CN106568483B - 一种涡轮光学传感器及基于该传感器的涡轮光学流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮光学传感器及基于该传感器的涡轮光学流量计，所述光学传感器，包括光信号发射单元、位于涡轮轴体上的光路调节装置和光信号检测单元，光信号发射单元和光信号检测单元可以分别位于光路调节装置的两侧，也可以位于同一侧，光信号发射单元用于发出光信号，光路调节装置在涡轮轴体旋转过程中对光信号进行周期性的遮挡和放通或反射，光信号检测单元用于接收光信号发射单元发出的且未被光路调节装置遮挡的光信号，或接收被光路调节装置反射的光信号；所述涡轮轴体上固连涡轮。本发明的传感器具有检测速度快、精度高、安装和使用方便的优点，可方便地用于石油、化工和标准检定等领域，尤其适用于医疗生化应用对一次性流体管道使用的需求。

Description

一种涡轮光学传感器及基于该传感器的涡轮光学流量计

技术领域

本发明涉及一种流体流量检测监控装置，特别是一种涡轮光学传感器及基于该传感器的涡轮光学流量计。

背景技术

涡轮流量计是一种常用流量计。在涡轮流量计中，涡轮结构主要用作流体的流速传感器，其工作原理是利用流体驱动涡轮转动的特性，通过涡轮流速传感器检测流体的流速，根据涡轮转速及流体管道物理参数和流体的流体特征参数计算出流体的速度及其流量。其中，涡轮流速传感器(本专利以下部分将简称为涡轮传感器)是涡轮流量计的关键部件。

涡轮传感器主流是涡轮磁感应传感器(或称涡轮磁电转换传感器)。其工作原理为，流体管道外侧配置有产生磁场的装置，被测流体驱动涡轮转动时，涡轮叶片切割该磁场中的磁力线，产生与此相应的电脉冲信号，该脉冲信号的频率与涡轮转速成比例，根据脉冲频率和管道参数以及流体物理特征参数，就可以计算出流体流速和流量。

涡轮磁感应传感器需要涡轮叶片为导磁材料制成，或叶片表面敷覆导磁材料，使得这种结构存在材料、加工和维护成本高，质量和精度不容易稳定，对电磁环境和被测流体的腐蚀性要求较高的问题。

另一种涡轮传感器是光电传感器结构。涡轮光电传感器主要有两种结构，一种结构是涡轮轴向和被测流体的流速方向一致，这种方式通常利用光纤采集涡轮叶片的反射光来计算涡轮转速；另一种结构是涡轮轴向跟被测流体的流速方向垂直，流体从涡轮的切向推动涡轮转动，而涡轮叶片转动时对光路产生周期性阻隔和开放，从而产生周期性光电信号，并据以计算流速和流量。本专利以下将前者简称为涡轮反射式光纤传感器，将后者简称为涡轮切向光电传感器。

涡轮反射式光纤传感器将光纤预设于流体管道，要求涡轮叶片能反射光，这不仅对叶片表面材质有较高的要求，还因为叶片表面不直接垂直于光纤传输方向，反射光强度比较低，对光源信号强度和光接收器灵敏度有较高要求；此外，涡轮叶片附近是流体密度变化最大的区域，这个流体密度的变化对光信号检测带来更多要求。这些，都会导致材料、制造、器件成本的提高。

涡轮切向光电传感器在使用中，只有部分涡轮叶片受到流体的推动，与轴向涡轮结构相比，涡轮受力往往较小，这对流量较小的流体检测，准确度和精度容易受到影响。为减少这些影响，可以改建流体管道内的构造，比如通过增加喷嘴来调节流量，这不但增加制造成本，还容易影响流体特征，对检测产生另外的影响。

此外，基于上述涡轮磁感应传感器、涡轮反射式光纤传感器、涡轮切向光电传感器的涡轮流量计，都是将传感器固定于流量计本体，不但材料和制造成本高，维护尤其是更换成本也高。

在医疗和生化检测应用方面，为了健康或诊断和检测的准确性，有些流体管道不允许重复使用。在这些领域，前述涡轮流量计使用条件等方面都有很多限制或非常不方便，使用成本比较高。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种涡轮光学传感器及基于该传感器的涡轮光学流量计。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种涡轮光学传感器，包括光信号发射单元、位于涡轮轴体上的光路调节装置和光信号检测单元；

其中，光信号发射单元和光信号检测单元分别位于光路调节装置的两侧，光信号发射单元用于发出光信号，光路调节装置在涡轮轴体旋转过程中对光信号进行周期性的遮挡和放通，光信号检测单元用于接收光信号发射单元发出的且未被光路调节装置遮挡的光信号；所述涡轮轴体上固连涡轮；

或者，光信号发射单元和光信号检测单元位于光路调节装置的同侧，光信号发射单元用于发出光信号，光路调节装置在涡轮轴体旋转过程中对光信号进行周期性的反射，光信号检测单元用于接收光信号发射单元发出的且被光路调节装置反射的光线。

一种基于上述涡轮光学传感器的涡轮光学流量计，包括涡轮光学传感器、封装该涡轮光学传感器并用作被测流体通道的封装管道以及控制和信息处理装置，其中封装管道上设置涡轮光学传感器位置处对称设置一对透光窗口，光信号发射单元和光信号检测单元分别位于对应透光窗口的外侧，光信号发射单元发出的光线可通过该透光窗口；控制和信息处理装置与涡轮光学传感器相连，用于对涡轮光学传感器进行控制并对采集到的信息进行处理。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明公开的涡轮光学传感器，其涡轮光学结构跟现有的涡轮流量计的光学结构不同，其采集的光信号在传播过程中不接触涡轮叶片，信号强弱也跟涡轮叶片无关；2)本发明公开的涡轮光学传感器所采集的光信号不受涡轮制造误差、以及涡轮转动机构比如轴承误差的影响，能显著提高对系统误差的兼容能力，以及对环境比如外部震动等误差因素的兼容能力；3)本发明公开的涡轮光学传感器所采集的光信号在传播过程中，不受涡轮叶片附近流体浓度不规则剧烈变化的影响，不产生其它现有涡轮流量计存在的信号采样点丢失的问题；4)本发明的涡轮光学传感器检测数据的精度和准确性高、检测灵敏度高、稳定性高，可靠性高并且使用周期寿命长；5)本发明的涡轮光学传感器所含有的光源和光检测器成对配置，可以不必固定于被测流体的管道上；所成对配置的光源和光检测器，可根据实际应用要求而调整相对间隔以及相对于被测流体管道的位置，布设灵活；6)本发明的涡轮光学传感器可以适用于不同管径的流体管道，而不像现有涡轮流量计那样限制于一种固定管径的流体管道，这不但明显降低不同管道的使用成本，还明显降低维护更新成本；7)本发明的光学涡轮传感器尤其适用于医疗生化检测领域对被测流体管道不可重复使用的需求；所采用的光信号发射和光检测单元结构分置于流体通过的封装管道两侧或同侧，而不像现有涡轮流量计那样需要将涡轮传感器和流体管道固定在一起，因而置换管道非常方便，而且成本极低；8)光检测单元可以多个排列在被测流体管道的一侧，各检测器之间的间隔可根据设计排列，从而可以根据各检测器所采集到的光电信号特征，以及被测流体物质成分的光学特性，可以计算被测流体的颗粒密度或悬浊浓度、酸碱度、流体所含特定的物质成份及其浓度等等，即本发明的涡轮光学流量计可以检测和检测流量以外的其它流体信息；9)本发明的涡轮光学传感器比传统涡轮流量计结构简单、不需要复杂的导电线圈和导磁材料；所采集的光信号不是来自涡轮叶片、光信号的变化也不是来自涡轮叶片对光路的遮断，这些跟历来涡轮传感器不同的特征，具有检测速度快、精度高、抗腐蚀性好、易集成化、加工成型方便、重量轻、成本低、安装和使用方便的优点，可方便地用于石油、化工、水文、生化、医疗、食品、质量和标准检定等领域，尤其适用于医疗生化应用对一次性流体管道使用的需求；10)本发明的流量计可以用于大流量流体检测，也可以用于小流量流体检测。结构简单，精度高，寿命长，材料和制造成本低、易集成化、方便使用和版本更新。所述流量计可用于长时间检测和监控，还适用于医疗和生化领域所规定的低成本一次性使用。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的涡轮光学流量计原理示意图。

图2为本发明的涡轮光学传感器结构示意图。

图3-1-a为实施例1中光束被涡轮轴外侧的薄片机械凸起阻断示意图。

图3-1-b为实施例1中光束通过涡轮轴外侧示意图。

图3-2为实施例1中光电信号与涡轮轴转动关系的示意图。

图3-3为实施例1中光电信号与涡轮转动相关关系的测试波形图。

图4-1-a为实施例2中光束通过涡轮轴体光学通孔示意图。

图4-1-b为实施例2中光束被涡轮轴阻断示意图。

图4-2为实施例2中光电信号与涡轮转动相关关系的示意图。

图4-3为实施例2中光电信号与涡轮转动相关关系的测试波形图。

图5-1-a为实施例3中光束通过涡轮轴体侧壁的凹槽示意图。

图5-1-b为实施例3中光束被涡轮轴阻断示意图。

图5-2为实施例3中光电信号与涡轮转动相关关系的示意图。

图6为控制和信息处理单元原理图。

具体实施方式

本发明涉及的流量计是通用定义的流体流量计，具体是指检测和监控并指示被测流体流速和流量或在选定时间间隔内流体总量的仪表仪器。该流量计采用新的涡轮光学传感器来检测涡轮的转速和流体的光学特征信息，并从而提取所测流体的流量及其它物理生化信息。

本发明的一种涡轮光学传感器，包括光信号发射单元1410、位于涡轮轴体1310上的光路调节装置1320和光信号检测单元1430；

其中，光信号发射单元1410和光信号检测单元1430分别位于光路调节装置1320的两侧，光信号发射单元1410用于发出光信号，光路调节装置1320在涡轮轴体1310旋转过程中对光信号进行周期性的遮挡和放通，光信号检测单元1430用于接收光信号发射单元1410发出的且未被光路调节装置1320遮挡的光信号；所述涡轮轴体1310上固连涡轮1300；

或者，光信号发射单元1410和光信号检测单元1430位于光路调节装置1320的同侧，光信号发射单元1410用于发出光信号，光路调节装置1320在涡轮轴体1310旋转过程中对光信号进行周期性的反射，光信号检测单元1430用于接收光信号发射单元1410发出的且被光路调节装置1320反射的光线。

优选的，光信号发射单元1410和光信号检测单元1430分别位于光路调节装置1320的两侧，所述光路调节装置1320为薄片机械凸起13201，该薄片机械凸起13201固连于涡轮轴体1310的外壁且可对光信号发射单元1410发出的光信号进行遮挡。

优选的，光信号发射单元1410和光信号检测单元1430位于光路调节装置1320的同侧，所述光路调节装置1320为薄片机械凸起13201，该薄片机械凸起13201固连于涡轮轴体1310的外壁且可对光信号发射单元1410发出的光信号进行反射，所述反射光信号被光信号检测单元1430接收。

优选的，光信号发射单元1410和光信号检测单元1430分别位于光路调节装置1320的两侧，所述光路调节装置1320为贯穿涡轮轴体1310的光学通孔13202，光信号发射单元1410发出的光信号可穿过该光学通孔，涡轮轴体1310的材料为不透光材料。

优选的，光信号发射单元1410和光信号检测单元1430分别位于光路调节装置1320的两侧，所述光路调节装置1320为设置在涡轮轴体1310侧壁的凹槽13203，光信号发射单元1410发出的光信号可通过该凹槽，涡轮轴体1310的材料为不透光材料。

所述光信号发射单元1410包括光源1411、光源驱动器1412、电子调制器1413、光波长选择器1414以及对光源所发生的光进行光学处理以得到平行光束的光学棱镜组件单元1415；

所述电子调制器1413和光波长选择器1414均与光源驱动器1412相连，光源驱动器1412还与光源1411相连，电子调制器1413和光波长选择器1414通过光源驱动器1412控制光源工作；光学棱镜组件单元1415位于光源1411的前方。

所述光源1411为激光器或LED，其波长为单波长或多波长。

所述光检测单元1430包括相互连接的光检测器1431和光电信号前端处理器1432，该光检测器1431接收光信号发射单元1410发出的且未被光路调节装置1320遮挡的光信号，或被光路调节装置1320反射的光，对该光信号进行解调和放大，用以提取涡轮的转速信息。

一种基于上述涡轮光学传感器的涡轮光学流量计，包括涡轮光学传感器、封装该涡轮光学传感器并用作被测流体通道的封装管道1100以及控制和信息处理装置1500，其中封装管道1100上设置涡轮光学传感器位置处对称设置一对透光窗口1422，光信号发射单元1410和光信号检测单元1430分别位于对应透光窗口的外侧，光信号发射单元1410发出的光线可通过该透光窗口；控制和信息处理装置1500与涡轮光学传感器相连，用于对涡轮光学传感器进行控制并对采集到的信息进行处理。

所述控制和信息处理装置1500包括：中央处理器1510、算法和编码程序存储单元1512、数据存储单元1514、显示和操作单元1516、传输和通信单元1518、光电控制和信号处理单元1520以及电源管理单元1530，所述算法和编码程序存储单元1512、数据存储单元1514、显示和操作单元1516、传输和通信单元1518、光电控制和信号处理单元1520和电源管理单元1530均与中央处理器1510相连，电源管理单元1530为上述各模块供电；

其中，算法和程序存储单元1512用于存储系统控制程序和指令；

存储数据单元1514用于存储原始数据、计算所得数据和外部调用数据；

显示和操作单元1516包含显示屏和操作按键，其中操作按键为机械按键、触摸屏或遥控器；

传输和通信单元1518用于指令接收、数据交换、程序和指令更新；

光电控制和信息处理单元1520用于监测和控制光信号发射单元和光检测单元的工作状态，包括对光源波长、发光时刻和发光强度的控制和选择。

所述涡轮1300和涡轮轴体1310通过机械载体1200设置在封装管道1100中，涡轮1300的叶片材料为固体材料，包括金属或塑料。

本发明公开的涡轮光学传感器所采集的光信号不受涡轮制造误差、以及涡轮转动机构比如轴承误差的影响，能显著提高对系统误差的兼容能力，以及对环境比如外部震动等误差因素的兼容能力。

下面进行更详细的描述。

本发明的一种涡轮光学传感器以及基于该涡轮光学传感器的涡轮光学流量计(图1)。所述涡轮光学传感器1400包含光信号发射单元1410和光信号检测单元1430以及一个涡轮光学结构1420。所述涡轮光学结构包含一个涡轮轴体1310和设置在该轴体上的涡轮1300、以及设置该轴体上的光路调节装置1320。

所述涡轮光学结构1420包含一个涡轮轴体1310和设置在该涡轮轴体上的涡轮1300、设置在该轴体上的光路调节装置1320、以及承载所述涡轮和涡轮轴体的机械载体1200。所述涡轮光学流量计1000包含前述涡轮光学传感器1400、封装该涡轮光学结构并用作被测流体通道的封装管道1100以及控制和信息处理装置1500。

所述控制和信息处理装置1500包含有计算流体特征指标的算法和编码程序及其存储单元1512、原始数据和计算数据的存储单元1514、显示和操作单元1516和外部进行数据交换和接收外部控制指令的传输和通信单元1518、光电控制单元1522、信号处理单元1524和电源管理单元1530。

图1和图2所示的光信号发射单元1410包含光源1411、光源驱动器1412、电子调制器1413、光波长选择器1414、以及对该光源所发生的光进行光学处理以得到平行光束的光学棱镜组件单元1415。上述光源可以是激光器、LED或其它发光器件，其波长可以是单波长，也可以是多波长。

上述平行光束1424经该光发射单元射出，进入前述封装管道上设置的透光窗口

1422。根据应用要求，也可不采用平行光棱镜组件单元，直接采用原始光源的光束。

所述光检测单元1430包含光检测器1431、光电信号前端处理器1432。该光检测器接收通过透光窗口1422的光信号，对该光信号进行解调和放大，用以提取前述涡轮的转速信息。

所述光信号发射单元和光检测单元分置于封装管道1110两侧的近旁，而不用固定于该封装管道或被测流体通过的管道。光发射单元的光束发射口和光检测单元的光束入射口在一条直线上对称配置，在没有阻碍的情况下，光源发射的光束经过封装管道的透光窗口进入光检测器。

所述涡轮光学结构的涡轮1300，所用材料可以是金属、也可以是塑料或其它材质的固体材料，而不必像传统电磁涡轮流量计那样必须是金属材料。

所述光路调节装置1320可以是设置在前述轴体上的机械凸起结构，可以是机械凹陷结构，也可以是凹凸复合结构。根据前述轴体材料和具体应用的条件和要求，该光路调节装置可以是不透光材料制成，也可以是透光材料制成。

所述光路调节装置的机械凸起结构和机械凹陷结构以及凹凸复合结构，可以是任意几何形状，用于改变光束1424的通路，图3、图4和图5分别给出一个凸起结构和两个凹陷结构的实现案例。

图3所示的是一种采用一块矩形薄片制作机械凸起结构实现涡轮光学结构的一个案例。薄片机械凸起13201制备于涡轮轴外周表面，该凸起的形状和尺寸以能阻挡光束通过或反射光束即可。光源1411发出的光束经过涡轮轴的一侧，流体推动涡轮转动时，光束可以不被涡轮轴遮挡，也可部分被涡轮轴遮挡，设计要求是在上述凸起的矩形薄片遮挡光束和未遮挡光束的两种情况下，光接收器所检测到的信号强度差要足够大。以光束不触及涡轮轴为例，图3-1-a给出所述薄片凸起13201遮挡光束、图3-1-b给出该凸起未遮挡光束的示意图。涡轮每转动一圈，光电信号强弱发生一次变化，即光电信号的频率等于涡轮的转速，据此可以结合流体管道参数和流体特征参数计算流体的流速和流量。对应于图3-1，图3-2给出光电信号强弱及其频率与对应涡轮转动的相关关系示意图，图3-3是基于图2和图3-1实现的方案所测得的实际信号。

图4所示是采用机械凹陷实现涡轮光学结构的方案之一。如图4-1所示，涡轮轴上开有一个光学通孔13202，该通孔用以让光束通过(图4-1-a)，而涡轮轴1310的非通孔实体部分阻断光束(图4-1-b)。该通孔断面可以是任意形状，通常对称几何形状容易加工形成，比如圆形通孔最容易加工形成，图4以圆形通孔为例。通孔的中心轴与涡轮轴的中心轴垂直相交。在这个案例中，在涡轮旋转一圈时，光束1424将两次通过这个通孔13202到达光检测单元1430，因此光检测单元的光电信号的频率是涡轮转速的两倍。由此可根据光电信号频率得到涡轮转速以计算流速和流量。图4-2是对应于上述光电信号与涡轮转动的相关关系，图4-3是基于图2和图4-1实现的方案所测得的实际信号。

图5所示是采用机械凹陷结构实现涡轮光学结构的另一方案。如图5-1所示，涡轮轴上开有一个缺口13203，该缺口用以让光速通过(图5-1-a)，而涡轮轴1310的其它实体部分则阻断光束(图5-1-b)。该缺口断面可以是任意形状，通常对称几何形状容易加工形成，比如矩形、三角形、半圆形等等。图4以矩形缺口为例，涡轮每转动一圈，光电信号强弱发生一次变化，即光电信号的频率就是涡轮的转速，据此可以结合流体管道参数和流体特征参数计算流体的流速和流量。

所述涡轮机械承载装置1200由支撑圆环、流体整流器和轴承组成。根据实际应用需要，本发明的涡轮光学流量计也可以不使用流体整流器。

本发明的涡轮光学传感器信号不直接涉及涡轮，因而对涡轮的材料及其加工制作没有特别的要求。还由于所述涡轮光学传感器的光路调节装置的灵便性，本发明涡轮光学流量计对制造和装配误差有更大的允许空间。

所述封装管道1110用于装载前述涡轮光学结构及涡轮机械承载装置。该封装管道可以由透光或不透光材料制成。在由不透光材料制成时，该封装管道有一部分由透光材料组成，构成两个透光窗口1422。所述两个透光窗口位置关于所述封装管道轴对称，成为光束1424、1426的进出通道。该封装管道两端加工有联接上下游管道的联接装置，其特征为方便联接上下游管道并保持联接后的密封性能。根据具体应用条件，该封装管道也可以和上下游管道制成一体。

如图1所示，本发明的光电信号控制和处理单元不用固定在被测流体通过的管道，这特别便于被测流体封装管道的集成化和规范化量产、安装、维护和更新，尤其适用于医疗和生化应用等领域一次性使用的要求。

所述控制和信号处理单元1500系统结构如图6所示，主要构件包含中央处理器(CPU)1510，算法和程序存储单元1512,数据存储单元1514，显示和操作单元1516，传输和通信单元1518，光电控制和信号处理单元1520以及电源管理单元1530。

所述中央处理器(CPU)1510可以是专用处理器，也可以是泛用处理器；可以是多功能处理器，也可以是微处理器，可以根据应用要求选定。所述CPU可以是但不仅限于微处理器、单片机、DSP的一种或多种组合。

算法和程序存储单元1512存储系统控制程序和指令、对所采集的光电信号进行电子处理和数字处理用以计算涡轮转速、流体流速和流量以及其它流体特征信息算法、系统和工作条件的初始数据和执行程序，以及根据需要从外部输入的其它数据信息和程序指令。

数据存储单元1514用以存储原始数据和计算所得数据和外部调用数据。本发明可用于实时检测和长期监控，数据存储单元的容量和接口界面可根据检测和监控时间的要求选定。

显示和操作单元1516包含显示屏和操作按键，操作按键可以是机械按键包括键盘，也可以是触摸屏或类似操作界面，也可以是通过传输和通信接口工作的遥控器。

传输和通信单元1518用以指令接收、数据交换、程序和指令更新，包括无线和有线传输方式及其界面。

光电控制和信息处理单元1520由解调电路、采样保持电路、比较电路、模数转换电路、数模转换电路、多路复用开关电路组成，用以根据中央处理器1510的指令，监测和控制光信号发射单元和光检测单元的工作状态，包括对光源波长、发光时刻和发光强度的控制和选择。所述调制和控制方式由CPU1510及其软件程序执行并保存。

本发明公开的涡轮光学传感器所采集的光信号不受涡轮制造误差、以及涡轮转动机构比如轴承误差的影响，能显著提高对系统误差的兼容能力，以及对环境比如外部震动等误差因素的兼容能力。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例1

一种涡轮光学传感器，包括光信号发射单元1410、位于涡轮轴体1310上的光路调节装置1320和光信号检测单元1430，光信号发射单元1410和光信号检测单元1430分别位于光路调节装置1320的两侧，光信号发射单元1410用于发出光信号，光路调节装置1320在涡轮轴体1310旋转过程中对光信号进行周期性的遮挡和放通，光信号检测单元1430用于接收光信号发射单元1410发出的且未被光路调节装置1320遮挡的光信号；所述涡轮轴体1310上固连涡轮1300。

所述光路调节装置1320为薄片机械凸起13201，该薄片机械凸起13201固连于涡轮轴体1310的外壁且可对光信号发射单元1410发出的光信号进行遮挡。

所述光信号发射单元1410包括光源1411、光源驱动器1412、电子调制器1413、光波长选择器1414以及对光源所发生的光进行光学处理以得到平行光束的光学棱镜组件单元1415；

所述电子调制器1413和光波长选择器1414均与光源驱动器1412相连，光源驱动器1412还与光源1411相连，电子调制器1413和光波长选择器1414通过光源驱动器1412控制光源工作；光学棱镜组件单元1415位于光源1411的前方。

所述光源1411为激光器。所述光检测单元1430包括相互连接的光检测器1431和光电信号前端处理器1432，该光检测器1431接收光信号发射单元1410发出的且未被光路调节装置1320遮挡的光信号，对该光信号进行解调和放大，用以提取涡轮的转速信息。

光源1411发出的光束经过涡轮轴的一侧，流体推动涡轮转动时，光束可以不被涡轮轴遮挡，也可部分被涡轮轴遮挡，设计要求是在上述凸起的矩形薄片遮挡光束和未遮挡光束的两种情况下，光接收器所检测到的信号强度差要足够大。以光束不触及涡轮轴为例，图3-1-a给出所述薄片凸起13201遮挡光束、图3-1-b给出该凸起未遮挡光束的示意图。涡轮每转动一圈，光电信号强弱发生一次变化，即光电信号的频率等于涡轮的转速，据此可以结合流体管道参数和流体特征参数计算流体的流速和流量。对应于图3-1，图3-2给出光电信号强弱及其频率与对应涡轮转动的相关关系示意图。

本实施例可以有效的检测所测流体的流速和流量以及其它表征所测流体特性的物理化学指标值。

实施例2

与实施例1类似，其区别仅在于光路调节装置1320，该实施例的光路调节装置1320为贯穿涡轮轴体1310的光学通孔13202，光信号发射单元1410发出的光信号可穿过该光学通孔，涡轮轴体1310的材料为不透光材料。

该通孔用以让光束通过(图4-1-a)，而涡轮轴1310的非通孔实体部分阻断光束(图4-1-b)。该通孔断面可以是任意形状，通常对称几何形状容易加工形成，比如圆形通孔最容易加工形成，图4以圆形通孔为例。通孔的中心轴与涡轮轴的中心轴垂直相交。在这个实施例中，在涡轮旋转一圈时，光束1424将两次通过这个通孔13202到达光检测单元1430，因此光检测单元的光电信号的频率是涡轮转速的两倍。由此可根据光电信号频率得到涡轮转速以计算流速和流量。图4-2是对应于上述光电信号与涡轮转动的相关关系。

本实施例可以有效的检测所测流体的流速和流量以及其它表征所测流体特性的物理化学指标值。本发明的涡轮光学传感器含有光信号发射单元和光接收单元以及一个涡轮光学结构。该涡轮光学传感器采集光信号的方案和结构完全不同于其它涡轮流量计所采用的方案和结构。该涡轮光学传感器采集光信号的变化不是通过光在旋转涡轮叶片上的反射，也不是通过涡轮叶片对光束通路的开断，而是通过上述涡轮光学结构，即通过在涡轮轴体上构建的光路调节装置进行的。所述光检测单元含有一个光检测器或多个光检测器组成的光检测器阵列，所述光检测器可以是任意种类的光电转换器。涡轮光学结构含有一个涡轮，该涡轮主要由涡轮轴和涡轮叶片构成，所述涡轮轴两端由轴承或其它传动装置安装在封装管道内。所述涡轮在封装管道内由被测流体推动而转动，其转动速度与流体速度成比例，可用以计算流体速度并结合流体管道参数计算流体流量。该光路调节装置构建于涡轮轴上，使得前述光源发出的光束在传播过程中不接触涡轮叶片，前述光检测器所接收光信号的强弱变化，不是来自涡轮叶片的反射，也不是由涡轮叶片遮断光路所致。

所述光路调节装置构建于涡轮轴上，使得前述光学涡轮传感器所接收的光束不触及涡轮叶片，也不经过涡轮附近流体密度和流速变化最大的区域，因而光学涡轮传感器所检测到的信号不受涡轮叶片制造误差以及涡轮附近流体变化的影响，本发明的光学涡轮流量计比其它涡轮流量计具有更好的稳定性、更高的灵敏度。

该封装管道装载前述涡轮光学结构及涡轮机械承载装置。该封装管道可以由透光或不透光材料制成；在由不透光材料制成时，该封装管道有一部分由透光材料组成，构成两个透光窗口。所述两个透光窗口分别和前述光信号发射单元的发射口位置和光检测器的接收口位置一一对应，成为光束的进出通道。

该封装管道该封装管道两端加工有联接上下游管道的联接装置，该特征为方便联接上下游管道并保持联接后的密封性能。根据具体应用条件，该封装管道也可以和上下游管道制成一体。该封装管道两端联接上下游管道的联接装置，可对不同的上下游管道，制作成易于更换的结构，利于系列化和规范化量产，便于维护和更换。本发明的涡轮光学传感器不用机械联接件固定于该封装管道，两者没有机械连接，从而特别便于被测流体封装管道的集成化和规范化量产，方便封装管道的安装、维护和更新，尤其适用于医疗和生化应用等领域对流体管道一次性使用的需求。

实施例3

与实施例1类似，其区别仅在于光路调节装置1320，该实施例的光路调节装置1320为设置在涡轮轴体1310侧壁的凹槽13203，光信号发射单元1410发出的光信号可通过该凹槽，涡轮轴体1310的材料为不透光材料或部分透光的材料。

该缺口用以让光速通过(图5-1-a)，而涡轮轴1310的其它实体部分则阻断光束(图5-1-b)。该缺口断面可以是任意形状，通常对称几何形状容易加工形成，比如矩形、三角形、半圆形等等。图4以矩形缺口为例，涡轮每转动一圈，光电信号强弱发生一次变化，即光电信号的频率就是涡轮的转速，据此可以结合流体管道参数和流体特征参数计算流体的流速和流量。

实施例4

与实施例1类似，其区别仅在于光路调节装置1320为可对光信号进行反射的机械凸起13201，并且光信号发射单元1410和光信号检测单元1430位于光路调节装置1320的同侧，该薄片机械凸起13201固连于涡轮轴体1310的外壁且可对光信号发射单元1410发出的光信号进行反射，所述反射光信号被光信号检测单元1430接收。

涡轮每转动一圈，光信号检测单元1430接收的光电信号强弱发生一次变化，即光电信号的频率就是涡轮的转速，据此可以结合流体管道参数和流体特征参数计算流体的流速和流量。

Claims (7)

1.一种涡轮光学传感器，其特征在于，包括光信号发射单元[1410]、位于涡轮轴体[1310]上的光路调节装置[1320]和光信号检测单元[1430]；

其中，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]分别位于光路调节装置[1320]的两侧，所述光信号发射单元[1410]和光检测单元[1430]分置于流体通过的封装管道两侧，光信号发射单元[1410]用于发出光信号，光路调节装置[1320]在涡轮轴体[1310]旋转过程中对光信号进行周期性的遮挡和放通，光信号检测单元[1430]用于接收光信号发射单元[1410]发出的且未被光路调节装置[1320]遮挡的光信号；

所述封装管道上设置一对透光窗口[1422]，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]分别位于对应透光窗口的外侧，光信号发射单元[1410]发出的光线可通过该透光窗口；

所述涡轮轴体[1310]上固连涡轮[1300]；所述光路调节装置[1320]为薄片机械凸起[13201]，该薄片机械凸起[13201]固连于涡轮轴体[1310]的外壁且可对光信号发射单元[1410]发出的光信号进行遮挡；或者所述光路调节装置[1320]为贯穿涡轮轴体[1310]的光学通孔[13202]或为设置在涡轮轴体[1310]侧壁的凹槽[13203]，光信号发射单元[1410]发出的光信号可穿过光学通孔[13202]或凹槽[13203]，涡轮轴体[1310]的材料为不透光材料。

2.根据权利要求1所述的涡轮光学传感器，其特征在于，所述光信号发射单元[1410]包括光源[1411]、光源驱动器[1412]、电子调制器[1413]、光波长选择器[1414]以及对光源所发生的光进行光学处理以得到平行光束的光学棱镜组件单元[1415]；

所述电子调制器[1413]和光波长选择器[1414]均与光源驱动器[1412]相连，光源驱动器[1412]还与光源[1411]相连，电子调制器[1413]和光波长选择器[1414]通过光源驱动器[1412]控制光源工作；光学棱镜组件单元[1415]位于光源[1411]的前方。

3.根据权利要求2所述的涡轮光学传感器，其特征在于，所述光源[1411]为激光器或LED，其波长为单波长或多波长。

4.根据权利要求1所述的涡轮光学传感器，其特征在于，所述光检测单元[1430]包括相互连接的光检测器[1431]和光电信号前端处理器[1432]，该光检测器[1431]接收光信号发射单元[1410]发出的且未被光路调节装置[1320]遮挡的光信号，或被光路调节装置[1320]反射的光，对该光信号进行解调和放大，用以提取涡轮的转速信息。

5.一种基于权利要求1、2、3或4所述涡轮光学传感器的涡轮光学流量计，其特征在于，包括涡轮光学传感器、封装该涡轮光学传感器并用作被测流体通道的封装管道[1100]以及控制和信息处理装置[1500]，其中封装管道[1100]上设置涡轮光学传感器位置处对称设置一对透光窗口[1422]，光信号发射单元[1410]和光信号检测单元[1430]分别位于对应透光窗口的外侧，光信号发射单元[1410]发出的光线可通过该透光窗口；控制和信息处理装置[1500]与涡轮光学传感器相连，用于对涡轮光学传感器进行控制并对采集到的信息进行处理。

6.根据权利要求5所述的涡轮光学流量计，其特征在于，所述控制和信息处理装置[1500]包括：中央处理器[1510]、算法和编码程序存储单元[1512]、数据存储单元[1514]、显示和操作单元[1516]、传输和通信单元[1518]、光电控制和信号处理单元[1520]以及电源管理单元[1530]，所述算法和编码程序存储单元[1512]、数据存储单元[1514]、显示和操作单元[1516]、传输和通信单元[1518]、光电控制和信号处理单元[1520]和电源管理单元[1530]均与中央处理器[1510]相连，电源管理单元[1530]为上述各模块供电；

其中，算法和程序存储单元[1512]用于存储系统控制程序和指令；

存储数据单元[1514]用于存储原始数据、计算所得数据和外部调用数据；

显示和操作单元[1516]包含显示屏和操作按键，其中操作按键为机械按键、触摸屏或遥控器；

传输和通信单元[1518]用于指令接收、数据交换、程序和指令更新；

光电控制和信息处理单元[1520]用于监测和控制光信号发射单元和光检测单元的工作状态，包括对光源波长、发光时刻和发光强度的控制和选择。

7.根据权利要求5所述的涡轮光学流量计，其特征在于，所述涡轮[1300]和涡轮轴体[1310]通过机械载体[1200]设置在封装管道[1100]中，涡轮[1300]的叶片材料为固体材料，包括金属或塑料。

Images