CN112539740A - 一种基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置及方法，包括：换能器A、换能器B、激光发射器、激光接收器、激光测距仪、全反射棱镜与超声流量计；所述方法包括：在激光反射面的几何中心处布置全反射棱镜；通过激光发射器发射调制光波，并由粗测脉冲计数器计数；光波到达全反射棱镜后进行反射；由激光接收器接收反射光波的回波，并比较接收信号和参考信号的相位差计算被测目标的距离，并显示于激光测距仪；通过激光测距仪有无示数的显示判断其激光测距仪安装是否存在角度误差；无示数，则判断出激光测距仪安装角度发生粗大误差；有示数，执行步骤f；通过激光测距仪显示的示数的大小，确定换能器A与换能器B之间的安装距离，并通过距离确定外夹超声流量计安装定位是否准确。

Description

一种基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置及方法
技术领域
本发明涉及超声流量计安装定位技术领域，尤其涉及一种基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置及方法。
背景技术
现有外夹超声流量计由于其测量精度高、量程比宽、便于安装和维护等优点，近年来发展迅速，尤其是在管道长、管道覆盖率高的我国，应用范围更为广泛。但由于安装位置和安装角度的选取对于测量结果影响较大，而在实际安装过程中定位更为繁琐，为此，基于外夹式超声流量计在安装时存在安装位置(纵向)和安装角度(横向)的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置及方法。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置，包括：
换能器A、换能器B、激光发射器3、激光接收器4、激光测距仪1、全反射棱镜2与超声流量计；所述激光测距仪设置在换能器A上，用于保证激光发射器的发射激光光路与管道轴线平行；所述换能器B上设置有反射面，其全反射棱镜设置在反射面的几何中心处；所述超声流量计位于反射面处。
一种基于激光光路的外夹超声流量计安装定位方法，包括：
步骤a)在激光反射面的几何中心处布置全反射棱镜；
步骤b)通过激光发射器发射调制光波，并由粗测脉冲计数器计数；
步骤c)光波到达全反射棱镜后进行反射；
步骤d)由激光接收器接收反射光波的回波，并比较接收信号和参考信号的相位差计算被测目标的距离，并显示于激光测距仪；
步骤e)通过激光测距仪有无示数的显示判断其激光测距仪安装是否存在角度误差；无示数，则判断出激光测距仪安装角度发生粗大误差；有示数，执行步骤f；
步骤f)通过激光测距仪显示的示数的大小，确定换能器A与换能器B之间的安装距离，并通过距离确定外夹超声流量计安装定位是否准确。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
本发明提供的装置和方法通过激光测距仪的示数，减少安装位置误差；通过分析反射板偏转的两种情况(偏转角度有偏转和过大偏转)，采用吸光材料很好地抑制了由于偏转角度过大而引起的有示数问题；通过有无示数，可以减少安装角度误差。由此，可以很好地解决实际工况中超声换能器的安装角度和安装位置的问题。
附图说明
图1是基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置结构图；
图2是基于激光光路的外夹超声流量计安装定位流程图；
图3是全反射棱镜结构图；
图4是全反射棱镜全反射原理图；
图5是激光测距仪正确安装示意图；
图6是激光测距仪非正确安装示意图。
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，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，为基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置结构，包括换能器A、换能器B、激光发射器、激光接收器、激光测距仪、全反射棱镜与超声流量计；所述激光测距仪设置在换能器A上，用于保证激光发射器的发射激光光路与管道轴线平行；所述换能器B上设置有反射面，其全反射棱镜设置在反射面的几何中心处；所述超声流量计位于反射面处。
在实际应用场景下，为了达到超声流量计测量精度，对换能器A和换能器B的安装位置有着严格要求，本装置采用激光测距的方式，在换能器A上增设激光测距仪，保证激光发射器的发射激光光路与管道轴线平行，在换能器B上设置反射面，反射面的几何中心处设置全反射棱镜，其余位置设置吸光材料，在正确安装的情况下，出射光与入射光平行射出，发生轻微偏转时入射光仍能照射到棱镜上，但入射角非90°，反射光与入射光不平行，无法被激光接收器接收；发生重大偏转时入射光无法照射到棱镜上，入射光被吸光材料吸收，无反射光射出。通过激光测距仪有无示数可以确定安装是否存在角度误差，通过激光测距仪的示数大小可以确定换能器安装距离，由此可以确定外夹超声流量计安装定位是否准确。
本装置采用脉冲相位式激光测距仪来实现外夹式超声流量计的安装定位，脉冲相位法测距综合了脉冲式和相位式的优点。
如图2所示，本实施例还提供了一种基于激光光路的外夹超声流量计安装定位方法，包括以下步骤：
步骤10在激光反射面的几何中心处布置全反射棱镜；
步骤20通过激光发射器发射调制光波，并由粗测脉冲计数器计数；
步骤30光波到达全反射棱镜后进行反射；
步骤40由激光接收器接收反射光波的回波，并比较接收信号和参考信号的相位差计算被测目标的距离，并显示于激光测距仪；
步骤50通过激光测距仪有无示数的显示判断其激光测距仪安装是否存在角度误差；无示数，则判断出激光测距仪安装角度发生粗大误差；有示数，执行步骤60；
步骤60通过激光测距仪显示的示数的大小，确定换能器A与换能器B之间的安装距离，并通过距离确定外夹超声流量计安装定位是否准确。本装置采用脉冲相位式激光测距仪来实现外夹式超声流量计的安装定位。脉冲相位法测距综合了脉冲式和相位式的优点，基本原理是发射端发出按某一频率周期变化的调制光波,发射的同时由调制信号打开粗测脉冲计数器阀门，开始计数，发出的光波到达被测目标后反射，在接收端接收光波的回波并比较接收信号和参考信号的相位差(同时关闭粗测计数器结束脉冲计数)计算待测距离。测距公式为：
Figure BDA0002833140320000041
式中：c为调制光波在空气中的传播速度；t为调制光波传播的全程时间；n表示调制光波全行程中的整周期数；
Figure BDA0002833140320000042
表示不足一个周期的相位比值；f表示送给调制器的信号频率。
相比于单一的相位激光测距法，其使用单一频率测距，只能测出不足一个周期的相位比值，不能测量整数周期。整数周期的测量作为系统的粗测由脉冲计数法实现，而单一的脉冲激光测距的原理是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来实现对被测目标的距离测量，所以在单个脉冲周期内的微量无法测量。由此，将脉冲法与相位法相结合，即可让系统同时达到大范围、高精度的要求。
在激光反射面的几何中心O处布置全反射棱镜。横截面为等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜，结构如图3所示。其原理如图4所示，当入射光沿垂直于面ACC1A1的方向射入三棱镜时，方向不会发生偏转，射到面BCC1B1上，入射角α1为45°，根据反射(入射角和反射角相同)定理，反射角β1也为45°，即光线会以入射角α2为45°射到面ABB1A1上，反射角β2同样为45°，如此经过两次反射后，反射光与入射光平行，方向相反，从面ACC1A1射出。
正确的安装情况如图5所示，激光垂直入射，激光接收器可以接受反射光，显示正确的换能器距离，通过横向调整，即可以找到准确的安装位置，减少横向安装误差(安装位置)。
非正确安装情况如图6所示，激光非垂直入射，激光接收器不能接受反射光，激光测距仪没有示数，通过纵向调整，即可以找到准确的安装角度，减少纵向安装误差(安装角度)。
在全反射棱镜外围布置吸光材料。吸光性材料是指光线照射在材料之上，除了照明之外不发生透射，也不产生映射和大块的耀斑。材料在吸收光线后较少反射出光，高效的吸光材料对可见光和红外吸收率可以超过95％。在反射面纵向偏转角度过大时，激光照射在吸光材料之上，反射激光便无法被激光接收器接收，无法显示读数，如此即可判断出激光测距仪安装角度发生了粗大误差，需调整位于反射面处的超声流量计的安装位置，直至测距仪显示读数。通过此方法可以解决流量计安装纵向偏转角度过大的问题。如果不设置吸光材料，在纵向偏转角过大时，入射光仍能垂直照射到反射板，反射光被激光接收器接收会有示数，但此时换能器的安装是极不规范的。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置，其特征在于，所述装置包括：换能器A、换能器B、激光发射器、激光接收器、激光测距仪、全反射棱镜与超声流量计；所述激光测距仪设置在换能器A上，用于保证激光发射器的发射激光光路与管道轴线平行；所述换能器B上设置有反射面，其全反射棱镜设置在反射面的几何中心处；所述超声流量计位于反射面处。
2.如权利要求1所述的基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置，其特征在于，所述全反射棱镜的外围布置有吸光材料，当激光照射在吸光材料之上，反射激光便无法被激光接收器接收，则激光测距仪无法显示示数，则判断其激光测距仪安装角度存在粗大误差，需对超声流量计进行调整直至测距仪显示示数。
3.如权利要求1所述的基于激光光路的外夹超声流量计安装定位装置，其特征在于，所述换能器A和换能器B之间的距离是否正确是根据激光的入射来判定，在激光垂直入射时，激光接收器可以接受反射光，则激光测距仪显示正确的两换能器之间的距离，然后通过横向调整，即可找到准确的安装位置；
激光非垂直入射时，激光接收器不能接受反射光，激光测距仪没有示数，通过纵向调整，即可找到准确的安装角度。
4.一种基于激光光路的外夹超声流量计安装定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a)在激光反射面的几何中心处布置全反射棱镜；
步骤b)通过激光发射器发射调制光波，并由粗测脉冲计数器计数；
步骤c)光波到达全反射棱镜后进行反射；
步骤d)由激光接收器接收反射光波的回波，并比较接收信号和参考信号的相位差计算被测目标的距离，并显示于激光测距仪；
步骤e)通过激光测距仪有无示数的显示判断其激光测距仪安装是否存在角度误差；无示数，则判断出激光测距仪安装角度发生粗大误差；有示数，执行步骤f；
步骤f)通过激光测距仪显示的示数的大小，确定换能器A与换能器B之间的安装距离，并通过距离确定外夹超声流量计安装定位是否准确。
5.如权利要求4所述的基于激光光路的外夹超声流量计安装定位方法，其特征在于，所述步骤d)中被测目标的距离计算公式为：
Figure FDA0002833140310000021
式中，c为调制光波在空气中的传播速度，t为调制光波传播的全程时间，n表示调制光波全行程中的整周期数，
Figure FDA0002833140310000022
表示不足一个周期的相位比值，f表示送给调制器的信号频率。
6.如权利要求4所述基于激光光路的外夹超声流量计安装定位方法，其特征在于，所述换能器A和换能器B之间的距离是否正确是根据激光的入射来判定，在激光垂直入射时，激光接收器可以接受反射光，则激光测距仪显示正确的两换能器之间的距离，然后通过横向调整，即可找到准确的安装位置；
激光非垂直入射时，激光接收器不能接受反射光，激光测距仪没有示数，通过纵向调整，即可找到准确的安装角度。
7.如权利要求4所述基于激光光路的外夹超声流量计安装定位方法，其特征在于，
所述全反射棱镜外围布置吸光材料，当激光照射在吸光材料之上，反射激光便无法被激光接收器接收，则激光测距仪无法显示读数，由此判断出激光测距仪安装角度发生粗大误差，需对超声流量计进行调整直至测距仪显示示数。
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