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雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)的研究應(yīng)用 傳感器技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間：2020-07-30    來(lái)源：儀多多儀器網(wǎng)    作者：儀多多商城     
1引言

渦輪流量計(jì)在工業(yè)上已有五十多年的歷史，它是通過(guò)內(nèi)磁式傳感器檢測(cè)渦輪的轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量，是一種用途廣泛的流量測(cè)量儀表［3］。隨著光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展，本文將反射型光纖傳感器與傳統(tǒng)的渦輪流量測(cè)量原理相結(jié)合，試制了具有雙光纖傳感器的渦輪流量計(jì)，與傳統(tǒng)的內(nèi)磁式渦輪流量計(jì)相比，設(shè)計(jì)上使流量計(jì)具備了正反流量測(cè)量的性能；在檢測(cè)原理上，光纖傳感器克服了內(nèi)磁式傳感器磁性引力帶來(lái)的影響；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有效地?cái)U(kuò)大了渦輪流量計(jì)的量程比。

2雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)一對(duì)反射型光纖傳感器及光電轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)，并對(duì)渦輪葉片進(jìn)行改進(jìn)使其葉片端面適宜反射光線(圖1)。


圖1光纖渦輪流量計(jì)示意圖

反射型光纖傳感器應(yīng)用多模玻璃光纖，單根芯纖直徑200μm，數(shù)值孔徑為0.3，由兩根光纖組成，包括光發(fā)射纖和光接受纖，檢測(cè)端固化在一鋁合金護(hù)套內(nèi)可替代內(nèi)磁式傳感器安裝在渦輪流量計(jì)上［1］［5］。為了提高反射型光纖傳感器的信噪比，保證接受反射信號(hào)的分辨率，光電轉(zhuǎn)換器中的光源發(fā)射電路設(shè)計(jì)為10～12kHz的調(diào)制光輸出，通過(guò)發(fā)射纖經(jīng)渦輪葉片反射從接受纖接受調(diào)制光的反射信號(hào)，經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)換為流量脈沖信號(hào)，信號(hào)響應(yīng)時(shí)間小于0.2ms，檢測(cè)距離1mm。

3雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)雙向流量測(cè)量原理

傳統(tǒng)的內(nèi)磁式傳感器受其結(jié)構(gòu)限制對(duì)渦輪流量計(jì)只能檢測(cè)葉片的轉(zhuǎn)速，由于反射型光纖傳感器體積細(xì)小，因而將兩個(gè)反射型光纖傳感器并列裝配在渦輪流量計(jì)上，這樣兩個(gè)傳感器可檢測(cè)同一渦輪葉片不同位置的反射信號(hào)，而兩個(gè)傳感器信號(hào)互不干擾(圖2、3)。


圖2雙向流量測(cè)量原理圖圖3光纖傳感器輸出信號(hào)示意圖

光纖傳感器輸出的流量信號(hào)為：

f10＝f10
f20＝f10+Φ
Q＝(f10或f20)/K

式中f10——1號(hào)光纖傳感器輸出信號(hào)
Φ——f20與f10的相位差
f20——2號(hào)光纖傳感器輸出信號(hào)
K——流量系數(shù)

傳感器輸出的f10信號(hào)和f20信號(hào)經(jīng)信號(hào)相位鑒別電路［1］后可輸出流量計(jì)正向流動(dòng)計(jì)量信號(hào)f1和反向流動(dòng)計(jì)量信號(hào)f2，同時(shí)也可輸出流量脈沖信號(hào)f和流向狀態(tài)信號(hào)D。

對(duì)于正向流動(dòng)：D＝1，0＜Φ＜90°，對(duì)于反向流動(dòng)：D＝0，Φ＞90°。

4反射型光纖傳感器及流量計(jì)的測(cè)試

4.1反射型光纖傳感器響應(yīng)

應(yīng)用直流電機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速計(jì)對(duì)反射型光纖傳感器和內(nèi)磁式傳感器測(cè)試結(jié)果表明：反射型光纖傳感器信號(hào)特性：1Hz～6kHz；內(nèi)磁式傳感器信號(hào)特性：30Hz～1.2kHz，在低轉(zhuǎn)速區(qū)有明顯的漏脈沖(圖4)。


(a)


(b)
圖4兩種傳感器的響應(yīng)特性

4.2雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)雙向流量測(cè)量

當(dāng)流量計(jì)正向安裝時(shí)，光電轉(zhuǎn)換電路輸出：

Q10＝f10/K;Q20＝0；Q0＝f10/K;D＝1。

當(dāng)流量計(jì)反向安裝時(shí)，光電轉(zhuǎn)換電路輸出：

Q10＝0；Q20＝f20/K;Q0＝f20/K;D＝0。

4.3雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)流量測(cè)量量程比［2］［4］

應(yīng)用反射型光纖傳感器和內(nèi)磁式傳感器分別組合同一口徑為50mm的渦輪流量計(jì)，應(yīng)用壓縮空氣測(cè)試流量信號(hào)輸出特性表明：

反射型光纖傳感器輸出信號(hào)范圍：2～6.4Hz，換算流量量程可達(dá)0.3～120m3/h，在不考慮渦輪粘度產(chǎn)生的阻力矩情況下，量程比達(dá)1∶400。

內(nèi)磁式傳感器有效信號(hào)范圍：41Hz～1.1kHz，換算流量量程可達(dá)1.1～60m3/h，在不考慮渦輪粘度產(chǎn)生的阻力矩情況下，量程比：1∶60。


圖5流動(dòng)方向檢測(cè)電路示意圖

5結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)可雙向流量測(cè)量，兩個(gè)流量信號(hào)經(jīng)鑒別電路實(shí)現(xiàn)了雙向流動(dòng)的檢測(cè)。

對(duì)于單向流量測(cè)量，也可通過(guò)流量計(jì)算機(jī)的算法消除因水擊產(chǎn)生的脈動(dòng)流造成渦輪往復(fù)震動(dòng)而引起的計(jì)量誤差，如下式：

Q＝(∑f1(D＝1)-∑f2(D＝0))/K

試驗(yàn)證明雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)可接受頻率為1Hz～6kHz的渦輪信號(hào)，量程比為1∶400，全量程誤差為±1個(gè)脈沖；而內(nèi)磁式傳感器渦輪流量計(jì)量程比為1∶60。這主要是由于光纖傳感器不存在內(nèi)磁式傳感器在低流速時(shí)與渦輪葉片產(chǎn)生磁阻而引起的誤差，也克服了內(nèi)磁式傳感器在高流量區(qū)信號(hào)產(chǎn)生飽和的問(wèn)題。光纖傳感器的調(diào)制光參數(shù)還可以隨總體設(shè)計(jì)的要求變化，應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，為渦輪的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了方便條件。

由于光纖傳感器具有本質(zhì)防爆、無(wú)電氣信號(hào)直接與流量計(jì)接觸的特點(diǎn)，因而適宜煤氣、輕質(zhì)油料等透明介質(zhì)的流量測(cè)量。

WERTH為2017年Control展隆重推出研發(fā)的傳感器系列：線色譜傳感器（Chromatic Focus Line Sensor, CFL）。其可以快速采集整個(gè)零件的幾何形狀。通過(guò)選用不同的物鏡，調(diào)節(jié)測(cè)量誤差和測(cè)量范圍來(lái)適應(yīng)各種應(yīng)用需求。通過(guò)大的軸向測(cè)量范圍，不需要針對(duì)零件幾何形狀的可控的補(bǔ)充。以便通過(guò)掃描，快速并大面積獲取零件幾何形狀。針對(duì)表面有明顯高度變化的零件可以采用3D仿樣進(jìn)行掃描。線色譜傳感器可以用于測(cè)量漫反射、鏡面和透明零件以及有較大傾斜角的零件表面。

 

CFL在零件表面投影一排約200個(gè)白色光點(diǎn)。從零件表面反射回的光線將通過(guò)光譜分析，確定傳感器和零件表面之間的距離。通過(guò)新的線傳感器*次實(shí)現(xiàn)了高速并且高精度地、完整地采集零件3D數(shù)據(jù)。僅僅用3秒鐘就能夠測(cè)量100萬(wàn)個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

 

線色譜傳感器還具有另一個(gè)有趣的功能：反射回的光的波長(zhǎng)強(qiáng)度被分析評(píng)估，并創(chuàng)建零件表面的柵格圖像。其后續(xù)的分析評(píng)估允許通過(guò)圖像處理軟件“在圖像內(nèi)”確定零件坐標(biāo)系或者測(cè)量幾何特征。在此基礎(chǔ)上，由于位置的確定，可以不需要傳感器轉(zhuǎn)換就使用各種其他傳感器進(jìn)行測(cè)量。

 

在快速的測(cè)量速度下，CFL的測(cè)量度允許測(cè)量精密零件和微特征。該傳感器不僅可以用于鏡面或者透明零件如沖壓印?；蛘哂操|(zhì)合金及金剛石刀具的測(cè)量，也可以用于漫反射的塑料零件的測(cè)量。通過(guò)高點(diǎn)密度來(lái)確定不同表面的形貌。例如微機(jī)械零件手表表盤(pán)。CFL的另一個(gè)典型應(yīng)用是在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，在生產(chǎn)工序中，對(duì)于LED陣列的共面的測(cè)量。作為測(cè)量結(jié)果，是以點(diǎn)云的形式體現(xiàn)零件表面的完整形狀，借此測(cè)量平面度或者粗糙度以及幾何元素。也可以用顏色編碼顯示出理論實(shí)際值偏差。

 

線色譜傳感器測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和CAD模型的顏色編碼偏差顯示

 

手表表盤(pán)的柵格圖像

光柵是由很多等節(jié)距的透光的縫隙或不透光的刻線均勻、相間排列而成的光電器件。

光柵式傳感器(optical grating transducer)指采用光柵疊柵條紋原理測(cè)量位移的傳感器。光柵是在一塊長(zhǎng)條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為 10~100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測(cè)量精度。傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成(見(jiàn)圖)。標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度移動(dòng)，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過(guò)放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)輸出，直接顯示被測(cè)的位移量。傳感器的光路形式有兩種:一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料(如工業(yè)用白玻璃、光學(xué)玻璃等)上;另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強(qiáng)反射的金屬(不銹鋼)或玻璃鍍金屬膜(鋁膜)上。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是量程大和精度高。光柵式傳感器應(yīng)用在程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)構(gòu)中，可測(cè)量靜、動(dòng)態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、變形測(cè)量等領(lǐng)域也有應(yīng)用。

光柵的分類(lèi)

光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

 

如有疑問(wèn)請(qǐng)咨詢(xún)：光柵傳感器




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