一種流量測量裝置及測量方法與流程
2023-06-04 10:14:01 1
本發明涉及流量測量技術領域，尤其涉及一種流量測量裝置及測量方法。
背景技術：
液體流量的測量是廣泛使用的自動控制技術，流量測量技術有機械式測量方法、壓力感應法、超聲波測量法等，每種測量方法各有優劣，每種測量裝置也有不同的使用範圍和適應環境。例如機械式測量裝置成本低，製作工藝成熟，但微流量測量精度低、抗流量衝擊能力弱，在突然遇到大流量衝擊時可靠性低；超聲波、感應式測量方式對極低流量測量的精度低，在液體中混有氣體時，無法避免測量的累計誤差，在需要極低流量的測量環境中精度不足。
在一些環境下，比如流量動態範圍極大、高壓、高溫、真空、超微流量等情況下，以上流量測量方法無法滿足要求，很多領域需要一種能適應特殊環境、滿足大動態範圍、極高和極低流量、以及脈衝流量條件下高精度測量，並且儘量減少累計誤差的流量測量裝置。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種測量精度高，累計誤差很低，微流量測量更加準確，測量動態範圍大，抗流量衝擊能力強，允許在高低溫、高低壓、真空、防爆等各種極限環境條件下使用的流量計量裝置和測量方法。
為實現上述目的，本發明的技術方案是：包括存儲容器、電極、電極引出線、電容測量及輸出單元、液體接口組成；容器中液體可自由進出電極間的空間，所測量流量為流入或流出液體接口的流量；方法為：電容測量及輸出單元產生一定頻率的電信號輸入電極，利用相互絕緣的電極之間存在電容效應、且電容效應隨電極間物質量變化而變化的原理，通過測量液體中電極間的電容效應，得到容器內液體在電極間的量，結合容器形狀得到容器內液體實際存儲量，再結合時間變化計算得到液體量的變化量和變化速度，達到間接測量流入或流出容器液體流量的目的。
本發明的有益效果包括：
1、測量精度更高，測量累計誤差小，更適合對微流量精確測量：通過測量液體總容量變化間接測量流量，因此，可以感知非常微小的流量，並且在長時間測量後累計誤差仍然可以忽略；
2、能適應高溫高壓、真空等多種極端環境：本新型在結構上不與液體產生直接接觸，因此能適應各種溫度、壓力、真空等特殊使用環境，能適應火箭燃料、汽車燃油、液化氣、高壓水等所有液體流量測量；
3、測量動態範圍大：本新型不含機械運動部件，液體接口不需要狹窄通道，所以能適應極低流量和極高流量瞬間轉換的脈衝流量工況；
4、工作能耗低；本新型只使用微量電信號測試電極間電容量變化，無需更多能源，使用能耗極低；
5、使用安全可靠、堅固耐用：本新型結構簡單，容易製造得十分堅固，且不與液體直接接觸，不產生電火花等危險源，可以更加安全可靠地應用在高度危險、易燃、易爆等場合。
綜上所述，本發明能在各種極端條件下，更好地測量液體流量，尤其是精確測量微小流量，累計誤差小，能適應極端環境和極端工作狀況，測量動態範圍大，是一種非常適合高精度流量測量的測量裝置，可以廣泛應用於高壓液體灌注、鋼瓶壓力測試、宇宙飛船燃料測量、汽車油量測量等場合。
附圖說明
圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6：分別為本發明的不同實施例結構示意圖
具體實施方式
以下通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
如圖1所示，本發明中的裝置由：存儲容器101、電極102、電極引出線103、電容測量及輸出單元104、液體接口105等幾部分組成；
其中存儲容器101，用於存儲待測量液體，內部通過液體接口105與流量測試端聯接，容器101中存儲的待測量液體，在測量過程中通過液體接口105進出，液體接口可以不止一個，本發明測量的流量為實時進出容器的淨流量。
電極102由至少兩個單獨的電極組成，電極102間有一定空間且相互絕緣，電極102間的空間與存儲容器相通，待測量液體可以自由進入電極102之間的空間，電極與液體相絕緣。
電容測量及輸出單元104產生一定頻率和波形的電信號，經過引出線103分別連接到電極102，用以測量電極間的電容效應，並將電容效應體現的電容量轉化為輸出信號；
容器內電極102之間的液體、氣體或空間構成電極之間的電介質，其中液體、氣體或空間等不同物質或空間以不同電介質性質產生不同的電容效應；
引入的測量電信號加載於電極102的各電極，用以實時測量電極間的電容效應即電容量及其變化，通過測量電極間的電容量變化，得到電極間液體量的變化，進而通過電極間液體量與容器結構和容積的關係，得到容器內液體存儲量的變化情況，將液體存儲量變化情況結合時間，實現流量測定。
根據電極結構和存儲容器的不同結構組合，本發明有多種實施例，包含但不限於以下所列。
實施例1，存儲容器101及電極102的一種結構實施例如圖1所示：電極包裹或覆蓋於存儲容器101表面，或者構成容器殼體，電極間相互絕緣，待測量液體位於容器101中、同時位於電極之間。
實施例2，存儲容器101及電極102的一種結構實施例為：電極附著或覆蓋於存儲容器101內壁，電極間相互絕緣，待測量液體位於容器中、電極之間。
實施例3、電極102的一種結構實施例如圖2所示：電極102處於容器101內部，電極102間的空間與容器101內部空間相連通，允許容器101內的液體自由流入和流出；電極102程弧面形狀，弧面凹陷部分相向，電極之間相互絕緣。
實施例4、電極102的一種結構實施例如圖3所示：電極102處於容器101內部，電極102間的空間與容器101內部空間相連通，允許容器101內的液體自由流入和流出；每個電極以平行平面方式分布，電極之間相互絕緣。
實施例5、電極102的一種結構實施例如圖4所示：容器101在圖中略去，電極102處於容器101內部，電極102間的空間與容器101內部空間相連通，允許容器101內的液體自由流入和流出；電極102為半方形截面的柱狀結構，以對稱方式分布，電極之間相互絕緣。
實施例6、電極102的一種結構實施例如圖5所示：容器101為圓柱體結構，電極102同為圓柱體結構，其中一個電極與容器圓柱體的圓外壁重合，另一個電極與圓柱體的圓外壁電極呈同心圓結構分布，電極之間相互絕緣，電極102間的空間與容器101內部空間相連通，允許容器101內的液體自由流入和流出。
實施例7、電極102的一種結構實施例如圖6所示：電極102為圓柱體外圓空心結構，電極以同心圓方式分布，電極之間相互絕緣；電極102間的空間與容器101內部空間相連通，允許容器101內的液體自由流入和流出，容器101可以有各種形狀。
電極102間液體量的變化需要結合容器101的形狀和結構，換算成液體存儲總量的變化，結合時間再換算成流量。
一種測量流量的方法：
原理：電容電極間介質種類決定電介質常數，對於同種介質，當電極尺寸、距離、結構固定的情況下，電極間介質的數量與電容量變化成正比。測量容器內一定時間的電容量的變化量和變化速度，與滿介質和空介質時的電容量相比較，可以計算得到一定時間內電極間介質量的多少和變化速度，結合時間變化可以得知容器內的介質的變化量，此變化量與流入和流出容器的液體量等同，以此作為流量測量的方法。
具體如下：
根據電容公式： （公式1）
其中電容C，極板面積A，距離d，介電常數ε；
由以上電容公式可知，對於固定的結構，極板面積A和距離d一定的情況下，電容C與介電常數ε成正比。不同的介質有不同的介電常數，當以固定容器存儲液體電介質，電極結構固定的情況下，設容器處於全空狀態下介電常數為ε0、電容量為C0；容器有液體時極板間的介電常數為εr，容器全滿狀態下的電容量為Cr。以圖5所示為例，容器為內外同心圓柱體結構的情況下，極板為外圓柱體和內圓柱體的圓表面時，當容器內液體深度為x，極板高度為l（L小寫）時，極板間的電容Cx為：
(公式2)
設： ΔC=Cx – C0 （公式3）
代入公式2，得到：
（公式4）
因ε0、εr均為可預先測量的已知常數，且容器和極板尺寸固定，l和R、r均為可測量固定數值，根據公式4，ΔC與x成正比，因此對於液體容量V的變化與液體高度x變化成比例的容器，ΔC與實時液體容量變化量ΔV=Vx-V0也成正比。
根據公式3，ΔC= Cx–C0=α（Vx-V0） （公式5）
其中，α為對應固定容器和特定液體的已知值可測量和計算常數，V為液體容量。當液體容量為空時（V0），Cx= C0，當液體容量滿（Vr）時，Cx= Cr；
預先測量空容器極板間電容量C0、滿容器極板間電容量Cr、滿容器內液體量Vr；並根據公式5，以：
α= （Cr–C0）/（Vr–V0） （公式6）
計算得到對應固定容器和特定液體的可測量和計算常數α
實時測量Cx，並將α代人公式5，ΔC/α= (Cx–C0)/ α=（Vx-V0）
則ΔV=（Vx-V0）= （Cx–C0）/ α （公式7）
記錄時間T和時間變化量ΔT，則流量:
Q=ΔV/ΔT=（Cx–C0）/ α/ΔT (公式8)
根據以上原理，測量流量的方法及步驟實施例一：
使用液體容量V的變化與液體高度x變化成比例的容器101，按照液體容量V的變化與液體高度x變化成比例的方向設置相互絕緣的電極102；
1．電容測量及輸出單元104產生一定頻率和波形的電信號，通過引線103輸入電極102，測量電極102之間的電容值；
2．電容測量及輸出單元104將測量電極102之間的電容值變換為信號輸出；
3．測量容器101全空狀態下電極102間電容量C0、容器101內殘餘液體容量V0（如有），並記錄液體高度X0；
4．測量容器101盛滿液體時電極102間電容量Cr、容器101內盛滿液體的容量Vr；
5．根據公式：α= （Cr–C0）/（Vr–V0）計算測量常數α；
6．實時測量Cx，並記錄時間T及時間變化ΔT；
7．根據公式 ：Q=ΔV/ΔT=（Cx–C0）/ α/ΔT ，計算得到流量Q。
以上為本發明測量流量的一種方法及步驟。
在實施過程，可以根據以上原理變化如下：因選用液體容量V的變化與液體高度x變化成比例的容器，設容器空時，容器內殘存液體高度為X0，液體殘餘量為V0；設容器滿時，容器內液體高度為Xr，液體量為Vr；設容器測量時，容器內高度為x，液體量為Vx；則以上公式6可以變化為：
β= （Cr–C0）/（Xr–X0）/V0 （公式6.2）
因此測量流量的方法及步驟實施例二：
使用液體容量V的變化與液體高度x變化成比例的容器101，按照液體容量V的變化與液體高度x變化成比例的方向設置相互絕緣的電極102；
1．電容測量及輸出單元104產生一定頻率和波形的電信號，通過引線103輸入電極102，測量電極102之間的電容值；
2．電容測量及輸出單元104將測量電極102之間的電容值變換為信號輸出；
3．測量容器101全空狀態下電極102間電容量C0、容器101內殘餘液體容量V0（如有），並記錄液體高度X0；
4．測量容器101盛滿液體時電極102間電容量Cr、容器101內盛滿液體的容量Vr；
5．根據公式：β= （Cr–C0）/（（Xr–X0）/X0）/V0 計算測量常數β；
6．實時測量Cx，並記錄時間T及時間變化ΔT；
7．根據公式 ：Q=ΔV/ΔT=（Cx–C0）/β/ΔT ，計算得到流量Q。
當容器不規則時，步驟5或步驟7公式可以再增加係數進行修正，以計算得到正確容量變化值。以上為本發明測量流量的另一種方法及步驟的實施例，此方法在使用中可通過簡單觀測規則容器中的液體高度判斷容量變化和電子測量方法進行比對，實際工作中容易排除故障，並有利於校準。
測量流量的方法及步驟實施例三：
1．電容測量及輸出單元104產生一定頻率和波形的電信號，通過引線103輸入電極102，測量電極102之間的電容值；
2．電容測量及輸出單元104將測量電極102之間的電容值變換為信號輸出；
3．測量容器101全空狀態下電極102間電容量C0，並記錄液體高度X0；
4．測量容器101盛滿液體時電極102間電容量Cr、容器101內盛滿液體的容量Vr；
5．按以上方法測量不同液面高度對應的電容量Cx，以及對應的容器容量，並形成函數表；
7．使用中實時測量Cx，並記錄時間T及時間變化ΔT；
8．將Cx與函數對照表對照，查得對應容量，按照不同時間容量變化得到ΔV，對應時間變化ΔT，按照公式：流量Q=ΔV/ΔT計算到流量Q。
以上實施例三更適合容器形狀不規則，或者容器內液體所處位置不規則的情況。
以上方法中，電容測量及輸出單元104可將測量電極102之間的電容值變換為頻率信號輸出，增強遠距離傳輸抗幹擾性能。
以上方法中，對於如何用不同頻率和波形的電信號測量電極間電容效應，以及如何進行電容量和頻率的變換，是電子學中最普遍的基礎知識，任何具有基本電子學知識的工作人員或學生都知曉其原理及工程，本說明中不再進行敘述，但相關內容均屬於本發明保護範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。