专利名称：一种导电流体密度的测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种导电流体密度的测量装置及测量方法。
背景技术：
流场中流体的密度通常通过一定的状态方法去确定，但是，对于导电流体，由于其密度一般随电介质的浓度而连续变化，而电介质的浓度和电导率是一一对应的，因此可通过电导率的测量去测量导电流体密度，但目前还没有相关报道。
电导率一般可以采用传统的电桥方法来测量，但因为电桥调节起来很费时，该方法并不适用于电导率迅速变化的流场中。Johnson和Enke(1 970)发明了一种交变脉冲电压技术[Johnson，D.E.，and Enke，C.G.，“Bipolar Pulse Technique for Fast Conductance Measurements，”AnalyticChemistry，Vol.42，No.3，1970.]，可以用来迅速测量均匀电介质溶液的电导率。Daum和Nelson(1973)在此基础上进一步发展出了交变脉冲电流技术[Daum，P.H.and Nelson，D.F.，“Bipolar Current Method forDetermination of Solution Resistance，”Analytic Chemistry，Vol.45，No.3，1973.]，主要用来快速测量高浓度均匀电介质溶液的电导率。两种方法分别采用了在电介质溶液中通过等强度交变脉冲电压或电流的办法，通过分析证明，电极之间的电阻正比于电极响应电压经整流后再积分的信号强度，因此可以用来测量溶液的电导率。由于所采用的脉冲信号宽度很窄，一般是10微秒量级，上述方法可以快速测得均匀流体的电导率。但是，对于非均匀电导率的流场，由于电极之间的电阻是一个积分量，交变脉冲电流技术给出的信号将包括周围流体浓度的影响，而且影响很大，因此无法对非均匀流场的密度进行定点测量。这一问题在迅速变化的流场中更为严重，因而实际上并不能实际使用。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种导电流体密度的测量装置，该装置可以对非定常流场中流体的电导率进行定点测量。
进一步地，本发明的目的在于提供一种采用上述装置的导电流体密度的测量方法。
为实现本发明的目的，本发明一种导电流体密度的测量装置包括探针和控制电路，所述探针包括一根绝缘管和两根电极，所述两根电极距离所述绝缘管一端适当距离并排横向插入该绝缘管，并与所述控制电路相连，所述绝缘管的另一端与参考压力相连，通过调节参考压力以使经过电极的溶液流动速度与当地流动速度相当；所述控制电路包括交变电流源、电极控制电路、整流电路、积分电路和信号锁定电路，交变电流源对所述电极进行充电，电极控制电路将所述电极采集的信号依次经整流电路、积分电路和信号锁定电路，最后输入计算机进行数据处理。
进一步地，还包括一由光电耦合元件组成的隔离电路，所述信号锁定电路输出的电信号经过该隔离电路后再输入到计算机内。
进一步地，所述光电耦合元件的型号为4N25。
进一步地，所述电极为铂丝。
本发明一种导电流体密度的测量方法是采用所述导电流体密度测量装置先对待测溶液进行数据标定，获得输出电压和溶液密度的对应变化曲线，然后采用所述导电流体密度测量装置在实际测量中将得到的数据与标定数据进行对比，从而获得密度分布。
本发明能够迅速和准确地测量导电流体的密度分布及其瞬时脉动信息，包括脉动强度和频率，可以应用于导电流体的湍流研究。
图1为本发明导电流体密度的测量装置结构示意图；图2为本发明探针结构示意图；图3为本发明控制电路图和控制信号；图4为本发明对NaCl溶液的标定曲线；图5为本发明测的水洞中NaCl密度沿水洞高度方向的扫描曲线。
具体实施例方式
如图1所示，本发明导电流体密度的测量装置包括探针、控制电路、探针依次连接控制电路、由型号为4N25的光电耦合元件组成的隔离电路和计算机。为了有效地隔离周围流体对测量的影响，本发明设计了特殊的采样探针，如图2所示。探针采用外径为1.6mm的绝缘(塑料和玻璃)细管2制成，头部通过拉伸外径收缩至1.0mm左右，其目的是为了便于固定，而内径约为0.5mm。电极1采用两根直径为0.13mm的铂丝，横向插入头部细管，间距约为12.7mm，其中第一根铂丝和探针头部的距离约为3.2mm。电极1引出导线3通过焊接和铂丝相连，并用胶水固定在探针表面。为了避免短路，所有导线和接口均采用硅橡胶密封绝缘。探针和参考压力相连，流经取样电极1。参考压力连续可调，以使采样管中的流动速度和与当地流动的速度相当，从而可以对导电流体的瞬时密度进行连续采样。由于取样后的流体排出流场外，电极1电流被局限在两电极1之间，有效地隔离了周围流体对电极1之间电阻的影响，因而可以对非定常流场中流体的电导率进行定点测量。
探针的控制电路和相应的开关信号G、H、J和K如图3所示。基本原理和Daum和Nelson设计的类似，但由于采用计算机自动生成开关信号和进行数据采集而大为简化。图2中，控制电路依次由交变电流源4、电极控制电路5、整流电路6、积分电路7以及信号锁定电路8五部分组成，交变电流源4对电极1进行充电，电极控制电路5将电极1采集的信号依次经整流电路6、积分电路7和信号锁定电路8，最后通过隔离电路输入计算机进行数据处理。信号J的下降沿触发采样过程，而信号K的下降沿锁定输出信号并触发计算机的数据采集系统。对电极1的充电过程分成相等的两阶段，由信号G和H控制，分别对应于通过正向和反向电流。实际测量时，信号J，K的脉冲宽度设置为20微秒，而G和H的脉冲宽度为其一半，即10微秒。节点A的输出信号对应交变电流源信号，B对应探针电极响应，C代表整流后的信号，如图2所示。为了防止电极1通过导电流体或计算机线路接地而产生旁路，引起很大的测量误差，控制电路采用电池驱动，并且在信号进入计算机前通过一个由光电耦合元件(4N25)组成的隔离电路进行隔离。
图4给出了密度探针系统针对给定浓度NaCl溶液的标定数据。通过多项式拟合，可以得到一条不同输出电压所对应的溶液密度曲线。从图中可知，系统的输出电压可以和溶液的密度很好地对应起来，而且在低密度时，系统有很高的分辨率(单位密度变化产生的电压变化)，但是，系统的响应是非线性的，随着密度的增加，系统的分辨率将降低。这一问题可以通过分区的办法来解决，也即，针对不同的密度区间，采用不同的脉冲电流强度去驱动探针电极。具体实验时，流体的密度可以通过系统的输出电压以及标定曲线图3来得到。
整个系统在水洞中进行了测试。水洞试验段横截面为12.7mm×203.2mm，流动速度约0.7m/s。流场中在测量点上游101.6mm处注射浓度为4M的NaCl溶液，注射流量约为主流流量的2.2％。探针采用步进电机驱动，在高度方向每秒种移动100次，每次上升0.025mm。图5给出了一个测量得到的密度分布实例。测量曲线不仅给出了密度的平均分布，也给出了密度的脉动信息。从图中可以估计，密度在y方向，即水洞试验段高度上，脉动的特征长度约为0.01h，约0.13mm，相当于探针移动约5步，间隔0.05秒，因此流体密度的脉动频率约为20hz。考虑到流动速度约0.7m/s，流动特征长度约为试验段高度的一半即6.4mm，流动的特征时间约为20hz。另外对于探针本身，由于两个电极间距约为12.7mm，采样管道中的流动速度u和主流相当，约0.5m/s，则探针所能探测到的最高频率约为40hz，完全可以满足本实例中的测量要求。
两根电极之间的间距可以根据实际情况适当调节。首先，对于非均匀流动，电极间距必须足够短，一般应小于流动在取样方向上的特征长度，以保证足够的空间分辨率。而由于采用了和流动速度相当的取样速度，当电极距离小于流动特征长度时，电极的采样响应频率将高于流动的特征频率；其次，电极间距必须足够长，以使电极间流体的电阻足够大，能够通过交变脉冲电流技术检测出来。对于很小的间距，可以通过缩小采样管的口径来增加电阻值。本发明基于上述原则设计的探针，经过实验验证，能够迅速和准确地测量导电流体的密度分布及其瞬时脉动信息，包括脉动强度和频率，可以应用于导电流体的湍流研究。
权利要求
1.一种导电流体密度的测量装置，其特征在于，包括探针和控制电路，所述探针包括一根绝缘管和两根电极，所述两根电极距离所述绝缘管一端适当距离并排横向插入该绝缘管，并与所述控制电路相连，所述绝缘管的另一端与参考压力相连，通过调节参考压力以使经过电极的溶液流动速度与当地流动速度相当；所述控制电路包括交变电流源、电极控制电路、整流电路、积分电路和信号锁定电路，交变电流源对所述电极进行充电，电极控制电路将所述电极采集的信号依次经整流电路、积分电路和信号锁定电路，最后输入计算机进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的导电流体密度的测量装置，其特征在于，还包括一由光电耦合元件组成的隔离电路，所述信号锁定电路输出的电信号经过该隔离电路后再输入到计算机内。
3.根据权利要求2所述的导电流体密度的测量装置，其特征在于，所述光电耦合元件的型号为4N25。
4.根据权利要求3所述的导电流体密度的测量装置，其特征在于，所述电极为铂丝。
5.一种采用如权利要求1至4任一导电流体密度的测量装置的导电流体密度的测量方法，其特征在于，采用所述导电流体密度测量装置先对待测溶液进行数据标定，获得输出电压和溶液密度的对应变化曲线，然后采用所述导电流体密度测量装置在实际测量中将得到的数据与标定数据进行对比，从而获得密度分布。
全文摘要
本发明公开了一种导电流体密度的测量装置，包括探针和控制电路，所述探针包括一根绝缘管和两根电极，所述两根电极距离所述绝缘管一端适当距离并排横向插入该绝缘管，并与所述控制电路相连，所述绝缘管的另一端与参考压力相连，通过调节参考压力以使经过电极的溶液流动速度与当地流动速度相当；所述控制电路包括交变电流源、电极控制电路、整流电路、积分电路和信号锁定电路，交变电流源对所述电极进行充电，电极控制电路将所述电极采集的信号依次经整流电路、积分电路和信号锁定电路，最后输入计算机进行数据处理。本发明能够迅速和准确地测量导电流体的密度分布及其瞬时脉动信息，包括脉动强度和频率，可以应用于导电流体的湍流研究。
文档编号G01N27/413GK1673731SQ20051006994
公开日2005年9月28日 申请日期2005年5月11日 优先权日2005年5月11日
发明者范学军 申请人:中国科学院力学研究所