集成式浆体浓度流量在线测量方法和系统.pdf

集成式浆体浓度流量在线测量方法和系统
    技术领域：

    本发明涉及一种浆体浓度流量的测量方法和系统，特别是一种集成式浆体浓度流量在线测量方法和系统。

    背景技术：

    浆体的浓度流量是轻工、环保、食品等领域中一个重要检测对象，浆体流量，尤其是纸浆、泥浆等是非牛顿流体，具有粘度、团状、悬浮颗粒多、成分复杂、多参数等因素，故属检测较困难的流体。检测这类浆体，在现有的测量仪器中有采用科里奥利(Coriolis)质量流量计的，该仪器虽可同时测出流量和密度两个流体参数，但它存在着成本高，压力损失大，尤其当被测管道口径较大时则无法检测之不足。长期来工程上应用较多的方法是采用配置多台测量仪表分别进行测量，如密度计、温度计和流量计，但采用这种多台仪表的测量方法时，由于多个传感器是单独设立的，使用时必须分别安装在被测管道中，由此带来安装麻烦、维护费用高和测量精度低之不足。

    发明内容：

    本发明的目的在于提供一种集成式浆体浓度流量在线测量方法和系统，在提高多参数测量精度的基础上，使系统具有结构简单、低成本、稳定性和可靠性高的特点。

    为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

    一种集成式浆体浓度流量在线测量方法，其特征在于使导电浆体流经绝缘管道，采用电磁流量传感器、超声接收波换能器与超声波发射换能器和温度传感器集成一体的集成传感器，同时实行在线浆体流量、浓度和温度检测，最后对上述三个检测值由微处理器进行处理，获得具有温度补偿的浆体浓度流量值。

    在绝缘管道中导电浆体流动方向垂直于磁场的情况下，由集成传感器中电磁流量传感器的同时垂直于磁场和流动方向安装的一对电极测得流量信号，而由流量信号测量电路测出两极间感应电势E，按下式由微处理器算出浆体流量Q：E＝K×B×Q，式中K为电磁流量传感器常数，B为磁场强度。

    集成传感器中超声波接收换能器超声波发射换能器使超声波在浆体中以纵波方式传播，并向其接收端传出衰减后的超声波信号，由超声波接收电路测出发送端与接收端间超声波的相对衰减量，按下式由由微处理器算出浆体的浓度C：ξx＝ξo×e^-αx，式中ξ₀为原始振幅，ξx为声波传播x距离后的振幅，x为声波传播距离，α为声波衰减系数，浆体浓度C与声波衰减系数α成正比，即：α＝C×(a₁f⁴+a₂f²+a₃f)，其中f为超声波频率，a₁为散射衰减项，a₂为悬浮粒子内部摩擦衰减项，a₃为粘性衰减项，a₁、a₂和a₃与浆体物质有关。

    集成传感器中温度传感器传出的信号，由温度信号处理电路处理后输入微处理器对测得的浆体流量Q和浓度C进行温度补偿，最后得出具有温度补偿的浆体浓度流量C×Q。

    一种集成式浆体浓度流量在线测量系统，其特征在于导电浆体流经的绝缘管道的管壁上安装集成传感器，集成传感器的结构是：电磁流量传感器的两个测量电极为空心状，超声波接收换能器与超声波发射分别集成在电磁流量传感器的两个空心状测量电极内，温度传感器固定在电磁流量传感器两个空心状测量电极中的一个测量电极外，形成三种传感器集成一体。一个超声发射电路连接超声波接收换能器，而超声波发射换能器连接一个超声波接收电路，电磁流量传感器的测量电极连接一个流量信号测量电路，温度传感器连接一个温度信号处理电路，超声波接收电路、温度处理电路和温度信号测量电路经输入输出接口连接微处理器，微处理器经输入输出接口连接一个励磁电路和超声波发射电路，励磁电路连接励磁线圈。

    本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明采用集成传感器，在管道的一处同时在线测量流量、浓度和强度，输入微处理器对浓度测量进行温度补偿，采用数字化方式，消除一体化集成方式下电磁流量传感器与超声波传感器信号之间的相互耦合和相互干扰处理，所以测得的浆体浓度流量C×Q精度高。本发明的使用系统，结构简单，成本低，稳定性和可靠性高。适用于轻工、环保、食品领域，尤其是造纸领域中的浆体浓度流量在线测量。

    附图说明：

    图1是本发明一个实施例的集成传感器和励磁线圈安装在被测管道上的结构示意图。

    图2是本发明的测量系统方框图。

    具体实施方式：

    本发明的一个优选实施例是：参见图1和图2，本集成式浆体浓度流量在线测量系统是：按图1所示，集成传感器24中的装有超声波接收换能器3、外装温度传感器7的电磁流量传感器5的测量电极和装有超声波发射换能器4的电磁流量传感器6的测量电极安装在被测管道1的左、右侧管壁上，励磁线圈8、9安装在被测管道1的上下侧。按图2所示，超声波发射电路17连接超声波发射换能器4，而超声波接收换能器3连接超声波接收电路18，电磁流量传感器5、6的两个测量电极连接流量信号测量电路19，温度传感器7连接温度信号处理电路21，超声波接收电路18、温度信号处理电路21、流量信号测量电路19经输入输出接口22连接微处理器23，微处理器23经输入输出接口22连接励磁电路20和超声波发射电路17。

    结合图1和图2所示，本集成式浆体浓度流量在线测量方法如下：

    在微处理器23的控制下，采用矩形波励磁的方法，励磁电路20使励磁线圈8和9产生均匀磁场2。根据电磁感应定律，当绝缘管道1中流速为V的导电浆体流动方向垂直于磁场2时，同时垂直于磁场2和流动方向安装电磁流量传感器5、6的两个测量电极上就会产生感应电势E。由流量信号测量电路19测出感应电势E并用公式E＝K×B×Q就能得到浆体的流量Q。式中K为电磁流量传感器常数，B为磁场强度。

    对于浆体流量的测量，浆体流量的颗粒性还会使电磁流量传感器信号产生流动噪声。电磁流量传感器的电极直径较小时虽然零点漂移较小但容易产生流体流动噪声，而电极直径较大时流体流动噪声变小但容易产生零点漂移。同时，高的励磁频率(高于50/8Hz时)较容易在信号上区分出流体流动噪声。本发明中，在电极直径较大的情况下，我们采用反馈式信号放大处理方法，使电磁流量计在较高励磁频率(50/2Hz)下既放大了信号又可动态消除零点漂移并克服流动噪声。电极内的超声波通过电极传导到电极和被测浆体的接触面上粉碎污垢和附着物，以到达自动清洁电极接液表面、改善信号零点漂移的目的。

    超声波在浆体中以纵波方式传播，穿过浆体颗粒后其振幅随传播距离按指数规律衰减，即ξx＝ξo×e^-αx。式中，ξo为原始振幅；ξx为声波传播距离x后的振幅；x为声波传播的距离；α为声波衰减系数。根据声波衰减的理论，当流体媒质一定，声波衰减系数α与流体浓度C成正比，即：α＝C×(a₁f⁴+a₂f²+a₃f)，其中f为超声波频率，a₁为散射衰减项，a₂为悬浮粒子内部摩擦衰减项，a₃为粘性衰减项，a₁、a₂和a₃与浆体物质有关。。于是，只要确定发送端和接收端间超声波的相对衰减量可以测量浆体的浓度C。

    在微处理器23的控制下，超声波发射电路17根据设定的工作频率产生激励脉冲。超声波发射换能器4在脉冲的激励下，晶片振动，向流动的浆体发射一定频率的超声波。在接收端，经过衰减超声波信号使超声波接收换能器3的晶片产生振动。超声波接收换能器3把衰减后的超声波信号转换成电信号送入超声波接收电路18，经处理得到相应的浓度信号。超声波接收电路18采用软件无线电的理念，直接在中频用数字式检波器对信号进行A/D转换，然后在数字域中用DSP方法对信号进行分解、检波及滤波。这样克服了传统的模拟检波方法存在的动态范围小、精度低等缺陷。提高了测量的可靠性与精度。

    由于浆体的温度对超声波的衰减有较大的影响，通过温度传感器7及温度信号处理电路21测量出浆体的温度T，对浓度测量进行温度补偿。

    测得的流量信号、浓度信号和温度信号都被送入微处理器23中进行处理。本发明采用数字化的方法，消除一体化集成方式下电磁流量传感器与超声波传感器信号之间的互耦合和互干扰处理。使用曲线与模型相结合的宽范围补偿技术，根据不同流速、温度和超声波工作频率对浆体浓度测量进行实时修正。最后，得出浆体的浓度流量为C×Q。