一種導電流體密度的測量裝置及測量方法
2023-05-02 22:39:46 1
專利名稱：一種導電流體密度的測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明涉及一種導電流體密度的測量裝置及測量方法。
背景技術：
流場中流體的密度通常通過一定的狀態方法去確定，但是，對於導電流體，由於其密度一般隨電介質的濃度而連續變化，而電介質的濃度和電導率是一一對應的，因此可通過電導率的測量去測量導電流體密度，但目前還沒有相關報導。
電導率一般可以採用傳統的電橋方法來測量，但因為電橋調節起來很費時，該方法並不適用於電導率迅速變化的流場中。Johnson和Enke(1 970)發明了一種交變脈衝電壓技術[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溶液的電導率。Daum和Nelson(1973)在此基礎上進一步發展出了交變脈衝電流技術[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溶液的電導率。兩種方法分別採用了在電介質溶液中通過等強度交變脈衝電壓或電流的辦法，通過分析證明，電極之間的電阻正比於電極響應電壓經整流後再積分的信號強度，因此可以用來測量溶液的電導率。由於所採用的脈衝信號寬度很窄，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率。但是，對於非均勻電導率的流場，由於電極之間的電阻是一個積分量，交變脈衝電流技術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重，因而實際上並不能實際使用。
發明內容
針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的在於提供一種導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率進行定點測量。
進一步地，本發明的目的在於提供一種採用上述裝置的導電流體密度的測量方法。
為實現本發明的目的，本發明一種導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距離並排橫向插入該絕緣管，並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，通過調節參考壓力以使經過電極的溶液流動速度與當地流動速度相當；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採集的信號依次經整流電路、積分電路和信號鎖定電路，最後輸入計算機進行數據處理。
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過該隔離電路後再輸入到計算機內。
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。
本發明一種導電流體密度的測量方法是採用所述導電流體密度測量裝置先對待測溶液進行數據標定，獲得輸出電壓和溶液密度的對應變化曲線，然後採用所述導電流體密度測量裝置在實際測量中將得到的數據與標定數據進行對比，從而獲得密度分布。
本發明能夠迅速和準確地測量導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，可以應用於導電流體的湍流研究。
圖1為本發明導電流體密度的測量裝置結構示意圖；圖2為本發明探針結構示意圖；圖3為本發明控制電路圖和控制信號；圖4為本發明對NaCl溶液的標定曲線；圖5為本發明測的水洞中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，本發明導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，本發明設計了特殊的採樣探針，如圖2所示。探針採用外徑為1.6mm的絕緣(塑料和玻璃)細管2製成，頭部通過拉伸外徑收縮至1.0mm左右，其目的是為了便於固定，而內徑約為0.5mm。電極1採用兩根直徑為0.13mm的鉑絲，橫向插入頭部細管，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引出導線3通過焊接和鉑絲相連，並用膠水固定在探針表面。為了避免短路，所有導線和接口均採用矽橡膠密封絕緣。探針和參考壓力相連，流經取樣電極1。參考壓力連續可調，以使採樣管中的流動速度和與當地流動的速度相當，從而可以對導電流體的瞬時密度進行連續採樣。由於取樣後的流體排出流場外，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率進行定點測量。
探針的控制電路和相應的開關信號G、H、J和K如圖3所示。基本原理和Daum和Nelson設計的類似，但由於採用計算機自動生成開關信號和進行數據採集而大為簡化。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採集的信號依次經整流電路6、積分電路7和信號鎖定電路8，最後通過隔離電路輸入計算機進行數據處理。信號J的下降沿觸發採樣過程，而信號K的下降沿鎖定輸出信號並觸發計算機的數據採集系統。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，分別對應於通過正向和反向電流。實際測量時，信號J，K的脈衝寬度設置為20微秒，而G和H的脈衝寬度為其一半，即10微秒。節點A的輸出信號對應交變電流源信號，B對應探針電極響應，C代表整流後的信號，如圖2所示。為了防止電極1通過導電流體或計算機線路接地而產生旁路，引起很大的測量誤差，控制電路採用電池驅動，並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針對給定濃度NaCl溶液的標定數據。通過多項式擬合，可以得到一條不同輸出電壓所對應的溶液密度曲線。從圖中可知，系統的輸出電壓可以和溶液的密度很好地對應起來，而且在低密度時，系統有很高的解析度(單位密度變化產生的電壓變化)，但是，系統的響應是非線性的，隨著密度的增加，系統的解析度將降低。這一問題可以通過分區的辦法來解決，也即，針對不同的密度區間，採用不同的脈衝電流強度去驅動探針電極。具體實驗時，流體的密度可以通過系統的輸出電壓以及標定曲線圖3來得到。
整個系統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。流場中在測量點上遊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％。探針採用步進電機驅動，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，脈動的特徵長度約為0.01h，約0.13mm，相當於探針移動約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，流動特徵長度約為試驗段高度的一半即6.4mm，流動的特徵時間約為20hz。另外對於探針本身，由於兩個電極間距約為12.7mm，採樣管道中的流動速度u和主流相當，約0.5m/s，則探針所能探測到的最高頻率約為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實際情況適當調節。首先，對於非均勻流動，電極間距必須足夠短，一般應小於流動在取樣方向上的特徵長度，以保證足夠的空間解析度。而由於採用了和流動速度相當的取樣速度，當電極距離小於流動特徵長度時，電極的採樣響應頻率將高於流動的特徵頻率；其次，電極間距必須足夠長，以使電極間流體的電阻足夠大，能夠通過交變脈衝電流技術檢測出來。對於很小的間距，可以通過縮小採樣管的口徑來增加電阻值。本發明基於上述原則設計的探針，經過實驗驗證，能夠迅速和準確地測量導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，可以應用於導電流體的湍流研究。
權利要求
1.一種導電流體密度的測量裝置，其特徵在於，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距離並排橫向插入該絕緣管，並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，通過調節參考壓力以使經過電極的溶液流動速度與當地流動速度相當；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採集的信號依次經整流電路、積分電路和信號鎖定電路，最後輸入計算機進行數據處理。
2.根據權利要求1所述的導電流體密度的測量裝置，其特徵在於，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過該隔離電路後再輸入到計算機內。
3.根據權利要求2所述的導電流體密度的測量裝置，其特徵在於，所述光電耦合元件的型號為4N25。
4.根據權利要求3所述的導電流體密度的測量裝置，其特徵在於，所述電極為鉑絲。
5.一種採用如權利要求1至4任一導電流體密度的測量裝置的導電流體密度的測量方法，其特徵在於，採用所述導電流體密度測量裝置先對待測溶液進行數據標定，獲得輸出電壓和溶液密度的對應變化曲線，然後採用所述導電流體密度測量裝置在實際測量中將得到的數據與標定數據進行對比，從而獲得密度分布。
全文摘要
本發明公開了一種導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距離並排橫向插入該絕緣管，並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，通過調節參考壓力以使經過電極的溶液流動速度與當地流動速度相當；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採集的信號依次經整流電路、積分電路和信號鎖定電路，最後輸入計算機進行數據處理。本發明能夠迅速和準確地測量導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，可以應用於導電流體的湍流研究。
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 優先權日2005年5月11日
發明者範學軍 申請人:中國科學院力學研究所