雙活塞對稱阻尼式流量傳感器及其檢測方法
【專利摘要】本發明提供一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器及其檢測方法，傳感器探頭包括活塞缸和檢測箱，活塞缸的兩端分別由端蓋封閉，活塞缸的中部設置有隔板，隔板兩側分別滑動設置有一活塞，活塞與端蓋之間設置有彈簧，端蓋上開設有探頭安置孔，探頭安置孔內設置有光纖檢測端，活塞上正對光纖檢測端處設置有反光部件，隔板與兩個活塞之間的兩個腔室分別通過一個流體通路與檢測箱相連通，流體通路和氣源分別設置于流體在檢測箱內部流通路徑的相對兩側。以解決現有流量傳感器多采用傳統的動力測量方式，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。本發明屬于流量檢測領域。
【專利說明】
雙活塞對稱阻尼式流量傳感器及其檢測方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種流量傳感器，屬于流量傳感監測技術領域。
【背景技術】
[0002] 現代工業生產尤其是自動化生產過程中，常常要用各種傳感器來監視和控制生產 過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，并使產品達到最好的質量。傳感器 也早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工 程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。本發明是眾多類別的傳感器之一一一流量傳感器。 隨著傳感器技術的發展，目前已經出現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。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于:提供一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器及其檢測方法，以解 決現有流量傳感器多采用傳統的動力測量方式，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] 本發明的方案如下：一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器，包括傳感器探頭、光電轉 換器和信號處理器，傳感器探頭包括活塞缸和設置于活塞缸一側的檢測箱，活塞缸的兩端 分別由端蓋封閉，活塞缸的中部位置設置有將活塞缸內部密封分隔為左右兩個腔室的隔 板，隔板兩側的活塞缸內分別滑動設置有一活塞，活塞與其所在一側的端蓋之間均設置有 彈簧，彈簧的一端固定于活塞上，另一端固定于端蓋上，所述兩端的端蓋上均開設有探頭安 置孔，每個探頭安置孔內均設置有光纖檢測端，活塞上正對光纖檢測端處設置有反光部件， 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，光纖檢測端的出射光纖與光電 轉換器相連，光電轉換器與信號處理器相連，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，從而判斷出進入活塞兩側的流體的壓差；
[0005] 檢測箱上具有流體入口和流體出口以使流體流經檢測箱的內部，活塞缸中隔板與 兩個活塞之間的兩個腔室分別通過一個流體通路與檢測箱相連通，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置于流體在檢測箱內部流 通路徑的相對兩側，如此設置，當檢測箱內的流體不流通時，流入隔板兩側腔室的流體壓力 應當相同，則兩個活塞的滑動距離相同，而當流體流動后，流入隔板兩側腔室的流體壓力是 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流體的流通方向相垂直。
[0007] 還包括有光源、Y型耦合器和光纖，光源設置于光纖的一端用于產生光纖信號，光 纖的另一端經Y型耦合器后分為檢測光纖和參考光纖，上述光源、Y型耦合器和光纖的組合 共有兩組，兩組上述組合中的檢測光纖一一對應地接入傳感器探頭兩端的光纖檢測端，并 作為光纖檢測端的入射光纖，兩組上述組合中的參考光纖分別單獨連接有一個光電轉換 器，且光電轉換器均與信號處理器相連。光源發出的光信號耦合進入到光纖內，再通過Y型 耦合器分為兩路，一路經檢測光纖到達光纖檢測端，照射到反光部件上，經反射后的反射光 進入接收光纖，由接收光纖傳輸到光電轉換器進行光電轉換，再將信號輸入信號處理器進 行信號處理;另一路經參考光纖直接傳輸到光電轉換器進行光電轉換后也輸入到信號處理 器進行信號處理，當活塞左右兩側檢測腔內的流體存在壓力差時，此時兩側阻尼彈簧被壓 縮的長度不同，活塞產生的軸向位移也不同。因此，傳感器兩側光纖檢測端與反光部件之距 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度不等，經光電轉換及信號 處理計算后的輸出值大小即可反映兩側檢測腔內流體的壓力差大小；
[0008] 傳感器探頭中，隔板與活塞缸為一體式結構或隔板密封固定于活塞缸內；
[0009] 活塞缸內位于隔板兩側的腔室、兩個活塞、兩個彈簧以及隔板兩側的兩個流體通 路均相對于隔板對稱設置，流體通路上均設置有過濾網。
[0010] 為保證光纖探頭的傳感效果，檢測更為精準，兩個探頭安置孔均開設在所在端蓋 的正中心位置，兩個探頭安置孔、兩個活塞及彈簧均同軸設置，兩個活塞及兩個彈簧的規格 及性能完全相同，反光部件與光纖檢測端垂直設置，反光部件為反光鏡或反光片，自然狀態 下，其中一個光纖檢測端到該光纖檢測端所對應的反光部件的距離與另一個光纖檢測端到 該另一個光纖檢測端的距離相同，活塞與活塞缸的內壁之間設置有活塞密封圈，以防止活 塞兩側的流體互相滲入；
[0011] 光纖檢測端與反光部件之間還設置有透光片，透光片為玻璃片，透光片均設置于 兩個探頭安置孔位于兩個端蓋內側的端口處，且探頭安置孔的端口處通過透光片封閉設 置。
[0012] 作為優選的結構，所述光纖檢測端通過螺紋旋緊固定于探頭安置孔內，以保證光 纖探頭定位的牢固和精確；
[0013] 利用上述傳感器檢測流體流量的方法，包括：
[0014] 若檢測箱內無被測流體流動，則活塞缸中兩個活塞與隔板之間所形成的兩個腔室 內的流體壓力是相同的，兩個活塞的滑動距離相同，光纖檢測端檢測到兩腔室壓差為零;若 檢測箱內有被測流體流動，啟動氣源吹氣形成氣流，則被測流體與氣流在檢測箱內發生相 互作用，使得被測流體和氣流的初始動量發生改變，流體在檢測箱內發生偏移，以致進入活 塞缸的混合流體在隔板的兩側形成壓強差，高壓一側活塞的滑移距離大，因此，高壓一側的 光纖檢測端與反光部件之距離較小，從而，經光電轉換及信號處理計算后的輸出值大小即 可反映兩側檢測腔內流體的壓力差大小，再建立動量壓差數學模型，推算得出流體動量； [0015]所述動量壓差數學模型如下:分析傳動量與壓差之間的關系，設氣流的速度為Vs， 被測流體的速度為V，其中1是由氣源發射出來的氣流速度，為已知量，活塞兩端壓強差與 兩個流體的動量隊/M有關，其中Μ為被測流體動量，M s為氣流動量，分別與朽與V2成正比。
[0020] 其中，1^為已知量，從而在已知Δ P后即可求得V的值，在試驗中，我們取Vs等于5m/ s，取匕=2，V變化由lm/s到2m/s，其曲線如圖4所述。
[0021 ]氣源的噴氣方向與檢測箱內流體的流通方向相垂直。
[0022]本發明與現有技術相比，主要優點如下：經過結構設計、理論研究與實驗分析可 知，該傳感器具有較小的結構、較高的精確度與可靠性、較好的適應性與互換性等，該傳感 器能適用于眾多流體流量檢測場合，將光電傳感原理應用于流量檢測領域，輸出信號經光 電轉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 際應用價值，對新型流量傳感器的設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構作為壓力探測器件，在兩側流體具有壓力差 時，活塞是平移運動，僅需根據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，且活塞結構更加穩定，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、適應性及互換性都有了較大進步，適宜用作流體流量的測 量;傳感器的強度補償原理更為簡單，實用性更強。
【附圖說明】
[0024]圖1是該傳感器的系統原理圖；
[0025] 圖2是該傳感器探頭結構的剖視圖；
[0026] 圖3是檢測原理圖；
[0027] 圖4是流體動量與活塞兩邊壓強差的關系。
【具體實施方式】
[0028] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將參照附圖對本發明作進一 步地詳細描述，
[0029] 實施例：
[0030] 參照圖1至圖4,本實施例提供一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器，包括傳感器探 頭1、光電轉換器2和信號處理器3,傳感器探頭1包括活塞缸11和設置于活塞缸11 一側的檢 測箱12,活塞缸11的兩端分別由端蓋13封閉，活塞缸11的中部位置設置有將活塞缸11內部 密封分隔為左右兩個腔室的隔板14,隔板14與活塞缸11為一體式結構，隔板14兩側的活塞 缸11內分別滑動設置有一活塞15,活塞15與其所在一側的端蓋13之間均設置有彈簧16,彈 簧16的一端固定于活塞15上，另一端固定于端蓋13上，所述兩端的端蓋13上均開設有探頭 安置孔17,每個探頭安置孔17內均設置有光纖檢測端19,活塞15上正對光纖檢測端19處設 置有反光部件18,光纖檢測端19與反光部件18之間還設置有透光片131，透光片131為玻璃 片，透光片131均設置于兩個探頭安置孔17位于兩個端蓋13內側的端口處，且探頭安置孔17 的端口處通過透光片131封閉設置，光纖檢測端19的光纖束由入射光纖和出射光纖191集合 鎧裝而成，光纖檢測端19的出射光纖191與光電轉換器2相連，光電轉換器2與信號處理器3 相連，活塞缸11內位于隔板14兩側的腔室、兩個活塞15、兩個彈簧16以及隔板14兩側的兩個 流體通路123均相對于隔板14對稱設置，流體通路123上均設置有過濾網125,兩個探頭安置 孔17均開設在所在端蓋13的正中心位置，兩個探頭安置孔17、兩個活塞15及彈簧16均同軸 設置，兩個活塞15及兩個彈簧16的規格及性能完全相同，反光部件18與光纖檢測端19垂直 設置，反光部件18為反光鏡或反光片，自然狀態下，其中一個光纖檢測端19到該光纖檢測端 19所對應的反光部件18的距離與另一個光纖檢測端19到該另一個光纖檢測端19的距離相 同，活塞15與活塞缸11的內壁之間設置有活塞密封圈151。
[0031] 檢測箱12上具有流體入口 121和流體出口 122以使流體流經檢測箱12的內部，活塞 缸11中隔板14與兩個活塞15之間的兩個腔室分別通過一個流體通路123與檢測箱12相連 通，還包括氣源124,氣源124的供氣方向指向兩個流體通路123的中間位置，且流體通路123 和氣源124分別設置于流體在檢測箱12內部流通路徑的相對兩側，氣源124的噴氣方向與檢 測箱12內流體的流通方向相垂直；
[0032] 光源4設置于光纖6的一端用于產生光纖信號，光纖6的另一端經Y型耦合器5后分 為檢測光纖61和參考光纖62，上述光源4、Y型耦合器5和光纖6的組合共有兩組，兩組上述組 合中的檢測光纖61 對應地接入傳感器探頭1兩端的光纖檢測端19,并作為光纖檢測端 19的入射光纖，兩組上述組合中的參考光纖62分別單獨連接有一個光電轉換器2,且光電轉 換器2均與信號處理器3相連。
[0033] 利用上述傳感器檢測流體流量的方法，包括：
[0034] 若檢測箱12內無被測流體流動，則活塞缸11中兩個活塞15與隔板14之間所形成的 兩個腔室內的流體壓力是相同的，兩個活塞15的滑動距離相同，光纖檢測端19檢測到兩腔 室壓差為零;若檢測箱12內有被測流體流動，啟動氣源124吹氣形成氣流，則被測流體與氣 流在檢測箱12內發生相互作用，使得被測流體和氣流的初始動量發生改變，流體在檢測箱 12內發生偏移，以致進入活塞缸11的混合流體在隔板14的兩側形成壓強差，高壓一側活塞 15的滑移距離大，因此，高壓一側的光纖檢測端19與反光部件18之距離較小，從而，經光電 轉換及信號處理計算后的輸出值大小即可反映兩側檢測腔內流體的壓力差大小，再建立動 量壓差數學模型，推算得出流體動量。
【主權項】
1. 一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器，其特征在于:包括傳感器探頭（1)、光電轉換器 (2)和信號處理器(3)，傳感器探頭（1)包括活塞缸（11)和設置于活塞缸（11) 一側的檢測箱 (12)，活塞缸（11)的兩端分別由端蓋（13)封閉，活塞缸（11)的中部位置設置有將活塞缸 (11)內部密封分隔為左右兩個腔室的隔板(14)，隔板(14)兩側的活塞缸(11)內分別滑動設 置有一活塞（15)，活塞（15)與其所在一側的端蓋（13)之間均設置有彈簧（16)，彈簧（16)的 一端固定于活塞（15)上，另一端固定于端蓋（13)上，所述兩端的端蓋13上均開設有探頭安 置孔（17)，每個探頭安置孔（17)內均設置有光纖檢測端（19)，活塞（15)上正對光纖檢測端 (19)處設置有反光部件（18)，光纖檢測端（19)的光纖束由入射光纖和出射光纖（191)集合 鎧裝而成，光纖檢測端（19)的出射光纖（191)與光電轉換器(2)相連，光電轉換器(2)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)以使流體流經檢測箱（12)的內部， 活塞缸(11)中隔板(14)與兩個活塞（15)之間的兩個腔室分別通過一個流體通路(123)與檢 測箱（12)相連通，還包括氣源（124)，氣源（124)的供氣方向指向兩個流體通路（123)的中間 位置，且流體通路（123)和氣源（124)分別設置于流體在檢測箱（12)內部流通路徑的相對兩 側。2. 根據權利要求1所述一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器，其特征在于:氣源（124)的 噴氣方向與檢測箱(12)內流體的流通方向相垂直。3. 根據權利要求1或2所述一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器，其特征在于:還包括有 光源(4)、Y型耦合器(5)和光纖(6)，光源(4)設置于光纖(6)的一端用于產生光纖信號，光纖 (6)的另一端經Υ型耦合器(5)后分為檢測光纖(61)和參考光纖(62)，上述光源(4)、Υ型耦合 器(5)和光纖(6)的組合共有兩組，兩組上述組合中的檢測光纖(61)-一對應地接入傳感器 探頭（1)兩端的光纖檢測端（19)，并作為光纖檢測端（19)的入射光纖，兩組上述組合中的參 考光纖(62)分別單獨連接有一個光電轉換器(2)，且光電轉換器(2)均與信號處理器(3)相 連。4. 根據權利要求1所述一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器，其特征在于：傳感器探頭 (1)中，隔板(14)與活塞缸(11)為一體式結構或隔板(14)密封固定于活塞缸(11)內。5. 根據權利要求1所述一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器，其特征在于:活塞缸（11)內 位于隔板（14)兩側的腔室、兩個活塞（15)、兩個彈簧（16)以及隔板（14)兩側的兩個流體通 路（123)均相對于隔板(14)對稱設置，流體通路123上均設置有過濾網（125)。6. 根據權利要求1所述一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器，其特征在于:兩個探頭安置 孔（17)均開設在所在端蓋（13)的正中心位置，兩個探頭安置孔（17)、兩個活塞（15)及彈簧 (16)均同軸設置，兩個活塞（15)及兩個彈簧（16)的規格及性能完全相同，反光部件（18)與 光纖檢測端（19)垂直設置，反光部件（18)為反光鏡或反光片，自然狀態下，其中一個光纖檢 測端（19)到該光纖檢測端（19)所對應的反光部件（18)的距離與另一個光纖檢測端（19)到 該另一個光纖檢測端（19)的距離相同，活塞（15)與活塞缸（11)的內壁之間設置有活塞密封 圈（151) 〇7. 根據權利要求1所述一種雙活塞對稱阻尼式流量傳感器，其特征在于：光纖檢測端 (19)與反光部件18之間還設置有透光片（131)，透光片（131)為玻璃片，透光片（131)均設置 于兩個探頭安置孔(17)位于兩個端蓋（13)內側的端口處，且探頭安置孔(17)的端口處通過 透光片（131)封閉設置。8. 利用權利要求3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)內無被測流體流動，則活塞缸（11)中兩個活塞（15)與隔板（14)之間所形 成的兩個腔室內的流體壓力是相同的，兩個活塞（15)的滑動距離相同，光纖檢測端（19)檢 測到兩腔室壓差為零;若檢測箱（12)內有被測流體流動，啟動氣源（124)吹氣形成氣流，則 被測流體與氣流在檢測箱（12)內發生相互作用，使得被測流體和氣流的初始動量發生改 變，流體在檢測箱（12)內發生偏移，以致進入活塞缸（11)的混合流體在隔板（14)的兩側形 成壓強差，高壓一側活塞（15)的滑移距離大，因此，高壓一側的光纖檢測端（19)與反光部件 (18)之距離較小，從而，經光電轉換及信號處理計算后的輸出值大小即可反映兩側檢測腔 內流體的壓力差大小，再建立動量壓差數學模型，推算得出流體動量。9. 根據權利要求8所述檢測流體流量的方法，其特征在于：所述動量壓差數學模型如 下:分析傳動量與壓差之間的關系，設氣流的速度為V s，被測流體的速度為V，其中Vs是由氣 源（124)發射出來的氣流速度，為已知量，活塞兩端壓強差與兩個流體的動量Ms/M有關，其 中Μ為被測流體動量，M s為氣流動量，分別與F__i與V2成正比； M=kV2； 為常數；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】G01F1/34GK105865544SQ201610367052
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】胡浩, 鐘麗瓊
【申請人】貴州大學