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双光纤传感器涡轮流量计的研究应用 传感器技术指标

时间:2020-07-30    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
1引言

涡轮流量计在工业上已有五十多年的历史,它是通过内磁式传感器检测涡轮的转速而实现流量测量,是一种用途广泛的流量测量仪表[3]。随着光纤传感器技术的发展,本文将反射型光纤传感器与传统的涡轮流量测量原理相结合,试制了具有双光纤传感器的涡轮流量计,与传统的内磁式涡轮流量计相比,设计上使流量计具备了正反流量测量的性能;在检测原理上,光纤传感器克服了内磁式传感器磁性引力带来的影响;实验结果表明有效地扩大了涡轮流量计的量程比。

2双光纤传感器涡轮流量计结构

设计一对反射型光纤传感器及光电转换电路检测涡轮叶片的旋转,并对涡轮叶片进行改进使其叶片端面适宜反射光线(图1)。


图1光纤涡轮流量计示意图

反射型光纤传感器应用多模玻璃光纤,单根芯纤直径200μm,数值孔径为0.3,由两根光纤组成,包括光发射纤和光接受纤,检测端固化在一铝合金护套内可替代内磁式传感器安装在涡轮流量计上[1][5]。为了提高反射型光纤传感器的信噪比,保证接受反射信号的分辨率,光电转换器中的光源发射电路设计为10~12kHz的调制光输出,通过发射纤经涡轮叶片反射从接受纤接受调制光的反射信号,经滤波后转换为流量脉冲信号,信号响应时间小于0.2ms,检测距离1mm。

3双光纤传感器涡轮流量计双向流量测量原理

传统的内磁式传感器受其结构限制对涡轮流量计只能检测叶片的转速,由于反射型光纤传感器体积细小,因而将两个反射型光纤传感器并列装配在涡轮流量计上,这样两个传感器可检测同一涡轮叶片不同位置的反射信号,而两个传感器信号互不干扰(图2、3)。


图2双向流量测量原理图图3光纤传感器输出信号示意图

光纤传感器输出的流量信号为:

f10=f10
f20=f10+Φ
Q=(f10或f20)/K

式中f10——1号光纤传感器输出信号
Φ——f20与f10的相位差
f20——2号光纤传感器输出信号
K——流量系数

传感器输出的f10信号和f20信号经信号相位鉴别电路[1]后可输出流量计正向流动计量信号f1和反向流动计量信号f2,同时也可输出流量脉冲信号f和流向状态信号D。

对于正向流动:D=1,0<Φ<90°,对于反向流动:D=0,Φ>90°。

4反射型光纤传感器及流量计的测试

4.1反射型光纤传感器响应

应用直流电机及标准转速计对反射型光纤传感器和内磁式传感器测试结果表明:反射型光纤传感器信号特性:1Hz~6kHz;内磁式传感器信号特性:30Hz~1.2kHz,在低转速区有明显的漏脉冲(图4)。


(a)


(b)
图4两种传感器的响应特性

4.2双光纤传感器涡轮流量计双向流量测量

当流量计正向安装时,光电转换电路输出:

Q10=f10/K;Q20=0;Q0=f10/K;D=1。

当流量计反向安装时,光电转换电路输出:

Q10=0;Q20=f20/K;Q0=f20/K;D=0。

4.3双光纤传感器涡轮流量计流量测量量程比[2][4]

应用反射型光纤传感器和内磁式传感器分别组合同一口径为50mm的涡轮流量计,应用压缩空气测试流量信号输出特性表明:

反射型光纤传感器输出信号范围:2~6.4Hz,换算流量量程可达0.3~120m3/h,在不考虑涡轮粘度产生的阻力矩情况下,量程比达1∶400。

内磁式传感器有效信号范围:41Hz~1.1kHz,换算流量量程可达1.1~60m3/h,在不考虑涡轮粘度产生的阻力矩情况下,量程比:1∶60。


图5流动方向检测电路示意图

5结束语

应用双光纤传感器涡轮流量计可双向流量测量,两个流量信号经鉴别电路实现了双向流动的检测。

对于单向流量测量,也可通过流量计算机的算法消除因水击产生的脉动流造成涡轮往复震动而引起的计量误差,如下式:

Q=(∑f1(D=1)-∑f2(D=0))/K

试验证明双光纤传感器涡轮流量计可接受频率为1Hz~6kHz的涡轮信号,量程比为1∶400,全量程误差为±1个脉冲;而内磁式传感器涡轮流量计量程比为1∶60。这主要是由于光纤传感器不存在内磁式传感器在低流速时与涡轮叶片产生磁阻而引起的误差,也克服了内磁式传感器在高流量区信号产生饱和的问题。光纤传感器的调制光参数还可以随总体设计的要求变化,应用于不同的场合,为涡轮的设计创造了方便条件。

由于光纤传感器具有本质防爆、无电气信号直接与流量计接触的特点,因而适宜煤气、轻质油料等透明介质的流量测量。

WERTH为2017Control展隆重推出研发的传感器系列:线色谱传感器(Chromatic Focus Line Sensor, CFL)。其可以快速采集整个零件的几何形状。通过选用不同的物镜,调节测量误差和测量范围来适应各种应用需求。通过大的轴向测量范围,不需要针对零件几何形状的可控的补充。以便通过扫描,快速并大面积获取零件几何形状。针对表面有明显高度变化的零件可以采用3D仿样进行扫描。线色谱传感器可以用于测量漫反射、镜面和透明零件以及有较大倾斜角的零件表面。

 

CFL在零件表面投影一排约200个白色光点。从零件表面反射回的光线将通过光谱分析,确定传感器和零件表面之间的距离。通过新的线传感器*次实现了高速并且高精度地、完整地采集零件3D数据。仅仅用3秒钟就能够测量100万个测量点。

 

线色谱传感器还具有另一个有趣的功能:反射回的光的波长强度被分析评估,并创建零件表面的栅格图像。其后续的分析评估允许通过图像处理软件在图像内确定零件坐标系或者测量几何特征。在此基础上,由于位置的确定,可以不需要传感器转换就使用各种其他传感器进行测量。

 

在快速的测量速度下,CFL的测量度允许测量精密零件和微特征。该传感器不仅可以用于镜面或者透明零件如冲压印模或者硬质合金及金刚石刀具的测量,也可以用于漫反射的塑料零件的测量。通过高点密度来确定不同表面的形貌。例如微机械零件手表表盘。CFL的另一个典型应用是在半导体技术领域,在生产工序中,对于LED阵列的共面的测量。作为测量结果,是以点云的形式体现零件表面的完整形状,借此测量平面度或者粗糙度以及几何元素。也可以用颜色编码显示出理论实际值偏差。

 

线色谱传感器测量的点云数据和CAD模型的颜色编码偏差显示

 

手表表盘的栅格图像

光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列而成的光电器件。

光栅式传感器(optical grating transducer)指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线,刻线密度为 10~100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应,因而能提高测量精度。传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成(见图)。标尺光栅相对于指示光栅移动时,便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动,并直接照射到光电元件上,在它们的输出端得到一串电脉冲,通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出,直接显示被测的位移量。传感器的光路形式有两种:一种是透射式光栅,它的栅线刻在透明材料(如工业用白玻璃、光学玻璃等)上;另一种是反射式光栅,它的栅线刻在具有强反射的金属(不锈钢)或玻璃镀金属膜(铝膜)上。这种传感器的优点是量程大和精度高。光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中,可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。

光栅的分类

光栅传感器的结构

 

如有疑问请咨询:光栅传感器




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