基于磁流变弹性体的气体流量测量装置、方法及系统

1.本发明涉及一种气体流量仪表领域，尤其涉及一种基于磁流变弹性体的气体流量测量装置、方法及系统。


背景技术：

2.随着经济的快速发展，我国燃气行业技术水平取得了迅猛提升。经历多年的快速发展，天然气的应用范围从民用炊事发展到工业、采暖、制冷、发电、燃气汽车等诸多领域。在中国，城市管网压力范围：0.05-0.4mpa，经调压到2-3kpa(一般2.8kpa)后进入灶前管道；而天然气灶的额定出口压力为2kpa，一旦调压器故障或是其他原因使得0.05-0.4mpa的压力串入低压燃气管道，会因承受不住这种高压而发生泄漏，严重的将可能发生爆炸的危险。因此，如何提高气体流量计的测量精度、响应时间，保证其质量与降低成本，并能够满足各种复杂的场合成为了当前的关注重点。利用测量超声波的压力传递量和时间差方法来测量的超声波流量计具有非接触测量、适用性广等特性收获了一定市场，但其精度不高、抗干扰能力差、响应慢。
3.因此，为解决上述技术问题，亟需提出一种新的技术手段。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供的一种基于磁流变弹性体的气体流量测量装置，包括基体和磁流变弹性体器件；
5.所述基体设置有喇叭状的沉孔，所述沉孔的缩口端为沉孔的底部；所述磁流变弹性体器件固定设置于沉孔的底部，所述沉孔的扩口端迎向气流流向。
6.进一步，所述沉孔为n个且n个沉孔的结构及尺寸相同，n个沉孔的底部圆心位于同一直线上。
7.进一步，相邻沉孔之间的间距相等。
8.相应地，本发明还提供一种基于上述气体流量测量装置的气体流量测量方法，包括以下步骤：
9.s1.将气体流量测量装置置于管道中；
10.s2.磁流变弹性体器件输出气体流向沉孔时对磁流变弹性体器件施加的压力值；
11.s3.构建气体压力值与流入管道气体的气体流速计算模型，计算模型如下：
[0012][0013]
其中，f表示气体压力值，ρ表示流入管道的气体的密度，s表示磁流变弹性体器件的受力面积，v1表示沉孔缩口端的气体流速；
[0014]
s4.将气体压力值代入计算模型中，得到对应沉孔缩口端的气体流速v1；
[0015]
s5.根据沉孔缩口端的实时气体流速v1计算沉孔扩口端气体流速v0，得到管道内的气体流速分布图，沉孔扩口端气体流速v0计算公式如下：
[0016][0017]
其中，v0表示沉孔扩口端的气体流速，d0表示沉孔扩口端的直径，v1表示沉孔缩口端的实时气体流速，d1表示沉孔缩口端的直径；
[0018]
s6.根据沉孔扩口端气体流速v0计算出流向管道的气体流量值q，计算公式如下：
[0019][0020]
其中，q表示管道内的气体流量值，i表示沉孔的序号，n表示沉孔的总数，π表示圆周率，d表示基体的长度，表示第i个沉孔扩口端的气体流速，表示第n-i+1个沉孔扩口端的气体流速。
[0021]
相应地，本发明还提供一种基于上述气体流量测量方法的气体流量测量系统，包括气体流量测量装置、处理模块、无线通讯模块和显示模块；
[0022]
所述气体流量测量装置用于实时测量通过磁流变弹性体器件的气体压力值，并将气体压力值输出至处理模块；
[0023]
所述处理模块接收测量装置中各磁流变弹性体器件的气体压力值，并根据气体压力值计算气体在管道内的流速分布状态以及整个管道的气体流量，处理模块将流速分布状态和气体流量通过无线通讯模块上传至显示模块；
[0024]
所述显示模块用于接收气体流量信息，并对气体流量值和流速分布状态进行显示。
[0025]
进一步，处理模块包括预处理电路和微控制器；
[0026]
所述预处理电路，其输入端连接于磁流变弹性体器件，用于对压力值进行预处理，得到数字信号；
[0027]
所述微控制器，用于接受预处理电路输出的数字信号，并根据数字信号计算气体流速分布状态和气体流量，并将气体流速分布状态和气体流量通过无线通信模块传输至显示模块。
[0028]
进一步，所述预处理电路用于对气压值先进行放大然后进行滤波处理，将滤波处理后的模拟压力值信号转换为数字信号。
[0029]
进一步，所述无线通信模块包括蓝牙模块、zigbee模块或移动通信模块中的任意一种。
[0030]
进一步，所述显示模块包括控制主机和显示设备；
[0031]
所述控制主机用于接收无线通讯模块传输的气体流速分布状态和气体流量；所述显示设备用于接收控制主机传输的气体流速分布状态和气体流量。
[0032]
本发明的有益效果：本发明通过喇叭状沉孔放大局部风速，实现对管道内气体流速的精准测量；并通过分布式采集管道内多区域气体流速，计算出管道内的整体流量，同时
结合显示模块让用户能够实时查看管道内的气体流量和气体流速分布。
附图说明
[0033]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[0034]
图1为本发明气体流量测量装置结构的正视图、左视图和后视图；
[0035]
图2为本发明气体流量测量装置置于管道内的示意图；
[0036]
图3为本发明磁流变弹性体器件测量原理图；
[0037]
图4为本发明沉孔示意图；
[0038]
图5为本发明偶数计算示意图；
[0039]
图6为本发明奇数计算示意图。
具体实施方式
[0040]
以下结合说明书附图对本发明进一步作出详细说明：
[0041]
本发明提供的一种基于磁流变弹性体的气体流量测量装置，包括基体3和磁流变弹性体器件2，如图1所示；所述基体3为一条直杆，直杆的最大长度与管道的内直径相等，且直杆的顶部和底部是与管道内壁适形配合的弧面，如图2所示；
[0042]
所述基体设置有喇叭状的沉孔，喇叭状的沉孔能够增加局部风速，提高装置测量灵敏度；所述沉孔1的缩口端为沉孔的底部；所述磁流变弹性体器件2固定设置于沉孔的底部，所述沉孔1的扩口端迎向气流流向；
[0043]
其中，磁流变弹性体器件2为磁流变弹性体柔性传感器，磁流变弹性体柔性传感器由上电极、下电极和中间层组成，中间层的粒子是导电物质、介电物质、离子等各类在压力作用下会发生移动或变形的材料；
[0044]
磁流变弹性体柔性传感器的测量原理为现有技术，在此进行简单介绍：当气体流向沉孔形成压力作用于磁流变弹性体柔性传感器时，磁流变弹性体柔性传感器的中间层会产生相对应的形变δl，并且中间层的粒子会按照一定的规律产生变形和位移，磁流变弹性体柔性传感器的电学指标会发生相应的改变，如图3所示，改变的电学指标称为电学变化量δe，电学变化量δe用于表征被测量的信息，本发明中，电学变化量δe用于表征压力值；根据测量原理的不同，电学变化量可能是δi,δr,δv,δc，测量原理包括但不限于压阻式、压电式、压容式、摩擦电式等。
[0045]
所述沉孔1为n个且n个沉孔的结构及尺寸相同，n个沉孔的底部圆心位于同一直线上，其中，n》3。
[0046]
相邻沉孔之间的间距相等，第一个沉孔底部圆心与第二个沉孔底部圆心距离等于第二个沉孔底部圆心与第三个沉孔底部圆心距离，第一个沉孔底部圆心与顶部最高点的距离等于第一个沉孔底部圆心与第二个沉孔底部圆心距离的二分之一，第n个沉孔底部圆心与底部最低点的距离等于第n-1个沉孔底部圆心与第n个沉孔底部圆心距离的二分之一，即第一个沉孔底部圆心与顶部最高点的距离等于第n个沉孔底部圆心与底部最低点的距离。
[0047]
通过上述装置，不仅能够实现非接触测量，而且测量精度高，装置抗干扰能力强，响应快。
[0048]
相应地，本发明还提供一种基于上述气体流量测量装置的气体流量测量方法，包
括以下步骤：
[0049]
s1.将气体流量测量装置置于管道中，气体流量测量装置与管道适形配合，如图2所示；
[0050]
s2.磁流变弹性体器件输出气体流向沉孔时对磁流变弹性体器件施加的压力值，在磁流变弹性体器件使用前对磁流变弹性体器件进行标定；
[0051]
s3.构建气体压力值与气体流速的计算模型，计算模型如下：
[0052][0053]
其中，f表示气体压力值，ρ表示通入气体的密度，s表示磁流变弹性体器件的受力面积，v1表示沉孔缩口端的气体流速；
[0054]
s4.将气体压力值代入计算模型中，得到对应沉孔缩口端的气体流速v1；
[0055]
s5.根据沉孔缩口端的实时气体流速v1计算沉孔扩口端气体流速v0，沉孔扩口端气体流速v0计算公式如下：
[0056][0057]
其中，v0表示沉孔扩口端的气体流速，d0表示沉孔扩口端的直径，v1表示沉孔缩口端的实时气体流速，d1表示沉孔缩口端的直径，如图4所示；
[0058]
其中，具体比值大小根据用户需求确定，例如，当管道内气体流速特别小时，就需要尽可能的放大局部风速，d0要尽可能的大于d1，以达到精准测量的目的；
[0059]
计算出n个沉孔扩口端的气体流速v0就能得到管道内的气体流速分布状态；
[0060]
s6.根据沉孔扩口端气体流速v0计算出通入管道的气体流量值q，计算公式如下：
[0061][0062]
其中，q表示管道内的气体流量值，i表示沉孔的序号，n表示沉孔的总数，π表示圆周率，d表示基体的长度，表示第i个沉孔扩口端的气体流速，表示第n-i+1个沉孔扩口端的气体流速；
[0063]
其中，气体流量值q是根据不同圆环的面积和圆环内对应的气体流速计算得来，如图5所示，1表示沉孔，2表示磁流变弹性体器件，3表示基体，4表示管道，当n为偶数且等于6时，整个基体3关于第三个沉孔底部圆心与第四个沉孔底部圆心距离的中点对称，第一个沉孔和第六个沉孔位于第一层圆环5内，第二个沉孔和第五个沉孔位于第二层圆环6内，第三个沉孔和第四个沉孔位于第三层圆7内，第一层圆环5的气体流量值就等于第一层圆环的面积乘以再除以4，其中，第一层圆环5的面积根据第一层圆环5的外半径和第一层圆环
5的内半径进行求解，整个基体的最大长度为d，而第一层圆环5的外半径就等于由于第一层圆环5的内半径就等于第二层圆环6的外半径，即等于第一层圆环5的面积就等于同理，第二层圆环6的面积就等于第三层圆7的面积等于由此推出每一层圆环面积的表达式为化简为总的气体流量值q等于第一层圆环5的气体流量值，加上第二层圆环6的气体流量值，再加上第三层圆7的气体流量值；
[0064]
当n为奇数且等于5时，如图6所示，基体3关于第三个沉孔的底部圆心对称，第一个沉孔和第五个沉孔在第一层圆环8内，第二个沉孔和第四个沉孔在第二层圆环9内，第三个沉孔在第三层圆10内，第一层圆环8和第二层圆环9的计算方法与前述计算方法相同，等于圆环面积乘以气体流速均值再除以4，第三层圆环10的气体流量值等于第三层圆10的面积，乘以第三个沉孔的气体流速，再除以4，第三层圆10的面积直接根据第三层圆10的半径求解，第三层圆10的半径等于通用表达式为总的气体流量值q等于第一层圆环8的气体流量值，加上第二层圆环9的气体流量值，再加上第三层圆10的气体流量值。通过上述方法，能够在测量过程中能够反映管道全区域气体流速大小，有利于使用人根据流量大小做出准确的应对措施。
[0065]
相应地，本发明还提供一种基于上述气体流量测量方法的气体流量测量系统，包括气体流量测量装置、处理模块、无线通讯模块和显示模块；
[0066]
所述气体流量测量装置用于实时测量通过磁流变弹性体器件的气体压力值，并将气体压力值输出至处理模块；
[0067]
所述处理模块接收测量装置中各磁流变弹性体器件的气体压力值，并根据气体压力值计算气体在管道内的流速分布状态以及整个管道的气体流量，处理模块将流速分布状态和气体流量通过无线通讯模块上传至显示模块；处理模块计算得到的整个管道的气体流量值可用作气体流量预警，当管道内的气体流量值大于设定阈值时，发出气体流量预警；
[0068]
所述显示模块用于接收气体流量信息，并对气体流量值和流速分布状态进行显示。
[0069]
本实施例中，处理模块包括预处理电路和微控制器；
[0070]
所述预处理电路包括放大电路、滤波电路和ad转换电路，预处理电路的输入端连接于磁流变弹性体器件，用于对压力值先进行放大然后进行滤波处理，将滤波处理后的模拟压力值信号转换为数字信号；其中，放大电路、滤波电路和ad转换电路采用现有的电路；
[0071]
所述微控制器，用于接受预处理电路输出的数字信号，并根据数字信号计算气体流速分布状态和气体流量，并将气体流速分布状态和气体流量通过无线通信模块传输至显示模块。
[0072]
本实施例中，所述无线通信模块包括蓝牙模块、zigbee模块或移动通信模块中的
任意一种，其中，移动通信模块包括但不限于4g、5g等。
[0073]
本实施例中，所述显示模块包括控制主机和显示设备；
[0074]
所述控制主机用于接收无线通讯模块传输的气体流速分布状态和气体流量；
[0075]
所述显示设备用于接收控制主机传输的气体流速分布状态和气体流量。
[0076]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于磁流变弹性体的气体流量测量装置，其特征在于：包括基体和磁流变弹性体器件；所述基体设置有喇叭状的沉孔，所述沉孔的缩口端为沉孔的底部；所述磁流变弹性体器件固定设置于沉孔的底部，所述沉孔的扩口端迎向气流流向。2.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的气体流量测量装置，其特征在于：所述沉孔为n个且n个沉孔的结构及尺寸相同，n个沉孔的底部圆心位于同一直线上。3.根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的气体流量测量装置，其特征在于：相邻沉孔之间的间距相等。4.一种基于权利要求3所述气体流量测量装置的气体流量测量方法，其特征在于：包括以下步骤：s1.将气体流量测量装置置于管道中；s2.磁流变弹性体器件输出气体流向沉孔时对磁流变弹性体器件施加的压力值；s3.构建气体压力值与流入管道气体的气体流速计算模型，计算模型如下：其中，f表示气体压力值，ρ表示流入管道的气体的密度，s表示磁流变弹性体器件的受力面积，v1表示沉孔缩口端的气体流速；s4.将气体压力值代入计算模型中，得到对应沉孔缩口端的气体流速v1；s5.根据沉孔缩口端的实时气体流速v1计算沉孔扩口端气体流速v0，得到管道内的气体流速分布图，沉孔扩口端气体流速v0计算公式如下：其中，v0表示沉孔扩口端的气体流速，d0表示沉孔扩口端的直径，v1表示沉孔缩口端的实时气体流速，d1表示沉孔缩口端的直径，沉孔的变径结构如图4所示；s6.根据沉孔扩口端气体流速v0计算出流向管道的气体流量值q，计算公式如下：其中，q表示管道内的气体流量值，i表示沉孔的序号，n表示沉孔的总数，π表示圆周率，d表示基体的长度，表示第i个沉孔扩口端的气体流速，表示第n-i+1个沉孔扩口端的气体流速。5.一种基于权利要求4所述气体流量测量方法的气体流量测量系统，其特征在于：包括气体流量测量装置、处理模块、无线通讯模块和显示模块；所述气体流量测量装置用于实时测量通过磁流变弹性体器件的气体压力值，并将气体压力值输出至处理模块；
所述处理模块接收测量装置中各磁流变弹性体器件的气体压力值，并根据气体压力值计算气体在管道内的流速分布状态以及整个管道的气体流量，处理模块将流速分布状态和气体流量通过无线通讯模块上传至显示模块；所述显示模块用于接收气体流量信息，并对气体流量值和流速分布状态进行显示。6.根据权利要求5所述的气体流量测量系统，其特征在于：处理模块包括预处理电路和微控制器；所述预处理电路，其输入端连接于磁流变弹性体器件，用于对压力值进行预处理，得到数字信号；所述微控制器，用于接受预处理电路输出的数字信号，并根据数字信号计算气体流速分布状态和气体流量，并将气体流速分布状态和气体流量通过无线通信模块传输至显示模块。7.根据权利要求6所述的气体流量测量系统，其特征在于：所述预处理电路用于对气压值先进行放大然后进行滤波处理，将滤波处理后的模拟压力值信号转换为数字信号。8.根据权利要求5所述的气体流量测量系统，其特征在于：所述无线通信模块包括蓝牙模块、zigbee模块或移动通信模块中的任意一种。9.根据权利要求5所述的气体流量测量系统，其特征在于：所述显示模块包括控制主机和显示设备；所述控制主机用于接收无线通讯模块传输的气体流速分布状态和气体流量；所述显示设备用于接收控制主机传输的气体流速分布状态和气体流量。

技术总结
本发明提供的一种基于磁流变弹性体的气体流量测量装置，包括基体和磁流变弹性体器件；所述基体设置有喇叭状的沉孔，所述沉孔的缩口端为沉孔的底部；所述磁流变弹性体器件固定设置于沉孔的底部，所述沉孔的扩口端迎向气流流向；所述沉孔为n个且n个沉孔的结构及尺寸相同，n个沉孔的底部圆心位于同一直线上，相邻沉孔之间的间距相等。通过上述装置，能够实现对管道内气体流速和气体流量的精准测量。对管道内气体流速和气体流量的精准测量。对管道内气体流速和气体流量的精准测量。


技术研发人员：廖昌荣 卢婕 张永浩 王迪
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/8