CN115112919A - 一种基于光电脉冲的流体流速检测方法及装置 - Google Patents

一种基于光电脉冲的流体流速检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了提供了一种基于光电脉冲的流体流速检测方法及装置。其中，该方法包括：向待测流道的一侧外壁垂直发射设定宽度L小于或等于0.5mm的激光带；采集一段时间内待测流道流体中夹带的固体颗粒物经过激光带时，因固定颗粒物的阴影投射在激光接收器上形成的电压脉冲信号；将电压脉冲信号进行滤波、放大和比较处理，得到矩形波信号；测量并根据矩形波信号中的各波宽时间ti，计算固定颗粒物通过激光带的平均时间tp，然后根据设定宽度L和所述平均时间tp计算流体中固定颗粒物的平均速度vp，即为待测流道中流体的流速。本发明检测过程无需与待测流道内的流体进行接触，不受液体流道的尺寸的影响，可实现微小流道内液体的流速测量。

Description

一种基于光电脉冲的流体流速检测方法及装置
技术领域
本发明属于流体流速检测技术领域，更具体地，涉及一种基于光电脉冲的流体流速检测方法及装置。
背景技术
油液和水等流体介质是工业、运输、市政和环境工程中常见的工作物。工作中流体介质流速的准确测量一直是流体设备关注的重点之一。
常规的流速测量方法为利用检测仪器测量管路内的流量，然后根据管道直径推算流速。然而随着当代微流体技术的发展，流体介质工作设备的流道特征尺寸越来越小，可达微米级甚至亚微米级。由于流道特征尺寸的缩小，流道内油液的流量也大大降低，考虑到微流体的流体动力性能减弱，测量准确度降低，现有的浮子流量计、齿轮流量计、涡街流量计等检测设备已经越来越难以满足微小流量的检测要求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光电脉冲的流体流速检测方法，能实现对微小流道内流体的微量流速的测量。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于光电脉冲的流体流速检测方法，包括如下步骤：
(1)向待测流道的一侧外壁垂直发射设定宽度L的激光带，同时在所述待测流道一侧外壁的相对面处设置一激光接收器；其中，所述设定宽度L小于或等于0.5mm；
(2)采集一段时间内待测流道流体中夹带的固体颗粒物经过激光带时，因固定颗粒物的阴影投射在激光接收器上形成的电压脉冲信号；
(3)将所述电压脉冲信号进行滤波、放大和比较处理，得到矩形波信号；其中，信号处理后的矩形波信号中的各波宽时间与所述电压脉冲信号中的各波宽时间对应保持一致；
(4)测量并根据所述矩形波信号中的各波宽时间ti，计算固定颗粒物通过所述激光带的平均时间tp，然后根据所述设定宽度L和所述平均时间tp计算流体中固定颗粒物的平均速度vp，所述平均速度vp即为所述待测流道中流体的流速。
本发明提供的基于光电脉冲的流体流速检测方法，对流体的组成和运动原理进行分析，通过在待测流道的一侧外壁发射激光，在该外壁的相对面处利用光电脉冲的原理对待测流道的流速进行测量，整个检测过程无需与待测流道内的流体进行接触，不受液体流道的尺寸的影响，可实现微小流道内液体的流速测量；同时采用这种无接触式的流速检测方式，可避免流体介质的污染问题，实现流量零损耗的测量。
第二方面，本发明提供了一种基于光电脉冲的流体流速检测装置，其特征在于，包括：
微孔镜片组，包括两个相对设置在待测流道外壁上的镜片，两个镜片相对的中间位置处设置一矩形孔；
激光发射器，用于向其中一镜片中的矩形孔内垂直发射一激光，形成设定宽度L小于或等于0.5mm的激光带；
激光接收器，设置在另一镜片的矩形孔处，用于接收一段时间内所述另一镜片的矩形孔处的激光信号，并将该激光信号转化为电信号；其中，当所述待测流道中流体夹带的固体颗粒物经过激光带时，因固定颗粒物的阴影投射在所述激光接收器上形成电压脉冲信号；
滤波电路，用于将所述电压脉冲信号进行滤波处理后输出；
信号放大电路，用于将滤波处理后的倒三角波电压脉冲信号进行放大处理后输出；
信号比较电路，用于将放大处理后的倒三角波电压信号进行比较处理后，输出矩形波信号；其中，信号处理后的矩形波信号中的各波宽时间与所述电压脉冲信号中的各波宽时间保持一致；
数据处理电路，测量并根据所述矩形波信号中各波宽时间ti，计算固定颗粒物通过所述激光带的平均时间tp，然后根据所述设定宽度L和所述平均时间tp计算流体中固定颗粒物的平均速度vp，所述平均速度vp即为所述待测流道中流体的流速。
本发明提供的基于光电脉冲的流体流速检测装置，对流体的组成和运动原理进行分析，通过在待测流道的一侧外壁发射激光，在该外壁的相对面处利用光电脉冲的原理对待测流道的流速进行测量，整个检测过程无需与待测流道内的流体进行接触，不受液体流道的尺寸的影响，可实现微小流道内液体的流速测量；同时采用这种无接触式的流速检测方式，可避免流体介质的污染问题，实现流量零损耗的测量。
在其中一个实施例中，所述镜片的矩形孔的尺寸小于或等于0.5mm×0.5mm。
在其中一个实施例中，所述镜片除矩形孔处均设有深黑色涂层。
在其中一个实施例中，所述激光发射器采用半值角小于5°的激光二极管。
在其中一个实施例中，所述激光发射器采用半值角大于5°的高斯激光发射器时，所述镜片采用具有弧度的凸透镜。
在其中一个实施例中，所述滤波电路采用RC滤波电路。
在其中一个实施例中，所述信号放大电路采用差分放大电路。
在其中一个实施例中，所述信号比较电路包括运算放大器、电容C1～C2和电阻R1～R5；
其中，所述运算放大器的同相输入端分别与电阻R1的一端、电阻R3的一端、电容C1的一端相连，所述电阻R1的另一端与所述信号比较电路的输出端相连；所述运算放大器的反相输入端与电阻R2的一端相连，所述电阻R2的另一端通过电容C2接地，且所述电阻R2的另一端用于设置比较阈值；所述运算放大器的输出端分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端、电阻R5的一端、电容C1的另一端相连，所述电阻R5的另一端与电源端相连，所述电阻R4的另一端与所述数据处理电路的输入端相连。
在其中一个实施例中，所述数据处理电路采用单片机处理器。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的基于光电脉冲的流体流速检测方法的流程图；
图2是本发明提供的光电转化的波形示意图；其中，图2中(a)为待测流道中无固定颗粒物通过激光带时，激光接收器形成的电信号的波形示意图；图2中(b)为待测流道中无固定颗粒物通过激光带时，激光接收器形成的电压脉冲信号的波形示意图；图2中(c)为经过放大处理后的电压脉冲信号的波形示意图；图2中(d)为经过比较处理的电压脉冲信号的波形示意图；
图3是本发明一实施例提供的基于光电脉冲的流体流速检测装置的结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的滤波电路的电路原理示意图；
图5是本发明一实施例提供的信号放大电路的电路原理示意图；
图6是本发明一实施例提供的信号比较电路的电路原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，流体介质中普遍含有一些肉眼不可见的微米级亚微米级固体颗粒物。在流体介质流动时，微米级固定颗粒物将随流体一起运动，且布朗运动可以忽略不计。因此微米级固体颗粒的运动速度可近似等于流体流动速度。
基于上述原理分析可知，可通过测量流体中固体颗粒的运动速度来计算分析流体的流速。对此，本发明提供了一种基于光电脉冲的流体流速检测方法，包括步骤S10～S40，详述如下：
S10，向待测流道的一侧外壁a垂直发射设定宽度L小于或等于0.5mm的激光带，同时在待测流道一侧外壁的相对面处设置一激光接收器。
在步骤S10中，本实施例对激光带宽度L进行限定，主要考虑到流体介质中普遍存在的固体颗粒物为微米级或亚微米级，激光带的宽度L设置过长，会导致某个时间段通过激光带的流体中夹杂的固体颗粒物数量过多，无法准确反映出单个固定颗粒物通过该激光带的时间，影响后续对流体的流速的计算分析。
S20，采集一段时间内待测流道流体中夹带的固体颗粒物经过激光带时，因固定颗粒物的阴影投射在激光接收器上形成的电压脉冲信号A。
在步骤S20中，激光接收器通常是由光敏器件(光敏二极管)和放大器组成，其工作原理为：光敏器件接收激光，根据激光的光照强度产生相应强度的光生电流信号，该光生电流信号经过放大器放大输出电信号。
具体地，本实施例提供的激光接收器中的光敏器件则用于接收待测流道一侧外壁a相对面处的激光信号，当设定宽度L的激光带无固定颗粒物通过时，该光敏器件接收到的激光信号的光强最强，此时该激光接收器中的放大器输出的电信号幅值U最大，如图2中(a)所示；当设定宽度L的激光带有固定颗粒物通过时，颗粒的阴影会投射在光敏器件上，由于颗粒随流体一起运动，从使得此时激光接收器中的放大器输出的电信号实际为一段倒三角的电压脉冲信号A，如图2中(b)所示。
S30，为减少后续测量的误差，可先将该电压脉冲信号A进行滤波处理。同时由于流体中固体颗粒物过小，滤波处理得到的电压脉冲信号A可能仅有mV级别，对此，还需将该电压脉冲信号进行放大处理，使其转化为幅值满足后续数据处理要求(大于2.5V)的信号B，如图2中(c)所示。又因为信号B是倒三角波，不易进行后续的数据测量，故还需通过将该信号B进行比较处理，如图2中(d)所示，即当信号B的幅值小于比较阈值(即前述的电压信号幅值U)时，输出“1”高电平信号，否则，输出“0”低电平信号，从而可以得到矩形波信号。其中，信号处理后的矩形波信号中的各波宽时间与电压脉冲信号A中的波宽时间对应保持一致，可有效避免信号失真，影响后续对流体流速的计算分析。
S40，测量并根据矩形波信号中各波宽时间ti，计算固定颗粒物通过激光带的平均时间tp，然后根据设定宽度L和平均时间tp计算流体中固定颗粒物的平均速度vp，平均速度vp即为该待测流道中流体的流速。
在步骤S40中，矩形波中每一个波宽时间均可等效表示流体中一固定颗粒物通过激光带的时间，则固定颗粒物通过激光带的平均时间tp为：
Figure BDA0003703233350000061
固定颗粒物的平均速度vp为：
vp＝L/tp
式中，i∈(1，N)，N表示一段时间内通过激光带的固定颗粒物的数量。为更准确地得到待测流道中流体的流速，可采集一段长时间内激光接收器形成的电压脉冲信号A，获得流体中更多的固体颗粒物通过激光带的时间，从而准确地计算固体颗粒物平均通过激光带的时间。
本实施例提供的基于光电脉冲的流体流速检测方法，对流体的组成和运动原理进行分析，通过在待测流道的一侧外壁发射激光，在该外壁的相对面处利用光电脉冲的原理对待测流道的流速进行测量，整个检测过程无需与待测流道内的流体进行接触，不受液体流道的尺寸的影响，可实现微小流道内液体的流速测量；同时采用这种无接触式的流速检测方式，可避免流体介质的污染问题，实现流量零损耗的测量。
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种基于光电脉冲的流体流速检测装置，如图3所示，包括微孔镜片组10、激光发射器20、激光接收器30、滤波电路40、信号放大电路50、信号比较电路60和数据处理电路70。
其中，微孔镜片组10包括两个相对设置在待测流道80外壁上的镜片，两个镜片相对的中间位置处设置一矩形孔，该矩形孔的尺寸小于或等于0.5mm×0.5mm。激光发射器20向其中一镜片中的矩形孔内垂直发射一激光，该激光仅能够从镜片的矩形孔内穿过，组成宽度L不大于0.5mm的激光带22，具体激光带22宽度L限定原因可参见上述方法实施例中步骤S10的详细说明。
进一步地，镜片除矩形孔处均可设有深黑色图层，用于吸收激光发射器20发射的多余激光，避免激光漫反射影响激光带22的激光强度。激光发射器20可采用半值角小于5°的激光二极管，对于部分半值角较大的高斯激光发射器，其形成的激光带将为束腰型激光，此时可以将镜片设计为相应弧度的凸透镜，对激光进行必要的校直。
当待测流道80流体中存在的固体颗粒物82经过该激光带22时，颗粒物的阴影投射在激活接收器30上形成一定大小的电压脉冲信号A，如图2中(b)所示。为减少测量误差，可通过设置滤波电路40对该电压脉冲信号进行滤波处理。具体地，滤波电路可采用电学领域常用的RC滤波电路，如图4所示。
由于固体颗粒物过小，所以滤波处理得到的电压脉冲信号A可能仅有mV级别，对此，还需将该电压脉冲信号A通过信号放大电路50进行放大处理，使其转化为幅值满足后续数据处理要求(大于2.5V)的信号B，如图2中(c)所示。具体地，本实施例提供的信号放大电路50可采用电学领域常用的差分放大电路，如图5所示。
通过上述方法实施例中步骤S20的记载可知，信号B是倒三角波，又因为倒三角波不易进行后续的数据测量，故还需通过将该信号B通过信号比较电路60进行比较处理，即当信号B的幅值小于比较阈值(即前述的电压信号幅值U)时，输出“1”高电平信号，否则，输出“0”低电平信号，从而可以得到矩形波信号C，如图2中(d)所示。其中，信号处理后的矩形波信号中的时间波宽与倒三角波电压脉冲信号中的波宽时间对应保持一致，即可通过调整前端RC滤波电路中电阻Rf的阻值和电容Cf的容值实现，可有效避免信号失真，影响后续对流体流速的计算分析。
具体地，可参见图6，本实施例提供的信号比较电路60可运算放大器A3、电容C1～C2和电阻R1～R5；其中，运算放大器A3的同相输入端分别与电阻R1的一端、电阻R3的一端、电容C1的一端相连，电阻R1的另一端与信号比较电路50的输出端相连；运算放大器A3的反相输入端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端通过电容C2接地，且电阻R2的另一端用于设置比较阈值；运算放大器A3的输出端分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端、电阻R5的一端、电容C1的另一端相连，电阻R5的另一端与电源端相连，电阻R4的另一端与数据处理电路70的输入端相连。
数据处理电路70则用于测量并根据矩形波信号中各波宽时间ti，计算固定颗粒物通过激光带的平均时间tp，然后根据设定宽度L和平均时间tp计算流体中固定颗粒物的平均速度vp，即为该待测流道中流体的流速。具体地，本实施例提供的数据处理电路70可采用单片机处理器，其处理原理可参见上述方法实施例中步骤S40的详细说明。
本实施例提供的基于光电脉冲的流体流速检测装置，对流体的组成和运动原理进行分析，通过在待测流道的一侧外壁发射激光，在该外壁的相对面处利用光电脉冲的原理对待测流道的流速进行测量，整个检测过程无需与待测流道内的流体进行接触，不受液体流道的尺寸的影响，可实现微小流道内液体的流速测量；同时采用这种无接触式的流速检测方式，可避免流体介质的污染问题，实现流量零损耗的测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光电脉冲的流体流速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)向待测流道的一侧外壁垂直发射设定宽度L小于或等于0.5mm的激光带，同时在所述待测流道一侧外壁的相对面处设置一激光接收器；
(2)采集一段时间内待测流道流体中夹带的固体颗粒物经过激光带时，因固定颗粒物的阴影投射在激光接收器上形成的电压脉冲信号；
(3)将所述电压脉冲信号进行滤波、放大和比较处理，得到矩形波信号；其中，信号处理后的矩形波信号中的各波宽时间与所述电压脉冲信号中的各波宽时间对应保持一致；
(4)测量并根据所述矩形波信号中的各波宽时间ti，计算固定颗粒物通过所述激光带的平均时间tp，然后根据所述设定宽度L和所述平均时间tp计算流体中固定颗粒物的平均速度vp，所述平均速度vp即为所述待测流道中流体的流速。
2.一种基于光电脉冲的流体流速检测装置，其特征在于，包括：
微孔镜片组，包括两个相对设置在待测流道外壁上的镜片，两个镜片相对的中间位置处设置一矩形孔；
激光发射器，用于向其中一镜片中的矩形孔内垂直发射一激光，形成设定宽度L小于或等于0.5mm的激光带；
激光接收器，设置在另一镜片的矩形孔处，用于接收一段时间内所述另一镜片的矩形孔处的激光信号，并将该激光信号转化为电信号；其中，当所述待测流道中流体夹带的固体颗粒物经过激光带时，因固定颗粒物的阴影投射在所述激光接收器上形成电压脉冲信号；
滤波电路，用于将所述电压脉冲信号进行滤波处理后输出；
信号放大电路，用于将滤波处理后的倒三角波电压脉冲信号进行放大处理后输出；
信号比较电路，用于将放大处理后的倒三角波电压信号进行比较处理后，输出矩形波信号；其中，信号处理后的矩形波信号中的各波宽时间与所述电压脉冲信号中的各波宽时间保持一致；
数据处理电路，测量并根据所述矩形波信号中各波宽时间ti，计算固定颗粒物通过所述激光带的平均时间tp，然后根据所述设定宽度L和所述平均时间tp计算流体中固定颗粒物的平均速度vp，所述平均速度vp即为所述待测流道中流体的流速。
3.根据权利要求2所述的基于光电脉冲的流体流速检测装置，其特征在于，所述镜片的矩形孔的尺寸小于或等于0.5mm×0.5mm。
4.根据权利要求2或3所述的基于光电脉冲的流体流速检测装置，其特征在于，所述镜片除矩形孔处均设有深黑色涂层。
5.根据权利要求2所述的基于光电脉冲的流体流速检测装置，其特征在于，所述激光发射器采用半值角小于5°的激光二极管。
6.根据权利要求2所述的基于光电脉冲的流体流速检测装置，其特征在于，所述激光发射器采用半值角大于5°的高斯激光发射器，所述镜片采用具有弧度的凸透镜。
7.根据权利要求2所述的基于光电脉冲的流体流速检测装置，其特征在于，所述滤波电路采用RC滤波电路。
8.根据权利要求2所述的基于光电脉冲的流体流速检测装置，其特征在于，所述信号放大电路采用差分放大电路。
9.根据权利要求2所述的基于光电脉冲的流体流速检测装置，其特征在于，所述信号比较电路包括运算放大器、电容C1～C2和电阻R1～R5；
其中，所述运算放大器的同相输入端分别与电阻R1的一端、电阻R3的一端、电容C1的一端相连，所述电阻R1的另一端与所述信号比较电路的输出端相连；所述运算放大器的反相输入端与电阻R2的一端相连，所述电阻R2的另一端通过电容C2接地，且所述电阻R2的另一端用于设置比较阈值；所述运算放大器的输出端分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端、电阻R5的一端、电容C1的另一端相连，所述电阻R5的另一端与电源端相连，所述电阻R4的另一端与所述数据处理电路的输入端相连。
10.根据权利要求2所述的基于光电脉冲的流体流速检测装置，其特征在于，所述数据处理电路采用单片机处理器。
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