CN105865545B - 一种双探头差压流量传感器及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双探头差压流量传感器及其检测方法，传感器探头包括两个活塞缸和检测箱，活塞缸的一端设置有端盖，每个活塞缸的另一端通过流体通路分别与检测箱相连通，活塞缸内滑动设置有活塞，活塞与端盖之间沿活塞的滑动方向还设置有弹簧，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，探头安置孔与活塞的端面相垂直，活塞正对探头安置孔的一侧上固定有反光部件，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。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
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：提供一种双探头差压流量传感器及其检测方法，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：一种双探头差压流量传感器，包括传感器探头、光电转换器和信号处理器，传感器探头包括检测箱和两个活塞缸，活塞缸的一端设置有端盖，每个活塞缸的另一端通过流体通路分别与检测箱相连通，活塞缸内滑动设置有活塞，活塞与端盖之间沿活塞的滑动方向还设置有弹簧，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，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，探头安置孔与活塞的端面相垂直，活塞正对探头安置孔的一侧上固定有反光部件，两个活塞缸中光纤检测端的出射光纤分别与一个光电转换器相连，两个光电转换器又分别与信号处理器相连，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，从而判断出进入两个活塞缸内流体的压差；
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，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，流入两个活塞缸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，流入两个活塞缸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。
每个光纤检测端还分别对应设置有光源、Y型耦合器和光纤，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，检测光纤接入所对应的光纤检测端，并作为光纤检测端的入射光纤，参考光纤则单独连接至一个光电转换器，且光电转换器均与信号处理器相连。光源发出的光信号耦合进入到光纤内，再通过Y型耦合器分为两路，一路经检测光纤到达光纤检测端，照射到反光部件上，经反射后的反射光进入接收光纤，由接收光纤传输到光电转换器进行光电转换，再将信号输入信号处理器进行信号处理；另一路经参考光纤直接传输到光电转换器进行光电转换后也输入到信号处理器进行信号处理，当两个活塞缸内的流体存在压力差时，此时两个活塞缸内的活塞产生的轴向位移不同，因此，两个光纤检测端与所对应的反光部件之距离就会不相等，从而两光纤检测端中接收光纤的输出光信号强度不等，经光电转换及信号处理计算后的输出值大小即可反映两个活塞缸内流体的压力差大小；
弹簧的一端固定于所对应的活塞上，另一端固定于所对应的端盖上，且没有流体进入时，弹簧保持自然状态；
端盖上还开设有贯通端盖的压力补偿孔；
两个活塞缸以及两个活塞缸内的活塞和弹簧的结构及规格均相同，两个活塞缸内的光纤检测端到所对应的反光部件的初始距离也相同，且光纤检测端与其所对应的反光部件相垂直，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，每个活塞缸内的探头安置孔、活塞及弹簧均同轴设置，反光部件为反光镜或反光片，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，透光片均设置于探头安置孔位于端盖内侧的端口处，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；
利用上述传感器检测流体流量的方法，包括：
若检测箱内无被测流体流动，则两个活塞缸中活塞的受力情况是相同的，两个活塞的滑动距离相同或不滑动，光纤检测端检测到两个活塞缸内压差为零；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，以致进入两个活塞缸的混合流体之间具有压强差，两个活塞缸内活塞滑动距离不同，通过光纤检测端检测，并经光电转换及信号处理计算后，由输出值大小即可反映两个活塞缸内流体的压力差值，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5所述。
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，对新型流量传感器的设计与推广起到了极大的推动作用。
同时，该差压传感器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是该传感器的系统原理图；
图2是该传感器探头结构的剖视图；
图3时图2中单个活塞缸及其附属结构的剖视图；
图4是检测原理图；
图5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5，本实施例提供一种双探头差压流量传感器，包括传感器探头1、光电转换器2和信号处理器3，传感器探头1包括检测箱12和两个活塞缸11，活塞缸11的一端设置有端盖13，每个活塞缸11的另一端通过流体通路14分别与检测箱12相连通，活塞缸11内滑动设置有活塞15，活塞15与端盖13之间沿活塞15的滑动方向还设置有弹簧16，端盖13上开设有探头安置孔17，探头安置孔17内设置有光纤检测端19，光纤检测端19的光纤束由入射光纤和出射光纤191集合铠装而成，探头安置孔17与活塞15的端面相垂直，活塞15正对探头安置孔17的一侧上固定有反光部件18，两个活塞缸11中光纤检测端19的出射光纤191分别与一个光电转换器2相连，两个光电转换器2又分别与信号处理器3相连；
弹簧16的一端固定于所对应的活塞15上，另一端固定于所对应的端盖13上，且没有流体进入时，弹簧16保持自然状态；两个活塞缸11以及两个活塞缸11内的活塞15和弹簧16的结构及规格均相同，两个活塞缸11内的光纤检测端19到所对应的反光部件18的初始距离也相同，且光纤检测端19与其所对应的反光部件18相垂直，流体通路123上均设置有过滤网125，两个探头安置孔17均开设在所在端盖13的正中心位置，每个活塞缸11内的探头安置孔17、活塞15及弹簧16均同轴设置，反光部件18为反光镜或反光片，活塞15与活塞缸11的内壁之间设置有活塞密封圈151；端盖13上还开设有贯通端盖13的压力补偿孔131，光纤检测端19与反光部件18之间还设置有透光片132，透光片132为玻璃片，透光片132均设置于探头安置孔17位于端盖13内侧的端口处，且探头安置孔17的端口处通过透光片132封闭设置。
检测箱12上具有流体入口121和流体出口122以使流体流经检测箱12的内部，还包括气源124，气源124的供气方向指向两个流体通路14的中间位置，且流体通路14和气源124分别设置于流体在检测箱12内部流通路径的相对两侧，气源124的喷气方向与检测箱12内流体的流通方向相垂直。
每个光纤检测端19还分别对应设置有光源4、Y型耦合器5和光纤6，光源4设置于光纤6的一端用于产生光纤信号，光纤6的另一端经Y型耦合器5后分为检测光纤61和参考光纤62，检测光纤61接入所对应的光纤检测端19，并作为光纤检测端19的入射光纤，参考光纤62则单独连接至一个光电转换器2，且光电转换器2均与信号处理器3相连。
利用上述传感器检测流体流量的方法，包括：
若检测箱12内无被测流体流动，则两个活塞缸11中活塞15的受力情况是相同的，两个活塞15的滑动距离相同或不滑动，光纤检测端19检测到两个活塞缸11内压差为零；若检测箱12内有被测流体流动，启动气源124吹气形成气流，则被测流体与气流在检测箱12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12内发生偏移，以致进入两个活塞缸11的混合流体之间具有压强差，两个活塞缸11内活塞15滑动距离不同，通过光纤检测端19检测，并经光电转换及信号处理计算后，由输出值大小即可反映两个活塞缸11内流体的压力差值，再建立动量压差数学模型，推算得出流体动量。
Claims (7)
1.一种双探头差压流量传感器，其特征在于：包括传感器探头(1)、光电转换器(2)和信号处理器(3)，传感器探头(1)包括检测箱(12)和两个活塞缸(11)，活塞缸(11)的一端设置有端盖(13)，每个活塞缸(11)的另一端通过流体通路(14)分别与检测箱(12)相连通，活塞缸(11)内滑动设置有活塞(15)，活塞(15)与端盖(13)之间沿活塞(15)的滑动方向还设置有弹簧(16)，端盖(13)上开设有探头安置孔(17)，探头安置孔(17)内设置有光纤检测端(19)，探头安置孔(17)与活塞(15)的端面相垂直，活塞(15)正对探头安置孔(17)的一侧上固定有反光部件(18)，两个活塞缸(11)中光纤检测端(19)的出射光纤(191)分别与一个光电转换器(2)相连，两个光电转换器(2)又分别与信号处理器(3)相连；
检测箱(12)上具有流体入口(121)和流体出口(122)以使流体流经检测箱(12)的内部，还包括气源(124)，气源(124)的供气方向指向两个流体通路(14)的中间位置，且流体通路(14)和气源(124)分别设置于流体在检测箱(12)内部流通路径的相对两侧；每个光纤检测端(19)还分别对应设置有光源(4)、Y型耦合器(5)和光纤(6)，光源(4)设置于光纤(6)的一端用于产生光纤信号，光纤(6)的另一端经Y型耦合器(5)后分为检测光纤(61)和参考光纤(62)，检测光纤(61)接入所对应的光纤检测端(19)，并作为光纤检测端(19)的入射光纤，参考光纤(62)则单独连接至一个光电转换器(2)，且光电转换器(2)均与信号处理器(3)相连；
所述的传感器检测流体流量的方法，方法如下：若检测箱(12)内无被测流体流动，则两个活塞缸(11)中活塞(15)的受力情况是相同的，两个活塞(15)的滑动距离相同或不滑动，光纤检测端(19)检测到两个活塞缸(11)内压差为零；若检测箱(12)内有被测流体流动，启动气源(124)吹气形成气流，则被测流体与气流在检测箱(12)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(12)内发生偏移，以致进入两个活塞缸(11)的混合流体之间具有压强差，通过光纤检测端(19)检测，并经光电转换及信号处理计算后，由输出值大小即可反映两个活塞缸(11)内流体的压力差值，再建立动量压差数学模型，推算得出流体动量。
2.根据权利要求1所述一种双探头差压流量传感器，其特征在于：弹簧(16)的一端固定于所对应的活塞(15)上，另一端固定于所对应的端盖(13)上。
3.根据权利要求1所述一种双探头差压流量传感器，其特征在于：两个活塞缸(11)以及两个活塞缸(11)内的活塞(15)和弹簧(16)的结构及规格均相同，两个活塞缸(11)内的光纤检测端(19)到所对应的反光部件(18)的初始距离也相同，且光纤检测端(19)与其所对应的反光部件(18)相垂直，流体通路(123)上均设置有过滤网(125)。
4.根据权利要求1所述一种双探头差压流量传感器，其特征在于：两个探头安置孔(17)均开设在所在端盖(13)的正中心位置，每个活塞缸(11)内的探头安置孔(17)、活塞(15)及弹簧(16)均同轴设置，反光部件(18)为反光镜或反光片，活塞(15)与活塞缸(11)的内壁之间设置有活塞密封圈(151)。
5.根据权利要求1所述一种双探头差压流量传感器，其特征在于：端盖(13)上还开设有贯通端盖(13)的压力补偿孔(131)。
6.根据权利要求1所述一种双探头差压流量传感器，其特征在于：光纤检测端(19)与反光部件(18)之间还设置有透光片(132)，透光片(132)为玻璃片，透光片(132)均设置于探头安置孔(17)位于端盖(13)内侧的端口处，且探头安置孔(17)的端口处通过透光片(132)封闭设置。
7.根据权利要求1所述一种双探头差压流量传感器，其特征在于：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(124)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。
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