CN116124229A - 一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，测量流量的技术领域，实现所述方法的具体步骤如下：步骤一、在液氮罐的管路上设置无源谐振腔，无源谐振腔与管路中的液氮，采用接触式或者非接触式的方式，构建无源谐振腔***；步骤二、采用对比的方式检测无源谐振腔的频率漂移；步骤三、由无源谐振腔频率漂移，确定液氮罐出液管路的液氮的流速，测量液氮罐出液管路截面积的值，液氮罐出液管路中的液氮流量等于液氮罐出液管路中液氮的流速乘以液氮罐出液管路截面积；通过无源谐振腔检测液氮罐管路中的液氮流量，用于监控若干液氮罐内的液氮情况。

Description

一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法

技术领域

本发明涉及测量流量的技术领域，具体为一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法。

背景技术

用于保存生物样品的液氮罐，通常冷冻样品，防止细胞死亡或分解；液氮罐的工作原理是将罐内的水分和氧气去除，然后在罐中注入液氮，将浸泡样品冷冻到零下几十摄氏度，长时间保存生物样品，如细胞、种子、血液、DNA等；在保存生物样品的环节，对液氮罐内的液氮进行检测是非常关键的，若干液氮罐采用串联或者并联的方式，对液氮罐内的液氮进行动态更换，不能很好地检测每一个液氮罐更换液氮的过程量，同时，现有的液氮管路流量检测方法包括机械流量计、热式流量计和降压式流量计等，但这些方法都存在一定的限制，如需要电源供应、易受到高温影响、不能测量微小流量等问题。

发明内容

针对以上问题，至少解决其中一个问题，本发明的目的在于通过无源谐振腔检测液氮罐管路中的液氮流量，监控若干液氮罐内的液氮情况，提供一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，实现所述方法的具体步骤如下：

步骤一、在液氮罐的管路上设置无源谐振腔，无源谐振腔与管路中的液氮，采用接触式或者非接触式的方式，构建无源谐振腔***；需要说明的是，在液氮罐的管路上设置无源谐振腔，无源谐振腔不需要外接电源和信号处理电路，具有结构简单、易于制造、不易受电磁干扰、稳定性高、损耗低、高品质因数的共振和具有较好的频率选择性等优点；采用以下两种方式之一都可以构建无源谐振腔***，第一种方式采用接触式构建无源谐振腔***，由于液氮处于低温状态，无源谐振腔要与液氮直接接触，因此无源谐振腔要选择适合低温环境的材料；第二种方式采用非接触式构建无源谐振腔***，防止低温液氮对无源谐振腔产生任何不利影响；

步骤二、采用对比的方式检测无源谐振腔的频率漂移；需要说明的是，无源谐振腔的频率漂移，是指无源谐振腔输出的频率随着时间的推移而发生变化，主要原因是由液氮罐出液管路中液氮流速变化引起，当然包括液氮罐出液管路中是否存在液氮和液氮流速的快慢，确定无源谐振腔频率漂移的具体步骤如下：

步骤C1、确定无源谐振腔的基准频率；检测无源谐振腔的基准频率包括的条件为：液氮罐出液管路中没有液氮、液氮罐出液管路处于基准温度，比如将基准温度T₀定为0摄氏度或者是25摄氏度，在以上的基础条件下，检测无源谐振腔的基准频率F；

步骤C2、液氮罐出液管路中的液氮处于流动状态，测量无源谐振腔的实时频率f，并确定无源谐振腔的频率漂移Δf；需要说明的是，需要测无源谐振腔的温度，

通过测量无源谐振腔的实时频率f和无源谐振腔的实时温度T，建立以下公式：

f = -F(q-1)αT

需要说明的是，无源谐振腔的品质因数q和无源谐振腔的温度系数α需要校正，其原因在于无源谐振腔的规格、形状和材料等因素的不同，其参数的大小也不相同；

确定无源谐振腔的品质因数q，确定无源谐振腔的温度系数α，将无源谐振腔的实时温度T替换为无源谐振腔的基准温度T₀，确定无源谐振腔的频率漂移Δf的公式如下：

Δf = -F(q-1)αT₀

其中，Δf表示无源谐振腔的频率漂移； f表示无源谐振腔的实时频率；F表示无源谐振腔的基准频率；q表示无源谐振腔的品质因数；α表示无源谐振腔的温度系数； T表示无源谐振腔的实时温度，T₀表示无源谐振腔的基准温度；

步骤三、由无源谐振腔频率漂移，确定液氮罐出液管路的液氮的流速；需要说明的是，需要测液氮罐出液管路的液氮声速，

液氮罐出液管路的液氮的流速计算公式为：

v = λ(Δf - F)÷2

其中，v表示液氮的流速，λ表示液氮的声速，Δf表示无源谐振腔的频率漂移，F表示无源谐振腔的基准频率，÷表示除法；需要说明的是，测量液氮罐出液管路截面积的值，液氮罐出液管路中的液氮流量等于液氮罐出液管路中液氮的流速乘以液氮罐出液管路截面积，由关系式：流速=流量÷管路截面积，确定液氮罐出液管路的液氮的流量；

进一步地，测量液氮声速使用声波干涉法，以下是使用声波干涉法测量液氮声速的步骤：

步骤D1、准备两个声源，一个是发出连续频率变化的声波，另一个是产生固定频率的声波；

步骤D2、将两个声源分别固定在液氮罐出液管路中的不重叠位置，使它们的声波在液氮中相遇并产生干涉；

步骤D3、通过检测干涉波来计算液氮的声速λ；

测量液氮声速的公式如下：

λ = 2d÷t

其中，λ表示液氮的声速，d表示声波穿过液氮时的路程长度，t表示声波通过液氮所需的时间，÷表示除法；

需要说明的是，通过步骤一至步骤三，用于监控若干液氮罐内的液氮情况，若干液氮罐是大于等于两罐的液氮罐。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

（1）、在液氮罐的管路上设置无源谐振腔，无源谐振腔不需要外接电源和信号处理电路，具有结构简单、易于制造、不易受电磁干扰、稳定性高、损耗低、高品质因数的共振和具有较好的频率选择性等优点；

（2）、无源谐振腔不会对液氮罐管路***产生任何干扰，检测结果具有准确性高和稳定性高，可实现对液氮罐管路***的实时监测；

（3）、无源谐振腔上设置可调谐的天线，传输振动传感器的频率值，可调谐天线能够调节频率以适应不同频率，通过调节可调谐天线的频率，来区分不同的可调谐天线，一个可调谐天线对应一个振动传感器和无源谐振腔，进而实现通过可调谐天线自身的频率来确定对应的液氮罐，因此可以实现对大量的液氮罐进行监控，进而精准控制若干液氮罐内的液氮；同理，传输振动传感器采用数据线的方式，传输振动传感器的频率值，数据线与液氮罐都采用阵列的方式，实现一一对应，一根数据线的位置对应一罐液氮罐的位置，因此可以实现对大量的液氮罐进行监控，进而精准控制若干液氮罐内的液氮。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法的流程示意图；

图2是一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法的非接触式构建无源谐振腔的剖视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：

如图1至图2所示，本发明提供了一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，实现所述方法的具体步骤如下：

步骤一、在液氮罐的管路上设置无源谐振腔，无源谐振腔与管路中的液氮，采用接触式或者非接触式的方式，构建无源谐振腔***；

步骤二、采用对比的方式检测无源谐振腔的频率漂移；

步骤三、由无源谐振腔频率漂移，确定液氮罐出液管路的液氮的流速。

其中，步骤一、在液氮罐的管路上设置无源谐振腔，无源谐振腔与管路中的液氮，采用接触式或者非接触式的方式，构建无源谐振腔***；需要说明的是，在液氮罐的管路上设置无源谐振腔，无源谐振腔不需要外接电源和信号处理电路，具有结构简单、易于制造、不易受电磁干扰、稳定性高、损耗低、高品质因数的共振和具有较好的频率选择性等优点；采用以下两种方式之一都可以构建无源谐振腔***，第一种方式采用接触式构建无源谐振腔***，由于液氮处于低温状态，无源谐振腔要与液氮直接接触，因此无源谐振腔要选择适合低温环境的材料；第二种方式采用非接触式构建无源谐振腔***，防止低温液氮对无源谐振腔产生任何不利影响。

进一步地，其中，在步骤一中，第一种方式采用接触式构建无源谐振腔***，无源谐振腔与管路中的液氮采用接触式的具体步骤如下：

步骤A1、在液氮罐出液管路内安装一个空心管，使其能够对液氮流量进行限制；选择适当的空心管，可以根据液氮温度和传输频率进行选择，通常使用铁氧体材料的空心管，作为无源谐振腔，使用的效果好，测量的精度高；

步骤A2、在限制液体流量的空心管的上下游分别安装无源谐振腔的入口和出口，使无源谐振腔的一个振动模态能够在流体通过限流管道的过程中发生共振；需要说明的是，无源谐振腔的入口和出口的直径是小于无源谐振腔的直径，在无源谐振腔的入口处，加装冷阱等设备以过滤掉可能的杂质和水分，以免对无源谐振腔造成损害；

步骤A3、在无源谐振腔的入口和出口之间的空间内，设置超导振动传感器感知无源谐振腔的频率变化；需要说明的是，因为液氮的温度非常低，所以需要使用超导材料的振动元件，来适应此类低温环境，超导材料作为传感器的振动元件，可以在极低的温度下保持稳定的性能，并能够测量微小的振动，此外，超导振动传感器还需要使用超导电缆和超导放大器来进行信号传输和放大，放大的信号通过一个可调谐的天线，传输振动传感器的频率值，可调谐天线能够调节频率以适应不同频率，通过调节可调谐天线的频率，来区分不同的可调谐天线，一个可调谐天线对应一个振动传感器和无源谐振腔，进而实现通过可调谐天线自身的频率来确定对应的液氮罐，根据具体的情况，比如液氮罐处于集中状态，传输振动传感器采用数据线的方式，传输振动传感器的频率值，数据线与液氮罐都采用阵列的方式，实现一一对应，一根数据线的位置对应一罐液氮罐的位置，虽然超导振动传感器的使用成本相对较高，但可以实现精确的测量及长期稳定的性能；液氮温度会导致无源谐振腔的共振频率产生变化，需要根据实际情况进行频率校准或者调整，同时需要保持无源谐振腔的清洁，避免灰尘和杂质的积累影响信号传输效果；

步骤A4、发射微波校验无源谐振腔和超导振动传感器之间的参数；需要说明的是，校验无源谐振腔和超导振动传感器之间的参数，有助于提高检测频率的精度。

进一步地，其中，在步骤一中，第二种方式采用非接触式构建无源谐振腔***，防止低温液氮对无源谐振腔产生任何不利影响，无源谐振腔与管路中的液氮采用非接触式的具体步骤如下：

步骤B1、在液氮罐出液管路的外层安装一个微型无源谐振腔，无源谐振腔包括一个共振腔体和感知无源谐振腔的频率变化的振动传感器，无源谐振腔的内壁和液氮罐出液管路之间采用金属支架的方式连接；管5的内部是液氮的流动通道6，管5的外壁与无源谐振腔2的内壁通过若干金属支架连接，金属支架包括第一金属支架3、第一金属支架7、第一金属支架8和第一金属支架9，第一金属支架3、第一金属支架7、第一金属支架8和第一金属支架9在无源谐振腔的空腔4内，振动传感器1设置在无源谐振腔2内，需要说明的是，采用金属支架的方式连接无源谐振腔的内壁和液氮罐出液管路，有两个目的，第一个目的是将无源谐振腔固定在液氮罐出液管路上，第二个目的是将无源谐振腔和液氮罐出液管路连为一体，用无源谐振腔感知液氮罐出液管路的频率变化，特别是感知液氮罐出液管路中液氮流速和频率之间的变化关系；无源谐振腔内的振动传感器可以选用压阻式传感器或者电容式传感器，具体选用哪一种传感器应该根据实际情况进行选择；在无源谐振腔上设置一个可调谐的天线，传输振动传感器的频率值，可调谐天线能够调节频率以适应不同频率，通过调节可调谐天线的频率，来区分不同的可调谐天线，一个可调谐天线对应一个振动传感器和无源谐振腔，进而实现通过可调谐天线自身的频率来确定对应的液氮罐，根据具体的情况，比如液氮罐处于集中状态，传输振动传感器采用数据线的方式，传输振动传感器的频率值，数据线与液氮罐都采用阵列的方式，实现一一对应，一根数据线的位置对应一罐液氮罐的位置；

步骤B2、微型无源谐振腔采用封闭的方式，在微型无源谐振腔填充空气，调节微型无源谐振腔的共振频率；

步骤B3、发射微波校验无源谐振腔的频率参数；需要说明的是，校验无源谐振腔的频率参数，有助于提高检测频率的精度。

为了更好的实现本发明的目的，步骤二、采用对比的方式检测无源谐振腔的频率漂移；需要说明的是，无源谐振腔的频率漂移，是指无源谐振腔输出的频率随着时间的推移而发生变化，主要原因是由液氮罐出液管路中液氮流速变化引起，当然包括液氮罐出液管路中是否存在液氮和液氮流速的快慢。

进一步地，其中，在步骤二中，确定无源谐振腔频率漂移的具体步骤如下：

步骤C1、确定无源谐振腔的基准频率；检测无源谐振腔的基准频率包括的条件为：液氮罐出液管路中没有液氮、液氮罐出液管路处于基准温度，比如将基准温度T₀定为0摄氏度或者是25摄氏度，在以上的基础条件下，检测无源谐振腔的基准频率F；

步骤C2、液氮罐出液管路中的液氮处于流动状态，测量无源谐振腔的实时频率f，并确定无源谐振腔的频率漂移Δf；需要说明的是，需要测无源谐振腔的温度，

通过测量无源谐振腔的实时频率f和无源谐振腔的实时温度T，建立以下公式：

f = -F(q-1)αT

需要说明的是，无源谐振腔的品质因数q和无源谐振腔的温度系数α需要校正，其原因在于无源谐振腔的规格、形状和材料等因素的不同，其参数的大小也不相同；

确定无源谐振腔的品质因数q，确定无源谐振腔的温度系数α，将无源谐振腔的实时温度T替换为无源谐振腔的基准温度T₀，确定无源谐振腔的频率漂移Δf的公式如下：

Δf = -F(q-1)αT₀

其中，Δf表示无源谐振腔的频率漂移；f表示无源谐振腔的实时频率；F表示无源谐振腔的基准频率；q表示无源谐振腔的品质因数；α表示无源谐振腔的温度系数； T表示无源谐振腔的实时温度，T₀表示无源谐振腔的基准温度；

为了更好的实现本发明的目的，步骤三、由无源谐振腔频率漂移，确定液氮罐出液管路的液氮的流速；需要说明的是，需要测液氮罐出液管路的液氮声速，

液氮罐出液管路的液氮的流速计算公式为：

v = λ(Δf - F)÷2

其中，v表示液氮的流速，λ表示液氮的声速，Δf表示无源谐振腔的频率漂移，F表示无源谐振腔的基准频率，÷表示除法；

进一步地，其中，在步骤三中，测量液氮声速使用声波干涉法，以下是使用声波干涉法测量液氮声速的步骤：

步骤D1、准备两个声源，一个是发出连续频率变化的声波，另一个是产生固定频率的声波；

步骤D2、将两个声源分别固定在液氮罐出液管路中的不重叠位置，使它们的声波在液氮中相遇并产生干涉；

步骤D3、通过检测干涉波来计算液氮的声速λ；

测量液氮声速的公式如下：

λ = 2d÷t

其中，λ表示液氮的声速，d表示声波穿过液氮时的路程长度，t表示声波通过液氮所需的时间，÷表示除法。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，其特征在于，实现所述方法的具体步骤如下：

步骤一、在液氮罐的管路上设置无源谐振腔，无源谐振腔与管路中的液氮，采用接触式或者非接触式的方式，构建无源谐振腔***；

步骤二、采用对比的方式检测无源谐振腔的频率漂移；

步骤三、由无源谐振腔频率漂移，确定液氮罐出液管路的液氮的流速。

2.根据权利要求1所述的一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，其特征在于：在步骤一中，无源谐振腔与管路中的液氮采用接触式的具体步骤如下：

步骤A1、在液氮罐出液管路内安装一个空心管，使其能够对液氮流量进行限制；

步骤A2、在限制液体流量的空心管的上下游分别安装无源谐振腔的入口和出口，使无源谐振腔的一个振动模态能够在流体通过限流管道的过程中发生共振；

步骤A3、在无源谐振腔的入口和出口之间的空间内，设置超导振动传感器感知无源谐振腔的频率变化；

步骤A4、发射微波校验无源谐振腔和超导振动传感器之间的参数。

3.根据权利要求2所述的一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，其特征在于：在步骤一的步骤A2中，无源谐振腔的入口和出口的直径是小于无源谐振腔的直径。

4.根据权利要求2所述的一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，其特征在于：在步骤一的步骤A2中，在无源谐振腔的入口处加装冷阱设备。

5.根据权利要求1所述的一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，其特征在于：在步骤一中，无源谐振腔与管路中的液氮采用非接触式的具体步骤如下：

步骤B1、在液氮罐出液管路的外层安装一个微型无源谐振腔，无源谐振腔包括一个共振腔体和感知无源谐振腔的频率变化的振动传感器，无源谐振腔的内壁和液氮罐出液管路之间采用金属支架的方式连接；

步骤B2、微型无源谐振腔采用封闭的方式，在微型无源谐振腔填充空气，调节微型无源谐振腔的共振频率；

步骤B3、发射微波校验无源谐振腔的频率参数。

6.根据权利要求1所述的一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，其特征在于：在步骤二中，确定无源谐振腔频率漂移的具体步骤如下：

步骤C1、确定无源谐振腔的基准频率；

步骤C2、液氮罐出液管路中的液氮处于流动状态，测量无源谐振腔的实时频率f，并确定无源谐振腔的频率漂移Δf。

7.根据权利要求6所述的一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，其特征在于：在步骤二的步骤C2中，确定无源谐振腔的频率漂移Δf的公式如下：

Δf = -F(q-1)αT₀

其中，Δf表示无源谐振腔的频率漂移；F表示无源谐振腔的基准频率；q表示无源谐振腔的品质因数；α表示无源谐振腔的温度系数；T₀表示无源谐振腔的基准温度。

8.根据权利要求1所述的一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，其特征在于：在步骤三中，液氮罐出液管路的液氮的流速计算公式为：

v = λ(Δf - F)÷2

其中，v表示液氮的流速，λ表示液氮的声速，Δf表示无源谐振腔的频率漂移，F表示无源谐振腔的基准频率，÷表示除法。

9.根据权利要求8所述的一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，其特征在于：在步骤三中，测量液氮声速使用声波干涉法，以下是使用声波干涉法测量液氮声速的步骤：

步骤D1、准备两个声源，一个是发出连续频率变化的声波，另一个是产生固定频率的声波；

步骤D2、将两个声源分别固定在液氮罐出液管路中的不重叠位置，使它们的声波在液氮中相遇并产生干涉；

步骤D3、通过检测干涉波来计算液氮的声速λ。

10.根据权利要求9所述的一种采用无源谐振腔检测液氮罐管路流量的方法，其特征在于：在步骤三的步骤D3中，测量液氮声速的公式如下：

λ = 2d÷t

其中，λ表示液氮的声速，d表示声波穿过液氮时的路程长度，t表示声波通过液氮所需的时间，÷表示除法。

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