CN114623891A - 一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器 - Google Patents

一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器。本发明包括的光发射器、透光圆管、凸透镜以及光敏检测器均装配在安装盒主体中，装配时从右到左依次为：光发射器、透光圆管、凸透镜以及光敏检测器。所述光发射器发出光束照；所述的透光圆管为气液两相物提供存留空间或流动通道，利用柱透镜的聚光作用产生条状光束；凸透镜进一步产生聚光作用并在所述凸透镜的出射光焦点处形成斑点状光束信号；光敏检测器将来自凸透镜的斑点状光束信号转换为电信号。本发明能够有效检测饮水机管路内是否存在静态存留水；且能够直接实时检测饮水机管路内静态存留或动态流经的气液两相物的混合比。从而有效评估饮水机管路内热水的汽化程度。

Description

一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器
技术领域
本发明整体涉及用于即热式或速热式饮水机。更具体地讲，本发明涉及用于检测即热式或速热式饮水机的管路内是否存在气液两相物及其比例高低的检测传感器。本发明提供一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器。
背景技术
即热式或速热式饮水机，是一种安全、环保、快捷的即开即热型饮水机，其显著特点是：即用即热，无需等待；待机无功耗，节能省电；克服死水、千滚水等问题；体积小巧、外观时尚、节省空间等。
即热式或速热式饮水机工作原理是利用控制器控制水泵工作，向加热器不断的注入冷水，同时控制器接通加热器的加热电源，冷水流过加热器的同时就被加热了，通过管路流出的就是热水。热水制造过程，通常包括以下步骤：检测饮水机管路内是否有水；如果管内处于缺水状态，则先开启水泵注水直至充满；然后开启加热器与水泵，利用出水温度(或流量)闭环控制，实现热水连续制造；连续热水制造过程中，如果出现缺水或水汽化时，通常需要关闭或降低加热器加热功率，以保证饮水机的稳定工作与安全保护。因此，检测液态水是否静态存留或动态流经管路、汽态与液态混合物比例高低的传感器是实现饮水机核心功能与保证安全可靠工作的关键部件。
通常即热式或速热式饮水机中，使用流量计(或虚拟流量计)检测饮水机管路内动态的水流量，间接确定连续热水制造过程的缺水状态。同时，使用温度传感器检测饮水机管路内流动汽液两相物的温度，间接确定热水是否处于过热汽化状态。这种使用多传感器的间接测量方法，存在着严重缺陷：无法有效检测饮水机管路内是否存在静态存留水；难以有效评估饮水机管路内热水的汽化程度。
为解决以上缺陷，本发明公开了一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器(以下简称检测传感器)，该传感器可直接实时检测饮水机管路内静态存留或动态流经的气液两相物的混合比。所谓气液两相物，是指气体、液体或气液共存物，其中气体可以是空气、水汽或者空气与水汽混合物，液体就是液态水，气液共存物是气体与液体同时存在的物质。气液两相物的混合比就是液体体积/(气体体积+液体体积)。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明气液两相物检测传感器，主要由四种核心零部件组成：光发射器7、透光圆管8、凸透镜9以及光敏检测器10。四种核心零部件可固定于独立结构部件或非独立结构部件中，但固定时四者皆需沿着光轴对准安装。在本发明的一个实施案例中，所述检测传感器所有零部件皆安装于独立结构部件中，如图4所示。
所述检测传感器工作原理：饮水机的管路与所述透光圆管连接，使得饮水机的气液两相物静态存留或动态流经所述透光圆管；来自所述光发射器的光束进入所述透光中空圆管，经过柱透镜的聚光作用形成条状光束，该条状光束再经过所述的凸透镜的聚光作用，形成斑点状光束，并最终到达所述光敏检测器并转换为输出电信号，如图2所示。该电信号与所述透光圆管内的气液两相物混合比成正相关或负相关关系(与所选用的光敏传感器类型和处理电路相关)。当光敏检测器的输出电信号与光强呈正相关关系时，则透光圆管内为气态物质时输出电信号最弱，当透光圆管内为液态物质时输出电信号最强。当光敏检测器的输出电信号与光强呈负相关关系时，则反之。
所述光发射器，主要功能是为所述检测传感器提供波长与频谱均适宜的稳定可靠光源。该部件可使用点式发光体或面式发光体，若采用点式发光体则可按长条状紧密排布成点式发光体阵列。所述发射器发出的光束可以为平行光或非平行光，但需使得光束中心线与所述透光圆管的轴线基本垂直，若采用长条状排布点式发光体时，还需使得点式发光体排布方向与所述透光圆管的轴线基本平行。当光束通过所述透光圆管时，光束宽度需覆盖所述透光圆管管径方向的透光截面，光束高度可大于或等于所述凸透镜直径。在本发明的一个实施案例中，所述发光体为长条状排布点式发光体，采用非平行光工作方式，如图2所示。
所述透光圆管，主要有两个功能：为气液两相物提供存留空间或流动通道；利用柱透镜的聚光作用，产生条状光束，该光束的平均光强与所述透光圆管内的气液两相物混合比成正相关关系。若当所述透光圆管内为气体时，其平均光强最弱；当所述透光圆管内为液体，其平均光强最强。该部件可采用透明的玻璃或塑料制造，但所选用材料的在满足光学与机械性能要求下，应允许气液混合的高温开水通过。故要求材料耐低温≤0℃，耐高温≥100℃。
所述凸透镜，主要功能利用凸透镜聚焦把来自所述透光圆管的光束，进一步产生聚光作用并在所述凸透镜的出射光焦点处形成斑点状光束，为所述光敏检测器提供光信号。所述斑点状光束，其平均光强与与所述透光圆管内的气液两相物混合比成正相关关系。当所述透光圆管内为气体时，其平均光强最弱；当所述透光圆管内为液体时，其平均光强最强。该零件外形无特殊要求，可采用双凸、平凸和凹凸型凸透镜，可使用透明的玻璃或塑料制造。
所述光敏检测器，主要功能是将来自所述凸透镜的斑点状光束信号转换为电信号。该部件的光敏器件可选用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等，光敏器件需安装于所述凸透镜的出射光焦点位置附近。光敏检测器的输出电信号值可与所述透光圆管内的气液两相物混合比成正相关或负相关关系(取决于具体光敏器件与处理电路的选择)。当所述透光圆管内为气体时，其信号值可为最小值(正相关关系时)或最大值(负相关关系时)；当所述透光圆管内为液体时，其信号值可为最大值(正相关关系时)或最小值(负相关关系时)。在本发明的一个实施案例中，所述光敏检测器的光敏器件选用光敏二极管。所述光敏检测器的输出电信号，可以是光敏器件原始信号直接做为传感器的输出电信号，也可以将原始信号通过放大、滤波、I/V变换等功能电路作用后的信号作为传感器的输出电信号。
所述检测传感器安装于饮水机时，正常工作态时，所述气液检测传感器的透光圆管轴线可平行于重力方向。
所述检测传感器的应用如下：
根据本发明，所述检测传感器可安装于即热式或速热式饮水机的进水口和出水口等部位。根据在饮水机内安装部位不同，所述检测传感器可输出相应部位管路内气态与液态混合物比例成正(负)相关关系的实时电信号。当所述检测传感器安装于水泵进水口时，传感器输出电信号表征了饮水机进水端的供水状态，例如：进水端管路内是否存在静态存留水，是否存在空气泡以及是否缺水等。当所述检测传感器安装于出水口时，传感器输出电信号表征了饮水机加热体出水口的出水状态，如管路内是否存在静态存留水或动态流经水，管路内的气液两相物混合比例高低等。考虑到安装于不同部位的传感器电信号所表征的物理参数并不相同，因此为获得更加全面的物理信息，可在饮水机内的多个部位同时安装多个所述检测传感器。在本发明的一个实施案例中，所述检测传感器安装于出水口，如图1所示。
本发明有益效果如下：
本发明能够有效检测饮水机管路内是否存在静态存留水；且能够直接实时检测饮水机管路内静态存留或动态流经的气液两相物的混合比。从而有效评估饮水机管路内热水的汽化程度。
附图说明
图1为所述检测传感器安装部位示意图，该图示例所述测传感器安装于饮水机出水口的情况；
图2为所述透光圆管内充满液体情况下所述检测传感器光线传播示意图。图2A为所述透光圆管内充满液体情况下所述检测传感器正视方向(即图4中的Z轴方向)的光线传播示意图。图2B为所述透光圆管内充满液体情况下所述检测传感器俯视方向(即图4中的Y轴方向)的光线传播示意图；
图3所述透光圆管内充满气液两相物情况下所述检测传感器光线传播示意图。图3A为所述透光圆管内充满气液两相物情况下所述检测传感器正视方向的光线传播示意图。图3B为所述透光圆管内充满气液两相物情况下所述检测传感器俯视方向的光线传播示意图；
图4为所述检测传感器内部装配示例图，该图示例检测传感器的各个零部件的装配关系。
具体实施方式
本发明的实质和操作模式，将结合附图在本发明的以下具体实施方式中更全面地描述。
图1示意即热式或速热式饮水机出水口安装检测传感器6的案例。该例中，饮水机的液体管路从进水口到出水口分别连接有进水温度传感器1、水泵2、加热器4、出水温度传感器5和检测传感器6，其液体管路连接部分用有向粗实线表示，箭头方向表示液体流向。饮水机工作状态与工作过程由控制器3决策，控制器3与水温度传感器1、水泵2、加热器4、出水温度传感器5和检测传感器6之间的电气连接由有向粗虚线表示，箭头方向表示信号或电能流向。检测传感器6在实际物理安装时，要求透光圆管8的轴线与重力方向基本相同。
饮水机上电后，通常处于等待用户指令状态。当用户指令饮水机供水时，控制器3开始处理水温度传感器1、出水温度传感器5和检测传感器6的相应信号。根据用户指定温度为参考信号，利用实时检测的进水温度、出水温度和检测传感器6的输出信号做控制运算，并将运算结果作用于水泵2和加热器4，此时水泵2打开，加热器4持续给进水加热升温，并将出水温度稳定在用户指定温度。当热水制造过程中，如果检测到检测传感器6的信号指示气液两相物混合比指示液体过少时，表示饮水机缺水或者水汽化严重，控制器3将根据实际工况进行水泵2和加热器4的控制、安全保护与故障报警等操作。
检测传感器6主要由四种核心零部件组成，即光发射器7、透光圆管8、凸透镜9、光敏检测器10和安装盒主体12。这些零部件，可固定于独立结构部件或非独立结构部件中。如图4所示的施案例中，检测传感器6所使用的零部件，皆固定于独立结构部件，即安装盒主体12中，装配时从右到左依次为：光发射器7、透光圆管8、凸透镜9以及光敏检测器10。透光圆管8的内径10mm(可取：2mm～100mm)，长度为20mm(可取：≥透光圆管内径)，管壁厚2mm(可取：1/5～1/20×透光圆管内径)，其两端有管路大小匹配接头。凸透镜9选用平凸型带沿凸透镜，直径为11mm(可取：≥3/4×透光圆管8内径)。安装盒上盖板11与安装盒主体12之间采用锁扣结构连接固定，一方面起到固定光发射器7、透光圆管8、凸透镜9以及光敏检测器10等零部件的作用，另一方面则起到外部环境光的遮蔽作用。
光发射器7与透光圆管8的装配关系应满足：光发射器7的点式发光体阵列与透光圆管8轴线平行；光束中心线可与透光圆管8轴线垂直；光发射器7与透光圆管8之间距离取值满足：光束照射范围覆盖透光圆管8的透光部分，其中照射宽度大于或等于圆柱管8内径，照射高度大于或等于所述圆柱管长度。
透光圆管8与凸透镜9的装配关系应满足：透光圆管8产生的条状光束，其光轴线可与凸透镜9的光轴线对准；所述条状光束照射到凸透镜9的照射范围可为：≤所述凸透镜透光区域。透光圆管8与凸透镜9之间的距离取值满足：在凸透镜9焦点区域，所产生的光斑最小。凸透镜9焦距为：≤充满液体的所述透光圆管8的焦线距离。
凸透镜9与光敏检测器10之间的装配关系应满足：凸透镜9焦点区域产生的斑点状光束，其照射范围覆盖所述光敏检测器的光敏器件。
检测传感器6的工作机理实施案例如图2和图3所示，本实施案例的光发射器7采用长条状排布点式发光体。
图2示意透光圆管8内为透明液体的光束传播路径，其中，图2A表示正视方向的光线传播路径，而图2B表示俯视方向的光线传播路径。光束传播路径：从光发射器7出发，到达透光圆管8后产生圆柱透镜的聚光效应，在透光圆管8后方形成条状明亮光束，此光束入射到凸透镜9后在其出射焦点附近形成斑点状光束，然后光斑被安装于此的光敏检测器10转换成电信号。本实施方式中，发射器7发出的光束，从正视方向看接近于线状平行光源，而从俯视方向看则为具有一定发散角的点光源。
图3示意透光圆管8内为气液混合物体的光束传播路径，其中，图2A表示正视方向的光线传播路径，而图2B表示俯视方向的光线传播路径。光束传播路径：从光发射器7出发，到达透光圆管8后由于气体的存在导致圆柱透镜的聚光效应减弱或消失，在透光圆管8的后方形成条状光束明显变弱甚至消失，从而导致此光束入射到凸透镜9后在其出射焦点附近形成斑点状光束亮度也明显变弱，光斑被安装于此的光敏检测器10接收并转换成电信号后也明显变化。
从如图2和图3所示的检测传感器6的工作机理可以看出，光敏检测器10的光敏感器接收到斑点状光束并转换成电信号后，此电信号的强弱反应了透光圆管8里面的气液两相物混合比大小，即两者之间呈现强相关关系。当光敏检测器10的输出电信号与光强呈正相关关系时，则当透光圆管8内为气体时输出电信号最弱，当透光圆管8内为液体时输出电信号最强。当光敏检测器10的输出电信号与光强呈负相关关系时，则反之。

Claims (10)

1.一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器，其特征在于包括光发射器、透光圆管、凸透镜以及光敏检测器；且光发射器、透光圆管、凸透镜以及光敏检测器均装配在安装盒主体中，装配时从右到左依次为：光发射器、透光圆管、凸透镜以及光敏检测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器，其特征在于所述光发射器发出光束，照射透光圆管；所述的透光圆管为气液两相物提供存留空间或流动通道，同时利用柱透镜的聚光作用，产生条状光束；所述凸透镜利用聚焦把来自透光圆管的光束进一步产生聚光作用并在所述凸透镜的出射光焦点处形成斑点状光束信号；所述光敏检测器将来自凸透镜的斑点状光束信号转换为电信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器，其特征在于所述光发射器采用点式发光体，且按长条状紧密排布成点式发光体阵列，点式发光体排布方向与所述透光圆管的轴线平行。
4.根据权利要求3所述的一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器，其特征在于当光束通过所述透光圆管时，光束宽度需覆盖所述透光圆管管径方向的透光截面，且光束高度大于等于所述凸透镜直径。
5.根据权利要求3所述的一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器，其特征在于所述透光圆管产生的条状光束的平均光强与所述透光圆管内的气液两相物混合比成正相关关系；当所述透光圆管内为气体时，其平均光强最弱；当所述透光圆管内为液体，其平均光强最强。
6.根据权利要求4所述的一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器，其特征在于所述透光圆管采用透明的玻璃或塑料制造，且材料耐低温≤0℃，耐高温≥100℃。
7.根据权利要求4所述的一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器，其特征在于所述透光圆管的长度大于的圆柱管内径，内径范围为：2mm～100mm；管壁厚度为：(1/5～1/20)×所述圆柱管内径。
8.根据权利要求4所述的一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器，其特征在于所述的凸透镜的焦距为：小于等于充满液体的透光圆管的焦线距离，凸透镜的直径为：大于等于3/4×透光圆管内径。
9.根据权利要求4所述的一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器，其特征在于光发射器与透光圆管的装配关系应满足：光发射器的点式发光体阵列与透光圆管轴线平行；光束中心线可与透光圆管轴线垂直；光发射器与透光圆管之间距离取值满足：光束照射范围覆盖透光圆管的透光部分，其中照射宽度大于或等于透光圆管的内径，照射高度大于或等于所述圆柱管长度。
10.根据权利要求4所述的一种基于双聚光作用的气液两相物检测传感器，其特征在于透光圆管与凸透镜的装配关系应满足：透光圆管产生的条状光束，其光轴线可与凸透镜的光轴线对准；所述条状光束照射到凸透镜的照射范围为：≤所述凸透镜透光区域；透光圆管与凸透镜之间的距离取值满足：在凸透镜焦点区域，所产生的光斑最小；凸透镜焦距为：≤充满液体的所述透光圆管的焦线距离；凸透镜与光敏检测器之间的装配关系应满足：凸透镜焦点区域产生的斑点状光束，其照射范围覆盖所述光敏检测器的光敏器件。
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