CN1240930A

CN1240930A - 涡流传感器

Info

Publication number: CN1240930A
Application number: CN 99108600
Authority: CN
Inventors: 约阿奇姆·茂尔; 弗兰克·奥勒
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2000-01-12

Abstract

一种用于测量流体流速和/或流量的传感器提供一种传感器***,该***不与流体接触,可在大于400℃的温度测量,且所占空间小于普通的传感器***。该传感器包括一个管(1),管(1)有一个壁(11),在壁(11)上沿第一管直径彼此相对的点处设有第一窗口(2)和第二窗口(3)。非流线体(4)沿第二管直径设置并固定在该管上。第二直径位于第一直径的上游并垂直于第一直径。激光差动干涉仪(6,6′)具有发射单元(61,61′)和接收单元(62,62′)。

Description

涡流传感器

本发明涉及一种涡流传感器，该涡流传感器用于测量在测量管中流动的流体流速和/或按容积计的流量。

普通的涡流传感器具有非流线体，该非流线体沿测量管的直径设置并固定在管壁上。

如众所周知的，这种涡流传感器工作时，在非流线体的下游形成卡曼涡道。其压力波动由敏感元件转换成电信号，该电信号频率与流速成正比，由此可计算出按容积计的流量。

一方面，目前使用的涡流敏感元件是伸入流体并直接承受压力波动的装置；这些装置，例如，是压力传感器、尤其是电容传感器，这些传感器安装在非流线体内或装入或在该非流线体的下游***穿过测量管的壁。

另一方面，用一超声装置测出压力波动，该超声装置的发射器和接收器沿直径方向彼此相对地安装在测量管外部。发射器穿过测量管壁、流体、和相对壁发送超声信号，该信号被该压力波动调制并被接收器记录。

这两种敏感元件的固有缺点是装配这些敏感元件的涡流传感器不能用于所有的流体。超声波传感器仅可用于约为250℃的流体温度，电容式压力传感器仅可用于约为400℃的流体温度。

另外，还描述了这样的涡流传感器，其中光或激光束穿过流体并且经涡流体作用产生的光束强度调制用来确定涡流频率；例如，参见U.S.专利4,519,259或GB-A 2,084,720。这种光涡流传感器也能承受大于400℃的温度。

本发明的目的是提供一个光传感器***，该***可在大于400℃的温度中使用，它不与流体接触，且所用空间小于普通的光传感器***。

为实现这个目的，本发明的第一个方案是提供一个用于测量流体流速和/或按容积计的流量的涡流传感器，所述的涡流传感器包括：

一个测量管，流体以第一方向流过测量管，测量管具有一个壁，在该壁上沿所述测量管的第一直径的彼此相对的点处流体密封和压力密封地设置无条纹高温光学玻璃的第一和第二窗口；

一个沿所述测量管的第二直径设置并固定在该测量管中用于在该流体中产生卡曼涡流体的非流线体，其频率与流速成正比，所述的第二直径位于所述第一直径的上游且大体垂直于该第一直径；

一个激光差动干涉仪，它具有一个处在该第一窗口前面的所述测量管外侧、并固定到该第一窗口和/或该测量管的发射单元，所述的发射单元包括沿着趋向第一窗口的方向依次排列的下述光学部件：

一个激光器，

一个透镜***，

一个第一偏振滤光器，

一个第一渥拉斯顿(Wollaston)棱镜，和

一个第一透镜；

一个处在该第二窗口前面的所述测量管的外侧、并固定到该第二窗口和/或该测量管的接收单元，所述的接收单元包括沿着从该第二窗口离开的方向依次排列的下述光学部件：

一个第二透镜，

一个第二渥拉斯顿棱镜，

一个第二偏振滤光器，和

一个PIN二极管。

为了实现上述目的，本发明的第二个方案是提供一个用于测量流体流速和/或按容积计的流量的涡流传感器，所述的涡流传感器包括：

一个发射偏振光的激光器，

一个透镜***，

一个第一渥拉斯顿棱镜，和

一个第一透镜；

一个第二透镜，

一个第二渥拉斯顿棱镜，

一个偏振滤光器，和

一个PIN二极管。

在本发明第一或第二方案的优选实施例中，第一和第二透镜是消色差透镜。

本发明的一个优点是既使流体温度高达例如600℃，该流体仍可根据涡流原理进行测量。

本发明的另一个优点是由于光学部件能使用微型***技术制造，因此，光学传感器***所占据的空间小于普通传感器***。

当结合附图对下述实例说明时，本发明将变得更清楚，其中：

图1表示具有涡流传感器的测量管的纵向剖面；

图2表示本发明第一方案的激光差动干涉仪的各部件及相关的光束路径；和

图3表示本发明第二方案的激光差动干涉仪的各部件及相关的光束路径。

参看图1，图1示出一个测量管1的示意的纵向剖面，一流体沿箭头所示方向流过测量管1，该流体的按容积计的流量和/或流速被测量。该流体可以是液体、气体、或蒸汽。

测量管1有一个壁11，壁11上设有流体密封和压力密封的第一窗口2和第二窗口3。两个窗口2、3由无条纹无气泡的高温光学玻璃构成，并沿测量管的直径安装在壁11上的两相对点处，使得两窗口的内表面尽可能与测量管的内表面平齐。

非流线体4沿第二直径安装在测量管1上。该第二直径位于第一直径的上游且大体与该第一直径垂直。非流线体4用于在流体中产生卡曼涡流体5，涡流体5沿流动方向所看到的交替地从左手分流边41和右手分流边42从非流线体4分流出。如众所周知的，涡流分流频率与流速u和测量管1腔体的横截面A成正比；根据这些量可计算按容积计的流量：

Q＝uA；u＝kf；Q＝kAf，

其中，k是涡流计的校准步骤中所测量到的一个常量。

激光差动干涉仪6(见图2)或6′(见图3)具有处于测量管1外侧的发射单元61或61′和接收单元62或62′，发射单元位于窗口2的前面，接收单元位于窗口3的前面。

发射单元和接收单元分别固定到窗口2和3，和/或固定到测量管1，使得产生寄生信号的该测量管与发射单元及接收单元之间的相对移动被避免。

图2示出本发明第一方案的激光差动干涉仪6的各部件和相关光束的路径。在窗口2的方向，发射单元61的下述光学部件连续地设置：激光器21，第一透镜***22，第一偏振滤光器23，第一渥拉斯顿棱镜24，和第一透镜25，最好是消色差透镜。

透镜22将激光器发射的光以光束7的形式聚焦到偏振滤光器23，偏振滤光器23只允许通过在同一平面内振动的分量，即偏振光束7′形式的分量。而后，光束7′射到渥拉斯顿棱镜24，并被分成夹角为α的第一和第二正交偏振光束71、72。透镜25使两个光束平行穿过该流体，两光束的间隔距离为e。

穿过该流体后，两光束71、72到达接收单元62。在沿离开窗口3的方向上，下述接收单元62的光学部件连续设置：第二透镜26，最好是消色差透镜，第二渥拉斯顿棱镜27，第二偏振滤光器28，和PIN二极管29。

穿过该流体之后，透镜26和渥拉斯顿棱镜27使两光束71、72合成为一个单一光束7″，如所公知的，借助偏振滤光器28形成外差从而产生相位差。这些相位差被PIN二极管29转换成电信号，可用适宜的频率测定电子设备方便地测定电信号的频率。所述的频率测定电子设备是已有且可买到的，本文对它们不作说明。

图3示出本发明第二方案的激光差动干涉仪6′的各部件和相关光束的路径。在窗口2的方向，发射单元61′的下述光学部件连续地设置：发射偏振光的激光器31，透镜***32，第一渥拉斯顿棱镜34，和第一透镜35，最好是消色差透镜。

与图2相比，由于激光器31已经发射偏振光，因此，不需要设置与偏振滤光器23相对应的偏振滤光器。透镜***32以偏振光束17的形式将激光器31发射的光直接聚焦到渥拉斯顿棱镜34，渥拉斯顿棱镜34将偏振光束17分成夹角为α的第一和第二正交偏振光束171、172，在离开透镜25后偏振光束171与172的间隔距离为e。

穿过该流体后，两光束171、172到达接收单元62′。在沿离开窗口3的方向上，接收单元62′的下述光学部件连续设置：第二透镜36，第二渥拉斯顿棱镜37，偏振滤光器38，和PIN二极管39。

穿过该流体之后，透镜36和渥拉斯顿棱镜37使两光束171、172合成为一个单一光束17″，并借助偏振滤光器38产生外差。所产生的相位差被PIN二极管39转换成电信号，可用适宜的频率测定电子设备方便地测定这些电信号的频率。

在本发明中，对从非流线体4分流的涡流体5沿该激光路径所引起的该流体密度的周期性变化进行光学评价。本发明可达到的测量极限由激光差动干涉仪的分辩率确定：

g＝δd/e

这里，δd是沿两激光束71、72或171、172光路的瞬时密度梯度。

密度d可根据Lorentz-Lorenz公式计算：

d＝(n²-1)/R(n²+2)

这里，n是折射率，R是基于光波长l的该流体的特定折射系数。

例如，对于空气和波长值l＝632nm时，折射系数R＝0.0000152m³/kg。由于该折射系数R在宽的压力和温度范围内变化仅为3％，因此可假定它是恒定的。

由于只有上述的密度梯度δd出现、且折射率中产生的变量δn很小，因此以上的Lorentz-Lorenz公式可简化为：

δd/δn＝6n/R(n²+2)²

另外，δn＝1/D

这里，D是测量管1的直径。

对于l＝632nm，e＝2mm，D＝53mm时，可得到分辩率g＝0.00262kg/(m³mm)。如果被测量的流体是气体，则对于大于2m/s的流速，这个分辩率已足够了。

Claims

1.一种用于测量流体流速和/或按容积计的流量的涡流传感器，所述的涡流传感器包括：

一个激光器，

一个透镜***，

一个第一偏振滤光器，

一个第一渥拉斯顿棱镜，和

一个第一透镜；

一个第二透镜，

一个第二渥拉斯顿棱镜，

一个第二偏振滤光器，和

一个PIN二极管。

2.一种用于测量流体流速和/或按容积计的流量的涡流传感器，所述的涡流传感器包括：

一个发射偏振光的激光器，

一个透镜***，

一个第一渥拉斯顿棱镜，和

一个第一透镜；

一个第二透镜，

一个第二渥拉斯顿棱镜，

一个偏振滤光器，和

一个PIN二极管。

3.一种如权利要求1或2的涡流传感器，其中，第一和第二透镜是消色差透镜。