CN105784019B - 双活塞对称阻尼式流量传感器探头及检测方法 - Google Patents

双活塞对称阻尼式流量传感器探头及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双活塞对称阻尼式流量传感器探头及检测方法，传感器探头包括活塞缸和检测箱，活塞缸的两端分别由端盖封闭，活塞缸的中部设置有隔板，隔板两侧分别滑动设置有一活塞，活塞与端盖之间设置有弹簧，端盖上开设有探头安置孔，探头安置孔内设置有光纤检测端，活塞上正对光纤检测端处设置有反光部件，隔板与两个活塞之间的两个腔室分别通过一个流体通路与检测箱相连通，流体通路和气源分别设置于流体在检测箱内部流通路径的相对两侧。以解决现有流量传感器多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多场合不能很好地胜任的问题。本发明属于流量检测领域。

Description

双活塞对称阻尼式流量传感器探头及检测方法
技术领域
本发明涉及一种流量传感器，属于流量传感监测技术领域。
背景技术
现代工业生产尤其是自动化生产过程中，常常要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。传感器也早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。本发明是众多类别的传感器之一——流量传感器。随着传感器技术的发展，目前已经出现多种多样的流量传感器，最常用的有叶片式、涡街式、卡门涡旋式、热线式等。但是，诸如叶片式、涡街式、卡门涡旋式、热线式等传感器，原理多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多场合不能很好地胜任。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种双活塞对称阻尼式流量传感器探头及检测方法，以解决现有流量传感器多采用传统的动力测量方式，拥有测量精度不高、耗能大等局限，在很多场合不能很好地胜任的问题。
本发明的方案如下：一种双活塞对称阻尼式流量传感器探头，包括活塞缸和设置于活塞缸一侧的检测箱，活塞缸的两端分别由端盖封闭，活塞缸的中部位置设置有将活塞缸内部密封分隔为左右两个腔室的隔板，隔板两侧的活塞缸内分别滑动设置有一活塞，活塞与其所在一侧的端盖之间均设置有弹簧，弹簧的一端固定于活塞上，另一端固定于端盖上，所述两端的端盖上均开设有探头安置孔，每个探头安置孔内均设置有光纤检测端，活塞上正对光纤检测端处设置有反光部件，光纤检测端的光纤束由入射光纤和出射光纤集合铠装而成，光纤检测端的出射光纤与光电转换器相连，光电转换器与信号处理器相连，通过出射光纤所接收信号的变化即可判断反光部件与光纤检测端之间距离的变化，从而判断出进入活塞两侧的流体的压差；
检测箱上具有流体入口和流体出口以使流体流经检测箱的内部，活塞缸中隔板与两个活塞之间的两个腔室分别通过一个流体通路与检测箱相连通，还包括气源，气源的供气方向指向两个流体通路的中间位置，且流体通路和气源分别设置于流体在检测箱内部流通路径的相对两侧，如此设置，当检测箱内的流体不流通时，流入隔板两侧腔室的流体压力应当相同，则两个活塞的滑动距离相同，而当流体流动后，流入隔板两侧腔室的流体压力是不同的，则两个活塞的滑动距离不同，这种压力变化就会反映在光纤探头检测的光信号变化上，即通过该传感器检测出流体流量等信息。
气源的喷气方向与检测箱内流体的流通方向相垂直。
隔板与活塞缸为一体式结构或隔板密封固定于活塞缸内；
活塞缸内位于隔板两侧的腔室、两个活塞、两个弹簧以及隔板两侧的两个流体通路均相对于隔板对称设置，流体通路上均设置有过滤网。
为保证光纤探头的传感效果，检测更为精准，两个探头安置孔均开设在所在端盖的正中心位置，两个探头安置孔、两个活塞及弹簧均同轴设置，两个活塞及两个弹簧的规格及性能完全相同，反光部件与光纤检测端垂直设置，反光部件为反光镜或反光片，自然状态下，其中一个光纤检测端到该光纤检测端所对应的反光部件的距离与另一个光纤检测端到该另一个光纤检测端的距离相同，活塞与活塞缸的内壁之间设置有活塞密封圈，以防止活塞两侧的流体互相渗入；
光纤检测端与反光部件之间还设置有透光片，透光片为玻璃片，透光片均设置于两个探头安置孔位于两个端盖内侧的端口处，且探头安置孔的端口处通过透光片封闭设置。
作为优选的结构，所述光纤检测端通过螺纹旋紧固定于探头安置孔内，以保证光纤探头定位的牢固和精确；
利用上述传感器探头检测流体流量的方法，包括：
若检测箱内无被测流体流动，则活塞缸中两个活塞与隔板之间所形成的两个腔室内的流体压力是相同的，两个活塞的滑动距离相同，光纤检测端检测到两腔室压差为零；若检测箱内有被测流体流动，启动气源吹气形成气流，则被测流体与气流在检测箱内发生相互作用，使得被测流体和气流的初始动量发生改变，流体在检测箱内发生偏移，以致进入活塞缸的混合流体在隔板的两侧形成压强差，高压一侧活塞的滑移距离大，因此，高压一侧的光纤检测端与反光部件之距离较小，从而，经光电转换及信号处理计算后的输出值大小即可反映两侧检测腔内流体的压力差大小，再建立动量压差数学模型，推算得出流体动量；
所述动量压差数学模型如下：分析传动量与压差之间的关系，设气流的速度为Vs，被测流体的速度为V，其中Vs是由气源发射出来的气流速度，为已知量，活塞两端压强差与两个流体的动量Ms/M有关，其中M为被测流体动量，Ms为气流动量，分别与与V2成正比。
M＝kV2；
k为常数；
即：
则：
其中，k1为已知量，从而在已知ΔP后即可求得V的值，在试验中，我们取Vs等于5m/s，取k1＝2，V变化由1m/s到2m/s，其曲线如图3所述。
气源的喷气方向与检测箱内流体的流通方向相垂直。
本发明与现有技术相比，主要优点如下：经过结构设计、理论研究与实验分析可知，该传感器探头具有较小的结构、较高的精确度与可靠性、较好的适应性与互换性等，该传感器探头能适用于众多流体流量检测场合，将光电传感原理应用于流量检测领域，输出信号经光电转换及信号处理计算后输出值将成倍变化，从而提高了检测灵敏度，具有十分重要的实际应用价值，对新型流量传感器探头的设计与推广起到了极大的推动作用。
同时，该差压传感器探头采用活塞式结构作为压力探测器件，在两侧流体具有压力差时，活塞是平移运动，仅需根据活塞的平移量即可计算出流体压力差，对于光纤传感的要求更低，计算和测量更为简单，且活塞结构更加稳定，不易受外界干扰，不易损坏，使用寿命更为长久，使得传感器探头的可靠性、适应性及互换性都有了较大进步，适宜用作流体流量的测量；传感器的强度补偿原理更为简单，实用性更强。
附图说明
图1是该传感器探头结构的剖视图；
图2是检测原理图；
图3是流体动量与活塞两边压强差的关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图对本发明作进一步地详细描述，
实施例：
参照图1至图3，本实施例提供一种双活塞对称阻尼式流量传感器，包括活塞缸1和设置于活塞缸1一侧的检测箱2，活塞缸1的两端分别由端盖3封闭，活塞缸1的中部位置设置有将活塞缸1内部密封分隔为左右两个腔室的隔板4，隔板4与活塞缸1为一体式结构，隔板4两侧的活塞缸1内分别滑动设置有一活塞5，活塞5与其所在一侧的端盖3之间均设置有弹簧6，弹簧6的一端固定于活塞5上，另一端固定于端盖3上，所述两端的端盖3上均开设有探头安置孔7，每个探头安置孔7内均设置有光纤检测端9，活塞5上正对光纤检测端9处设置有反光部件8，光纤检测端9与反光部件8之间还设置有透光片31，透光片31为玻璃片，透光片31均设置于两个探头安置孔7位于两个端盖3内侧的端口处，且探头安置孔7的端口处通过透光片31封闭设置，光纤检测端9的光纤束由入射光纤和出射光纤集合铠装而成，光纤检测端9的出射光纤与光电转换器相连，光电转换器与信号处理器相连，活塞缸1内位于隔板4两侧的腔室、两个活塞5、两个弹簧6以及隔板4两侧的两个流体通路23均相对于隔板4对称设置，流体通路23上均设置有过滤网25，两个探头安置孔7均开设在所在端盖3的正中心位置，两个探头安置孔7、两个活塞5及弹簧6均同轴设置，两个活塞5及两个弹簧6的规格及性能完全相同，反光部件8与光纤检测端9垂直设置，反光部件8为反光镜或反光片，自然状态下，其中一个光纤检测端9到该光纤检测端9所对应的反光部件8的距离与另一个光纤检测端9到该另一个光纤检测端9的距离相同，活塞5与活塞缸1的内壁之间设置有活塞密封圈51。
检测箱2上具有流体入口21和流体出口22以使流体流经检测箱2的内部，活塞缸1中隔板4与两个活塞5之间的两个腔室分别通过一个流体通路23与检测箱2相连通，还包括气源24，气源24的供气方向指向两个流体通路23的中间位置，且流体通路23和气源24分别设置于流体在检测箱2内部流通路径的相对两侧，气源24的喷气方向与检测箱2内流体的流通方向相垂直；
光源设置于光纤的一端用于产生光纤信号，光纤的另一端经Y型耦合器后分为检测光纤和参考光纤，上述光源、Y型耦合器和光纤的组合共有两组，两组上述组合中的检测光纤一一对应地接入传感器探头两端的光纤检测端，并作为光纤检测端的入射光纤，两组上述组合中的参考光纤分别单独连接有一个光电转换器，且光电转换器均与信号处理器相连。
利用上述传感器检测流体流量的方法，包括：
若检测箱2内无被测流体流动，则活塞缸1中两个活塞5与隔板4之间所形成的两个腔室内的流体压力是相同的，两个活塞5的滑动距离相同，光纤检测端9检测到两腔室压差为零；若检测箱2内有被测流体流动，启动气源24吹气形成气流，则被测流体与气流在检测箱2内发生相互作用，使得被测流体和气流的初始动量发生改变，流体在检测箱2内发生偏移，以致进入活塞缸1的混合流体在隔板4的两侧形成压强差，高压一侧活塞5的滑移距离大，因此，高压一侧的光纤检测端9与反光部件8之距离较小，从而，经光电转换及信号处理计算后的输出值大小即可反映两侧检测腔内流体的压力差大小，再建立动量压差数学模型，推算得出流体动量。

Claims (6)

1.一种双活塞对称阻尼式流量传感器探头，其特征在于：包括活塞缸(1)和设置于活塞缸(1)一侧的检测箱(2)，活塞缸(1)的两端分别由端盖(3)封闭，活塞缸(1)的中部位置设置有将活塞缸(1)内部密封分隔为左右两个腔室的隔板(4)，隔板(4)两侧的活塞缸(1)内分别滑动设置有一活塞(5)，活塞(5)与其所在一侧的端盖(3)之间均设置有弹簧(6)，弹簧(6)的一端固定于活塞(5)上，另一端固定于端盖(3)上，所述两端的端盖(3)上均开设有探头安置孔(7)，每个探头安置孔(7)内均设置有光纤检测端(9)，活塞(5)上正对光纤检测端(9)处设置有反光部件(8)，光纤检测端(9)的光纤束由入射光纤和出射光纤集合铠装而成；
检测箱(2)上具有流体入口(21)和流体出口(22)以使流体流经检测箱(2)的内部，活塞缸(1)中隔板(4)与两个活塞(5)之间的两个腔室分别通过一个流体通路(23)与检测箱(2)相连通，还包括气源(24)，气源(24)的供气方向指向两个流体通路(23)的中间位置，且流体通路(23)和气源(24)分别设置于流体在检测箱(2)内部流通路径的相对两侧；
所述传感器探头检测流体流量的方法，其特征在于，方法如下：若检测箱(2)内无被测流体流动，则活塞缸(1)中两个活塞(5)与隔板(4)之间所形成的两个腔室内的流体压力是相同的，两个活塞(5)的滑动距离相同，光纤检测端(9)检测到两腔室压差为零；若检测箱(2)内有被测流体流动，启动气源(24)吹气形成气流，则被测流体与气流在检测箱(2)内发生相互作用，使得被测流体和气流的初始动量发生改变，流体在检测箱(2)内发生偏移，以致进入活塞缸(1)的混合流体在隔板(4)的两侧形成压强差，高压一侧活塞(5)的滑移距离大，因此，高压一侧的光纤检测端(9)与反光部件(8)之距离较小，从而，经光电转换及信号处理计算后的输出值大小即可反映两侧检测腔内流体的压力差大小，再建立动量压差数学模型，推算得出流体动量；所述动量压差数学模型如下：分析传动量与压差之间的关系，设气流的速度为Vs，被测流体的速度为V，其中Vs是由气源(24)发射出来的气流速度，为已知量，活塞两端压强差与两个流体的动量Ms/M有关，其中M为被测流体动量，Ms为气流动量，分别与与V2成正比；
M＝kV2；
k为常数；
即：
则：
其中，k1为已知量，从而在已知ΔP后即可求得V的值。
2.根据权利要求1所述双活塞对称阻尼式流量传感器探头，其特征在于：气源(24)的喷气方向与检测箱(2)内流体的流通方向相垂直。
3.根据权利要求1所述双活塞对称阻尼式流量传感器探头，其特征在于：隔板(4)与活塞缸(1)为一体式结构或隔板(4)密封固定于活塞缸(1)内。
4.根据权利要求1所述双活塞对称阻尼式流量传感器探头，其特征在于：活塞缸(1)内位于隔板(4)两侧的腔室、两个活塞(5)、两个弹簧(6)以及隔板(4)两侧的两个流体通路(23)均相对于隔板(4)对称设置，流体通路(23)上均设置有过滤网(25)。
5.根据权利要求1所述双活塞对称阻尼式流量传感器探头，其特征在于：两个探头安置孔(7)均开设在所在端盖(3)的正中心位置，两个探头安置孔(7)、两个活塞(5)及弹簧(6)均同轴设置，两个活塞(5)及两个弹簧(6)的规格及性能完全相同，反光部件(8)与光纤检测端(9)垂直设置，反光部件(8)为反光镜或反光片，自然状态下，其中一个光纤检测端(9)到该光纤检测端(9)所对应的反光部件(8)的距离与另一个光纤检测端(9)到该另一个光纤检测端(9)的距离相同，活塞(5)与活塞缸(1)的内壁之间设置有活塞密封圈(51)。
6.根据权利要求1所述双活塞对称阻尼式流量传感器探头，其特征在于：光纤检测端(9)与反光部件(8)之间还设置有透光片(31)，透光片(31)为玻璃片，透光片(31)均设置于两个探头安置孔(7)位于两个端盖(3)内侧的端口处，且探头安置孔(7)的端口处通过透光片(31)封闭设置。
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