CN2175409Y - 光码变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种与机械测量仪表配套使用 的光纤传感器。它主要由机械接口、磁耦合器、编码 盘、光路耦合器、光纤连接器、密封件、光缆以及主被 动轴所组成。当它处于工作状态时，检测仪表的转 动，带动了主动轴的转动，通过非接触式的磁耦合使 得被动轴的转动，由此固定在被动轴上的编码盘不断 周期性切断光路从而产生了光脉冲信号，经光纤传输 和数据处理，便可获得检测结果。

本实用新型是不带电的无源系统，安全可靠，因 此适用于对易燃易爆的现场检测。

Description

本实用新型属于一种光纤传感器。

目前在石油化工领域，对危险液体液位的检测通常采用传统的人工观测仪表的方式进行，随着科学技术的不断发展，近期出现了利用光纤通迅技术，它是光、机、电集于一体，主要由机械传动部分、光缆光电器件、码盘等部件构成。它固然可以实现对危险液体液位的检测，但是这种仪表的机械传动容易出现卡带、断带、打滑问题，其次是由于密封不严，油、水或蒸汽、或灰尘等容易渗入内腔造成对光路污染，导致光的断路或光强的耦合效率低、损耗增大以及安装调试困难等，因此给使用者带来不便。除此之外，仅靠两光纤光纤端面相对校准对直的耦合方式，对光源的利用率太低，因而，影响长期使用的可靠性。

本实用新型目的在于提出一种由非接触式磁耦合器，机械编码盘、光路耦合器、光纤连接器、主被动轴和光缆密封头所组成的装置，它可与轴的转角和轴的转速这一类型的测量仪表配套使用，从而可以达到对危险环境的压力、流量、液位安全检测的目的。解决了现有技术的困难。

本实用新型所采用的技术方案在于提出一种通过机械接口传递来的信号以非接触磁耦合方式带动被动轴上垂直安装的编码盘的转动，随着被动轴的转动，编码盘外沿的辐射状齿或缺口便周期性地遮挡着两个光路耦合器形成光脉冲，由此将产生的光信号通过光纤、光缆传送到安全区域进行数据处理，从而实现对石油化工领域的压力、流量、液位的安全检测。

本实用新型的结构，主要包含有：壳体、机械接口部件、磁耦合器、光缆密封头、光路耦合器、光源、光检测器和光纤连接器所组成。

本实用新型是光、机、电集于一体的一种光纤传感器。它是与轴的正反向转角、轴的转速一类的测量仪表配套使用的。如膜合压力表、涡轮流量计、钢带液位表等，即它是一种都适用于靠指针在刻度盘转过的角度或靠齿轮组合的机械码度量数据的测量仪表的光码变送器。对不同的测量仪表，仅改动光码变送器的机械接口、外壳尺寸和编码盘的精细度即可。上述仪表配用光码变送器后，不仅对原仪表的性能没有任何影响，而且扩展了其功能；同时也可以将被测量靠光缆把数据以光（脉冲）码的形式传到远离现场的调度室或值班室或机房，进行数字化处理，特别是，被测现场和信号传输途中是不带电的无电流、无电压、无热源系统，安全可靠。适合石油、化工等易燃易爆环境下使用；配用光码变送器后，可以多参量（压力、流量、液位等）多点（众多的被测点）联网，实现计算机的现代化管理。

图1是本实用新型的结构图；

图2是本实用新型的光纤端头组装微型透镜的原理图；

图3是本实用新型的光路耦合器原理图；

图4是本实用新型的光路耦合器与编码盘的装配示意图；

图5是本实用新型的实施例结构示意图。

现在，结合上述附图来说明本实用新型的具体实施方案。

光码变送器外形结构如图1所示。螺孔（8），主动轴（9），轴承（10），拨杆（2），衔接孔（27）是与仪表配套的机械接口部件，当主动轴（9）由配套仪表的转轴或链轮通过拨杆（2）带动运行时，固定在主动轴（9）另一端的磁耦合环的磁力线透过隔板（18）与被动轴（22）上的磁耦合环相连接，组成了磁耦合器，因而形成两环之间的磁力吸引，另外，环上的磁片（19），N，S极相间排列，它们之间又有一种磁的扭转力矩与轴线垂直，因此主被动轴之间虽然是间断的，非接触式的，但靠磁力的吸引和扭转耦合在一起，保持同步随动状态。两个磁片组环分别以中间隔板（18）为对称，间距为1－10mm。每个环上镶钳2－10只永磁体，每只直径3～20mm，厚1～10mm，磁体材料用钡、锶铁氧体，钕铁硼等永磁材料均可，需用高矫顽力磁场磁化，并做老化处理，表面度镍或涂胶。隔板（18）可用抗磁金属材料或刚性非金属材料制成，厚度为0.3～5mm。是用螺钉把它与密封垫圈（17）固定在壳体（16）上。

壳体（16）、（26）是由铜或铝制成。光缆入口是靠螺纹将密封垫（12）与光缆（13）外皮拧紧挤压密封。外壳（16）、（26）间亦靠螺扣拧紧密封圈（21）密封。这样一来，使得被动轴（22）和固定在它上面的编码盘（6）和被动轴（22）的端头的磁体组环（19），两只光路耦合器（5）、四只光纤连接器（23）以及密封光缆头（15）同被密封在壳体内，保证其内部诸器件不受外来的灰尘、水、油和油水汽的污染。

光缆密封头（15），是将一段光缆外皮长5－20mm与相邻剥去一段外皮的多芯光纤长5－20mm灌胶胶合在一起，可用环氧树脂或硫化橡胶或聚氨脂橡胶均可，胶体直径10－20mm。

编码盘（6）的轴心与被动轴（22）的轴心重合，编码盘是靠螺钉固定在一起，它是由金属材料或其非金属刚性材料制成，厚0.1－5mm，直径20－300mm，在它的外沿均匀地加工成辐射状的齿和缺口，齿和缺口的尺寸大小相等；也可以做成辐射状的黑白透射光栅，其条纹和空白均匀一致。它们的长度1－10mm，一个齿和相邻的缺口，或者一个条纹与一个相邻的空白光栅为一个码，在编码盘的范围内，一个码周期，在码盘上占的角度最小数值取决于计量仪表要求的分辩率和微型透镜组公共焦点F光斑断面直径的最小值，本实用新型最小角度可达0.08度。

光路耦合器（5），结构如图4所示，它是由两只如图2所示的光纤端头组装成微型透镜（1）、（4）、（3）相对组装为如图3所示的，外加固定架（28）成为图4的结构。光纤连接器（23），传到图2中的光纤端头，经微型透镜（3），将光纤端头发散角11.5°～15°的光聚焦，焦距f₁，在2.5～50mm范围内。将同样的另一只光纤端头组装微型透镜，与前一只相对放置，如图3所示，用微调架调到两微型透镜的焦点重合为一，此时，自左侧耦合到右侧的光处于最佳状态。右侧，光通过微型透镜（3）进入光纤端头传到焊接的光纤连接器（23），进入长距离光缆到终端的光功率计或光电检测器PIN。图3所示的结构，由螺钉和胶固定在金属架（28）上即为完整的光路耦合器（5）。采用同样安装方法，将另一个光路耦器（5）调好，其焦距为f₂。微型透镜可以选用0.29节距的自聚焦透镜，球透镜和棒透镜均可。亦可用平凸棒透镜。自左侧光纤端头到右侧检测终端，光的损耗在1.5db－7.0db（传通率20％～70％）之间。金属管（4）的直径3～10mm，长5～30mm。两只光路耦合器垂直编码盘的平面，固定在它的外沿，并使码盘的机械码横切两只公共焦点f1和f2。两只光路耦合器，在园周上相差机械码周期的［（2n＋1） (π)/2 ］倍，其中n＝0，1，2…；当一个编码盘转动时，齿或光栅条纹横切光路耦合器（5）的公共焦点F时，光路被其切断，当缺口或光栅空白条横切耦合器（5）的公共焦点F时，光路被接通。由于两只光路耦合器（5）相差 (π)/2 的奇数倍，所以输出的两路光脉冲信号亦相差 (π)/2 ，以此作为二次表计数、判向的原始数据。

光纤连接器（23）是光通信无源器件，已被国内外普遍采用。本实用新型为便于现场安装调试，在光码变送器密封壳体（16）、（26）内，引用四只光纤连接器（23），它们分别被焊接在两只光路耦合器（5）的四个光纤端头和光缆密封头（15）的四根光纤端头中间。每一个传输损耗小于0.5db。

光码变送器可以与美国Varec公司的2500钢带液位表或北京仪表四厂国产化的UZG－100系列的钢带液位表配用。在图5中，（11）是钢带液位表的链轮，（20）是钢带表的后盖，（8）是螺钉。安装时，首先卸下钢带液位表的后盖（20），用四只螺钉将后盖（20）与光码变送器外壳（16）固定在一起，它们的螺孔，孔距、螺钉都是根据钢带表原来的尺寸设计的。然后，对准链轮（11）上的园柱（7）与拨杆（2）使其吻合，上紧后盖（20），安装完毕。当钢带液位表工作时，液位的起伏带动穿孔钢带连接的浮子和链轮（11）升降和正反向转动。由于链轮（11）与光码变送器主动轴（9）以园柱（7）和拨杆上的孔（27）相连，故主动轴跟随链轮同速同向运转。磁耦合组（19），又使被动轴上的编码盘（6）与链轮也处于同步转动状态。因此编码盘随时将液位变量给出相应的码数，这些码数又随时由两只相差（2n＋1） (π)/2 的光路耦合器（5），通过光纤连接器（23），光缆（13）传到远离被测现场的值班室或调度室或机房进入二次表或主控计算机进行任意的数字化处理，从而获得检测结果。

Claims (9)

1、一种由机械外壳、编码盘、光源和光缆组成并与测量仪表配套使用的光码变送器，其特征在于它包含有一个机械接口，磁耦合组(19)、编码盘(6)、光路耦合器(5)、主动轴(9)、被动轴(22)、光纤连接器(23)、密封件、光源LED和光电检测器PIN所组成，当它处于检测状态时，测量仪表通过机械接口带动垂直装有一个磁耦合环(19)的主动轴转动，以磁耦合方式带动一端垂直安装有另一个磁耦合环(19)和另一端垂直安装有一个编码盘(6)的被动轴(22)转动，由于光码盘(6)的转动，使其带齿和缺口的外沿周期性地遮挡两个光路耦合器(5)的光路，由此产生的光脉冲信号经光缆传递出光纤连接器(23)，然后通过光缆输到控制室进行数据处理，最后给出检测结果。

2、按照权利要求1所说的光码变送器，其特征在于所说的机械接口，它包括有螺孔（8）、拨杆（2）和衔接孔（27）。

3、按照权利要求1所说的光码变送器，其特征在于所说的磁耦合组（19），它包括有两个磁耦合环和一个隔板（18），每一个环上安装有2－10个永磁体，其直径为3－20毫米，其厚度为1－10毫米，两环之间的间隔为1至10毫米。

4、按照权利要求1所说的光码变送器，其特征在于所说的光路耦合器（5）是由两个光纤端头微型透镜（1）、（4）、（3）相对组合而成，其公共焦点F的断面直径为0.1至0.5毫米，焦距f1为2.5至50毫米，两个光路耦合器之间相差机械码周期（2n＋1） (π)/2 的角度。

5、按照权利要求4所说的光码变送器，其特征在于所说的透镜，可以选用0.29节距的自聚焦透镜，或球透镜、或棒透镜或平凸棒透镜。

6、按照权利要求1所说的光码变送器，其特征在于所说的编码盘（6），其轴心与被动轴（22）的轴心重合，其厚度为0.1－5毫米，直径为20－300毫米范围，其外沿被均匀地加工成辐射状的齿和缺口，齿和缺口的尺寸大小相等，也可以加工成辐射状的黑白透射光栅，其条纹和空白均匀一致，它的长度为1－10毫米，一个齿和相邻的缺口，或一个条纹与一个相邻的空白光栅为一个码。

7、按照权利要求1所说的光码变送器，其特征在于所说的密封件是指密封圈（12）、（17）、（21）和光缆密封头（15）。

8、按照权利要求6所说的光码变送器，其特征在于所说的密封圈（12）、（17）和（21）是用丁基橡胶或氯丁橡胶或聚氨脂橡胶制成，密封头（15）是用环氧树脂，或硫化橡胶，或聚氨脂橡胶制成。

9、按照权利要求1至7所说的光码变送器，其特征在于所说的外壳是由外壳（16）和外壳（26）部分组成。

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