸入端連接，該倒相放大器(D)輸出端與幅度監(jiān)別和整形電路(E)輸入端連接，該幅度監(jiān)別和整形電路(E)的輸出端與脈沖頻率積算儀聯(lián)接。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲波流量計(jì)，其特征在于電荷放大器主要由Mos場(chǎng)效應(yīng)晶體管R1-R3，C1-C4組成，由壓電傳感器(B)直接拾取的流體聲波并換為電信號(hào)，經(jīng)電容C2耦合并輸入到Mos場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極低噪聲、高阻抗電荷放大，經(jīng)Mos漏極輸出，再經(jīng)電容C4耦合到倒相放大器的輸入端(22)，Mos晶體管的柵極和源極上接有偏置電阻R1、R2組成自生偏壓電路，接在Mos管漏極上的電阻R3為負(fù)載電阻，接到(22)輸入端上且與電容C2并聯(lián)的電容C1是一選頻電容，接在Mos管的源極上且與R3并聯(lián)的電容C3是Mos管源極旁路電容。
4．根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的倒相放大器(D)主要由PNP型晶體(三極)管TR1及阻容元件R4-R7、C5組成，來(lái)自電荷放大器(C)的信號(hào)經(jīng)(22)端輸入到晶體管TR1的基極，經(jīng)TR1放大后的信號(hào)由電容C5耦合到幅度監(jiān)別及整形電路(E)的輸入端，電阻R4、R5與TR1的基極組成偏置電阻，接在TR1發(fā)射極上的電阻R7為電流負(fù)反饋電阻，接在TR1集電極和接地之間的電阻R6為負(fù)載電阻。
5．根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的幅度監(jiān)別及整形放大電路，其特征在于幅度監(jiān)別電路是由三極管TR1和電阻反饋網(wǎng)絡(luò)組成的雙穩(wěn)態(tài)施密特電路，靜態(tài)設(shè)置成TR2截止?fàn)顟B(tài)，故電阻R8＞＞R9，調(diào)整R8、R9的比值可改變幅度監(jiān)別電路的門檻電平，也即切除了其它聲波的干擾，R14是輸出管TR3的集電極負(fù)載電阻，整形后的聲波脈沖經(jīng)電容C6耦合到輸出端(24)輸出，與脈沖頻率積算儀聯(lián)接。
全文摘要
一種管道內(nèi)流體流量的測(cè)量方法及其聲流流量計(jì),主要由聲波測(cè)量管段,壓電傳感器、電荷放大器,倒相放大器和幅度監(jiān)別及整形電路構(gòu)成,采用直接拾取管道流體聲波頻率的方法,從而達(dá)到測(cè)量流量的目的,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理,無(wú)可動(dòng)部件,不存在機(jī)械磨損,壓力損失小,安裝使用方便,性能可靠,可廣泛用于液體、氣體、蒸汽及顆粒的測(cè)量,有較好的實(shí)用性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
文檔編號(hào)G01F1/66GK1283780SQ0012592
公開(kāi)日2001年2月14日 申請(qǐng)日期2000年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月28日
發(fā)明者張世興, 易會(huì)安 申請(qǐng)人:浙江省蒼南眾星實(shí)業(yè)有限公司