一種雙探頭差壓流量傳感器及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種雙探頭差壓流量傳感器及其檢測方法，傳感器探頭包括兩個活塞缸和檢測箱，活塞缸的一端設(shè)置有端蓋，每個活塞缸的另一端通過流體通路分別與檢測箱相連通，活塞缸內(nèi)滑動設(shè)置有活塞，活塞與端蓋之間沿活塞的滑動方向還設(shè)置有彈簧，端蓋上開設(shè)有探頭安置孔，探頭安置孔內(nèi)設(shè)置有光纖檢測端，探頭安置孔與活塞的端面相垂直，活塞正對探頭安置孔的一側(cè)上固定有反光部件，氣源的供氣方向指向兩個流體通路的中間位置，且流體通路和氣源分別設(shè)置于流體在檢測箱內(nèi)部流通路徑的相對兩側(cè)。以解決現(xiàn)有流量傳感器多采用傳統(tǒng)的動力測量方式，擁有測量精度不高、耗能大等局限，在很多場合不能很好地勝任的問題。本發(fā)明屬于流量檢測領(lǐng)域。
【專利說明】
一種雙探頭差壓流量傳感器及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種流量傳感器，屬于流量傳感監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，常常要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn) 過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。傳感器 也早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工 程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。本發(fā)明是眾多類別的傳感器之一一一流量傳感器。 隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)多種多樣的流量傳感器，最常用的有葉片式、渦街 式、卡門渦旋式、熱線式等。但是，諸如葉片式、渦街式、卡門渦旋式、熱線式等傳感器，原理 多采用傳統(tǒng)的動力測量方式，擁有測量精度不高、耗能大等局限，在很多場合不能很好地勝 任。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于:提供一種雙探頭差壓流量傳感器及其檢測方法，以解決現(xiàn)有 流量傳感器多采用傳統(tǒng)的動力測量方式，擁有測量精度不高、耗能大等局限，在很多場合不 能很好地勝任的問題。
[0004] 本發(fā)明的方案如下：一種雙探頭差壓流量傳感器，包括傳感器探頭、光電轉(zhuǎn)換器和 信號處理器，傳感器探頭包括檢測箱和兩個活塞缸，活塞缸的一端設(shè)置有端蓋，每個活塞缸 的另一端通過流體通路分別與檢測箱相連通，活塞缸內(nèi)滑動設(shè)置有活塞，活塞與端蓋之間 沿活塞的滑動方向還設(shè)置有彈簧，端蓋上開設(shè)有探頭安置孔，探頭安置孔內(nèi)設(shè)置有光纖檢 測端，光纖檢測端的光纖束由入射光纖和出射光纖集合鎧裝而成，探頭安置孔與活塞的端 面相垂直，活塞正對探頭安置孔的一側(cè)上固定有反光部件，兩個活塞缸中光纖檢測端的出 射光纖分別與一個光電轉(zhuǎn)換器相連，兩個光電轉(zhuǎn)換器又分別與信號處理器相連，通過出射 光纖所接收信號的變化即可判斷反光部件與光纖檢測端之間距離的變化，從而判斷出進(jìn)入 兩個活塞缸內(nèi)流體的壓差；
[0005] 檢測箱上具有流體入口和流體出口以使流體流經(jīng)檢測箱的內(nèi)部，還包括氣源，氣 源的供氣方向指向兩個流體通路的中間位置，且流體通路和氣源分別設(shè)置于流體在檢測箱 內(nèi)部流通路徑的相對兩側(cè)，如此設(shè)置，當(dāng)檢測箱內(nèi)的流體不流通時，流入兩個活塞缸的流體 壓力應(yīng)當(dāng)相同，則兩個活塞的滑動距離相同，而當(dāng)流體流動后，流入兩個活塞缸的流體壓力 是不同的，則兩個活塞的滑動距離不同，這種壓力變化就會反映在光纖探頭檢測的光信號 變化上，即通過該傳感器檢測出流體流量等信息。
[0006] 氣源的噴氣方向與檢測箱內(nèi)流體的流通方向相垂直。
[0007] 每個光纖檢測端還分別對應(yīng)設(shè)置有光源、Y型耦合器和光纖，光源設(shè)置于光纖的一 端用于產(chǎn)生光纖信號，光纖的另一端經(jīng)Y型耦合器后分為檢測光纖和參考光纖，檢測光纖接 入所對應(yīng)的光纖檢測端，并作為光纖檢測端的入射光纖，參考光纖則單獨(dú)連接至一個光電 轉(zhuǎn)換器，且光電轉(zhuǎn)換器均與信號處理器相連。光源發(fā)出的光信號耦合進(jìn)入到光纖內(nèi)，再通過 Y型耦合器分為兩路，一路經(jīng)檢測光纖到達(dá)光纖檢測端，照射到反光部件上，經(jīng)反射后的反 射光進(jìn)入接收光纖，由接收光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再將信號輸入信號處理 器進(jìn)行信號處理;另一路經(jīng)參考光纖直接傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后也輸入到信號 處理器進(jìn)行信號處理，當(dāng)兩個活塞缸內(nèi)的流體存在壓力差時，此時兩個活塞缸內(nèi)的活塞產(chǎn) 生的軸向位移不同，因此，兩個光纖檢測端與所對應(yīng)的反光部件之距離就會不相等，從而兩 光纖檢測端中接收光纖的輸出光信號強(qiáng)度不等，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號處理計算后的輸出值大 小即可反映兩個活塞缸內(nèi)流體的壓力差大?。?br>[0008] 彈簧的一端固定于所對應(yīng)的活塞上，另一端固定于所對應(yīng)的端蓋上，且沒有流體 進(jìn)入時，彈簧保持自然狀態(tài)；
[0009] 端蓋上還開設(shè)有貫通端蓋的壓力補(bǔ)償孔；
[0010] 兩個活塞缸以及兩個活塞缸內(nèi)的活塞和彈簧的結(jié)構(gòu)及規(guī)格均相同，兩個活塞缸內(nèi) 的光纖檢測端到所對應(yīng)的反光部件的初始距離也相同，且光纖檢測端與其所對應(yīng)的反光部 件相垂直，流體通路上均設(shè)置有過濾網(wǎng)；
[0011]為保證光纖探頭的傳感效果，檢測更為精準(zhǔn)，兩個探頭安置孔均開設(shè)在所在端蓋 的正中心位置，每個活塞缸內(nèi)的探頭安置孔、活塞及彈簧均同軸設(shè)置，反光部件為反光鏡或 反光片，活塞與活塞缸的內(nèi)壁之間設(shè)置有活塞密封圈，以防止活塞兩側(cè)的流體互相滲入；
[0012] 光纖檢測端與反光部件之間還設(shè)置有透光片，透光片為玻璃片，透光片均設(shè)置于 探頭安置孔位于端蓋內(nèi)側(cè)的端口處，且探頭安置孔的端口處通過透光片封閉設(shè)置。
[0013] 作為優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，所述光纖檢測端通過螺紋旋緊固定于探頭安置孔內(nèi)，以保證光 纖探頭定位的牢固和精確；
[0014] 利用上述傳感器檢測流體流量的方法，包括：
[0015] 若檢測箱內(nèi)無被測流體流動，則兩個活塞缸中活塞的受力情況是相同的，兩個活 塞的滑動距離相同或不滑動，光纖檢測端檢測到兩個活塞缸內(nèi)壓差為零;若檢測箱內(nèi)有被 測流體流動，啟動氣源吹氣形成氣流，則被測流體與氣流在檢測箱內(nèi)發(fā)生相互作用，使得被 測流體和氣流的初始動量發(fā)生改變，流體在檢測箱內(nèi)發(fā)生偏移，以致進(jìn)入兩個活塞缸的混 合流體之間具有壓強(qiáng)差，兩個活塞缸內(nèi)活塞滑動距離不同，通過光纖檢測端檢測，并經(jīng)光電 轉(zhuǎn)換及信號處理計算后，由輸出值大小即可反映兩個活塞缸內(nèi)流體的壓力差值，再建立動 量壓差數(shù)學(xué)模型，推算得出流體動量；
[0016] 所述動量壓差數(shù)學(xué)模型如下:分析傳動量與壓差之間的關(guān)系，設(shè)氣流的速度為Vs， 被測流體的速度為V，其中1是由氣源發(fā)射出來的氣流速度，為已知量，活塞兩端壓強(qiáng)差與 兩個流體的動量隊/M有關(guān)，其中Μ為被測流體動量，M s為氣流動量，分別與F?與V2成正比。
[0021] 其中，1^為已知量，從而在已知ΔΡ后即可求得V的值，在試驗中，我們?nèi)s等于5m/ s，取匕=2，V變化由lm/s到2m/s，其曲線如圖5所述。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要優(yōu)點(diǎn)如下：經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論研究與實驗分析可 知，該傳感器具有較小的結(jié)構(gòu)、較高的精確度與可靠性、較好的適應(yīng)性與互換性等，該傳感 器能適用于眾多流體流量檢測場合，將光電傳感原理應(yīng)用于流量檢測領(lǐng)域，輸出信號經(jīng)光 電轉(zhuǎn)換及信號處理計算后輸出值將成倍變化，從而提高了檢測靈敏度，具有十分重要的實 際應(yīng)用價值，對新型流量傳感器的設(shè)計與推廣起到了極大的推動作用。
[0023]同時，該差壓傳感器采用活塞式結(jié)構(gòu)作為壓力探測器件，在兩側(cè)流體具有壓力差 時，活塞是平移運(yùn)動，僅需根據(jù)活塞的平移量即可計算出流體壓力差，對于光纖傳感的要求 更低，計算和測量更為簡單，且活塞結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，不易受外界干擾，不易損壞，使用壽命更 為長久，使得傳感器的可靠性、適應(yīng)性及互換性都有了較大進(jìn)步，適宜用作流體流量的測 量;傳感器的強(qiáng)度補(bǔ)償原理更為簡單，實用性更強(qiáng)。
【附圖說明】
[0024]圖1是該傳感器的系統(tǒng)原理圖；
[0025] 圖2是該傳感器探頭結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0026] 圖3時圖2中單個活塞缸及其附屬結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0027]圖4是檢測原理圖；
[0028] 圖5是流體動量與活塞兩邊壓強(qiáng)差的關(guān)系。
【具體實施方式】
[0029] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將參照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一 步地詳細(xì)描述，
[0030] 實施例：
[0031] 參照圖1至圖5,本實施例提供一種雙探頭差壓流量傳感器，包括傳感器探頭1、光 電轉(zhuǎn)換器2和信號處理器3，傳感器探頭1包括檢測箱12和兩個活塞缸11，活塞缸11的一端設(shè) 置有端蓋13,每個活塞缸11的另一端通過流體通路14分別與檢測箱12相連通，活塞缸11內(nèi) 滑動設(shè)置有活塞15,活塞15與端蓋13之間沿活塞15的滑動方向還設(shè)置有彈簧16,端蓋13上 開設(shè)有探頭安置孔17,探頭安置孔17內(nèi)設(shè)置有光纖檢測端19,光纖檢測端19的光纖束由入 射光纖和出射光纖191集合銷裝而成，探頭安置孔17與活塞15的端面相垂直，活塞15正對探 頭安置孔17的一側(cè)上固定有反光部件18,兩個活塞缸11中光纖檢測端19的出射光纖191分 別與一個光電轉(zhuǎn)換器2相連，兩個光電轉(zhuǎn)換器2又分別與信號處理器3相連；
[0032] 彈簧16的一端固定于所對應(yīng)的活塞15上，另一端固定于所對應(yīng)的端蓋13上，且沒 有流體進(jìn)入時，彈簧16保持自然狀態(tài);兩個活塞缸11以及兩個活塞缸11內(nèi)的活塞15和彈簧 16的結(jié)構(gòu)及規(guī)格均相同，兩個活塞缸11內(nèi)的光纖檢測端19到所對應(yīng)的反光部件18的初始距 離也相同，且光纖檢測端19與其所對應(yīng)的反光部件18相垂直，流體通路123上均設(shè)置有過濾 網(wǎng)125,兩個探頭安置孔17均開設(shè)在所在端蓋13的正中心位置，每個活塞缸11內(nèi)的探頭安置 孔17、活塞15及彈簧16均同軸設(shè)置，反光部件18為反光鏡或反光片，活塞15與活塞缸11的內(nèi) 壁之間設(shè)置有活塞密封圈151;端蓋13上還開設(shè)有貫通端蓋13的壓力補(bǔ)償孔131，光纖檢測 端19與反光部件18之間還設(shè)置有透光片132,透光片132為玻璃片，透光片132均設(shè)置于探頭 安置孔17位于端蓋13內(nèi)側(cè)的端口處，且探頭安置孔17的端口處通過透光片132封閉設(shè)置。 [0033]檢測箱12上具有流體入口 121和流體出口 122以使流體流經(jīng)檢測箱12的內(nèi)部，還包 括氣源124,氣源124的供氣方向指向兩個流體通路14的中間位置，且流體通路14和氣源124 分別設(shè)置于流體在檢測箱12內(nèi)部流通路徑的相對兩側(cè)，氣源124的噴氣方向與檢測箱12內(nèi) 流體的流通方向相垂直。
[0034] 每個光纖檢測端19還分別對應(yīng)設(shè)置有光源4、Y型耦合器5和光纖6,光源4設(shè)置于光 纖6的一端用于產(chǎn)生光纖信號，光纖6的另一端經(jīng)Υ型耦合器5后分為檢測光纖61和參考光纖 62,檢測光纖61接入所對應(yīng)的光纖檢測端19,并作為光纖檢測端19的入射光纖，參考光纖62 則單獨(dú)連接至一個光電轉(zhuǎn)換器2,且光電轉(zhuǎn)換器2均與信號處理器3相連。
[0035] 利用上述傳感器檢測流體流量的方法，包括：
[0036] 若檢測箱12內(nèi)無被測流體流動，則兩個活塞缸11中活塞15的受力情況是相同的， 兩個活塞15的滑動距離相同或不滑動，光纖檢測端19檢測到兩個活塞缸11內(nèi)壓差為零;若 檢測箱12內(nèi)有被測流體流動，啟動氣源124吹氣形成氣流，則被測流體與氣流在檢測箱12內(nèi) 發(fā)生相互作用，使得被測流體和氣流的初始動量發(fā)生改變，流體在檢測箱12內(nèi)發(fā)生偏移，以 致進(jìn)入兩個活塞缸11的混合流體之間具有壓強(qiáng)差，兩個活塞缸11內(nèi)活塞15滑動距離不同， 通過光纖檢測端19檢測，并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號處理計算后，由輸出值大小即可反映兩個活 塞缸11內(nèi)流體的壓力差值，再建立動量壓差數(shù)學(xué)模型，推算得出流體動量。
【主權(quán)項】
1. 一種雙探頭差壓流量傳感器，其特征在于:包括傳感器探頭（1)、光電轉(zhuǎn)換器(2)和信 號處理器(3)，傳感器探頭（1)包括檢測箱（12)和兩個活塞缸（11)，活塞缸（11)的一端設(shè)置 有端蓋（13)，每個活塞缸（11)的另一端通過流體通路（14)分別與檢測箱（12)相連通，活塞 缸（11)內(nèi)滑動設(shè)置有活塞（15)，活塞（15)與端蓋（13)之間沿活塞（15)的滑動方向還設(shè)置有 彈簧(16)，端蓋(13)上開設(shè)有探頭安置孔(17)，探頭安置孔(17)內(nèi)設(shè)置有光纖檢測端（19)， 探頭安置孔（17)與活塞（15)的端面相垂直，活塞（15)正對探頭安置孔（17)的一側(cè)上固定有 反光部件（18)，兩個活塞缸（11)中光纖檢測端（19)的出射光纖（191)分別與一個光電轉(zhuǎn)換 器(2)相連，兩個光電轉(zhuǎn)換器(2)又分別與信號處理器(3)相連； 檢測箱（12)上具有流體入口（121)和流體出口（ 122)以使流體流經(jīng)檢測箱（12)的內(nèi)部， 還包括氣源（124)，氣源（124)的供氣方向指向兩個流體通路（14)的中間位置，且流體通路 (14)和氣源(124)分別設(shè)置于流體在檢測箱(12)內(nèi)部流通路徑的相對兩側(cè)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙探頭差壓流量傳感器，其特征在于:每個光纖檢測端（19) 還分別對應(yīng)設(shè)置有光源(4)、Y型耦合器(5)和光纖(6)，光源(4)設(shè)置于光纖(6)的一端用于 產(chǎn)生光纖信號，光纖(6)的另一端經(jīng)Υ型耦合器(5)后分為檢測光纖(61)和參考光纖(62)，檢 測光纖(61)接入所對應(yīng)的光纖檢測端（19)，并作為光纖檢測端（19)的入射光纖，參考光纖 (62)則單獨(dú)連接至一個光電轉(zhuǎn)換器(2)，且光電轉(zhuǎn)換器(2)均與信號處理器(3)相連。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙探頭差壓流量傳感器，其特征在于:彈簧（16)的一端固定 于所對應(yīng)的活塞（15)上，另一端固定于所對應(yīng)的端蓋(13)上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙探頭差壓流量傳感器，其特征在于:兩個活塞缸（11)以及 兩個活塞缸(11)內(nèi)的活塞（15)和彈簧(16)的結(jié)構(gòu)及規(guī)格均相同，兩個活塞缸（11)內(nèi)的光纖 檢測端（19)到所對應(yīng)的反光部件（18)的初始距離也相同，且光纖檢測端（19)與其所對應(yīng)的 反光部件（18)相垂直，流體通路（123)上均設(shè)置有過濾網(wǎng)（125)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙探頭差壓流量傳感器，其特征在于:兩個探頭安置孔（17) 均開設(shè)在所在端蓋（13)的正中心位置，每個活塞缸（11)內(nèi)的探頭安置孔（17)、活塞（15)及 彈簧（16)均同軸設(shè)置，反光部件（18)為反光鏡或反光片，活塞（15)與活塞缸（11)的內(nèi)壁之 間設(shè)置有活塞密封圈（151)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙探頭差壓流量傳感器，其特征在于:端蓋（13)上還開設(shè)有 貫通端蓋(13)的壓力補(bǔ)償孔(131)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙探頭差壓流量傳感器，其特征在于:光纖檢測端（19)與反 光部件（18)之間還設(shè)置有透光片（132)，透光片（132)為玻璃片，透光片（132)均設(shè)置于探頭 安置孔（17)位于端蓋（13)內(nèi)側(cè)的端口處，且探頭安置孔（17)的端口處通過透光片（132)封 閉設(shè)置。8. 利用權(quán)利要求2所述傳感器檢測流體流量的方法，其特征在于，方法如下： 若檢測箱（12)內(nèi)無被測流體流動，則兩個活塞缸（11)中活塞（15)的受力情況是相同 的，兩個活塞（15)的滑動距離相同或不滑動，光纖檢測端（19)檢測到兩個活塞缸（11)內(nèi)壓 差為零;若檢測箱（12)內(nèi)有被測流體流動，啟動氣源（124)吹氣形成氣流，則被測流體與氣 流在檢測箱（12)內(nèi)發(fā)生相互作用，使得被測流體和氣流的初始動量發(fā)生改變，流體在檢測 箱（12)內(nèi)發(fā)生偏移，以致進(jìn)入兩個活塞缸（11)的混合流體之間具有壓強(qiáng)差，通過光纖檢測 端（19)檢測，并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號處理計算后，由輸出值大小即可反映兩個活塞缸（11)內(nèi) 流體的壓力差值，再建立動量壓差數(shù)學(xué)模型，推算得出流體動量。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述檢測流體流量的方法，其特征在于：所述動量壓差數(shù)學(xué)模型如 下:分析傳動量與壓差之間的關(guān)系，設(shè)氣流的速度為Vs，被測流體的速度為V，其中Vs是由氣 源（124)發(fā)射出來的氣流速度，為已知量，活塞兩端壓強(qiáng)差與兩個流體的動量Ms/M有關(guān)，其 中Μ為被測流體動量，M s為氣流動量，分別與g與V2成正比； M=kV2； = ，k為常數(shù)；其中，kA已知量，從而在已知Δ P后即可求得V的值。
【文檔編號】G01F1/34GK105865545SQ201610367634
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】胡浩, 鐘麗瓊
【申請人】貴州大學(xué)