專利名稱：渦流傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種渦流傳感器，該渦流傳感器用于測量在測量管中流動的流體流速和/或按容積計的流量。
普通的渦流傳感器具有非流線體，該非流線體沿測量管的直徑設置并固定在管壁上。
如眾所周知的，這種渦流傳感器工作時，在非流線體的下游形成卡曼渦道。其壓力波動由敏感元件轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號頻率與流速成正比，由此可計算出按容積計的流量。
一方面，目前使用的渦流敏感元件是伸入流體并直接承受壓力波動的裝置；這些裝置，例如，是壓力傳感器、尤其是電容傳感器，這些傳感器安裝在非流線體內(nèi)或裝入或在該非流線體的下游插入穿過測量管的壁。
另一方面，用一超聲裝置測出壓力波動，該超聲裝置的發(fā)射器和接收器沿直徑方向彼此相對地安裝在測量管外部。發(fā)射器穿過測量管壁、流體、和相對壁發(fā)送超聲信號，該信號被該壓力波動調(diào)制并被接收器記錄。
這兩種敏感元件的固有缺點是裝配這些敏感元件的渦流傳感器不能用于所有的流體。超聲波傳感器僅可用于約為250℃的流體溫度，電容式壓力傳感器僅可用于約為400℃的流體溫度。
另外，還描述了這樣的渦流傳感器，其中光或激光束穿過流體并且經(jīng)渦流體作用產(chǎn)生的光束強度調(diào)制用來確定渦流頻率；例如，參見U.S.專利4,519,259或GB-A 2,084,720。這種光渦流傳感器也能承受大于400℃的溫度。
本發(fā)明的目的是提供一個光傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在大于400℃的溫度中使用，它不與流體接觸，且所用空間小于普通的光傳感器系統(tǒng)。
為實現(xiàn)這個目的，本發(fā)明的第一個方案是提供一個用于測量流體流速和/或按容積計的流量的渦流傳感器，所述的渦流傳感器包括一個測量管，流體以第一方向流過測量管，測量管具有一個壁，在該壁上沿所述測量管的第一直徑的彼此相對的點處流體密封和壓力密封地設置無條紋高溫光學玻璃的第一和第二窗口；一個沿所述測量管的第二直徑設置并固定在該測量管中用于在該流體中產(chǎn)生卡曼渦流體的非流線體，其頻率與流速成正比，所述的第二直徑位于所述第一直徑的上游且大體垂直于該第一直徑；一個激光差動干涉儀，它具有一個處在該第一窗口前面的所述測量管外側(cè)、并固定到該第一窗口和/或該測量管的發(fā)射單元，所述的發(fā)射單元包括沿著趨向第一窗口的方向依次排列的下述光學部件一個激光器，一個透鏡系統(tǒng)，一個第一偏振濾光器，一個第一渥拉斯頓(Wollaston)棱鏡，和一個第一透鏡；一個處在該第二窗口前面的所述測量管的外側(cè)、并固定到該第二窗口和/或該測量管的接收單元，所述的接收單元包括沿著從該第二窗口離開的方向依次排列的下述光學部件一個第二透鏡，一個第二渥拉斯頓棱鏡，一個第二偏振濾光器，和一個PIN二極管。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第二個方案是提供一個用于測量流體流速和/或按容積計的流量的渦流傳感器，所述的渦流傳感器包括一個測量管，流體以第一方向流過測量管，測量管具有一個壁，在該壁上沿所述測量管的第一直徑的彼此相對的點處流體密封和壓力密封地設置無條紋高溫光學玻璃的第一和第二窗口；一個沿所述測量管的第二直徑設置并固定在該測量管中用于在該流體中產(chǎn)生卡曼渦流體的非流線體，其頻率與流速成正比，所述的第二直徑位于所述第一直徑的上游且大體垂直于該第一直徑；一個激光差動干涉儀，它具有一個處在該第一窗口前面的所述測量管外側(cè)、并固定到該第一窗口和/或該測量管的發(fā)射單元，所述的發(fā)射單元包括沿著趨向第一窗口的方向依次排列的下述光學部件一個發(fā)射偏振光的激光器，一個透鏡系統(tǒng)，一個第一渥拉斯頓棱鏡，和一個第一透鏡；一個處在該第二窗口前面的所述測量管的外側(cè)、并固定到該第二窗口和/或該測量管的接收單元，所述的接收單元包括沿著從該第二窗口離開的方向依次排列的下述光學部件一個第二透鏡，一個第二渥拉斯頓棱鏡，一個偏振濾光器，和一個PIN二極管。
在本發(fā)明第一或第二方案的優(yōu)選實施例中，第一和第二透鏡是消色差透鏡。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是既使流體溫度高達例如600℃，該流體仍可根據(jù)渦流原理進行測量。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是由于光學部件能使用微型系統(tǒng)技術(shù)制造，因此，光學傳感器系統(tǒng)所占據(jù)的空間小于普通傳感器系統(tǒng)。
當結(jié)合附圖對下述實例說明時，本發(fā)明將變得更清楚，其中

圖1表示具有渦流傳感器的測量管的縱向剖面；圖2表示本發(fā)明第一方案的激光差動干涉儀的各部件及相關的光束路徑；和圖3表示本發(fā)明第二方案的激光差動干涉儀的各部件及相關的光束路徑。
參看圖1，圖1示出一個測量管1的示意的縱向剖面，一流體沿箭頭所示方向流過測量管1，該流體的按容積計的流量和/或流速被測量。該流體可以是液體、氣體、或蒸汽。
測量管1有一個壁11，壁11上設有流體密封和壓力密封的第一窗口2和第二窗口3。兩個窗口2、3由無條紋無氣泡的高溫光學玻璃構(gòu)成，并沿測量管的直徑安裝在壁11上的兩相對點處，使得兩窗口的內(nèi)表面盡可能與測量管的內(nèi)表面平齊。
非流線體4沿第二直徑安裝在測量管1上。該第二直徑位于第一直徑的上游且大體與該第一直徑垂直。非流線體4用于在流體中產(chǎn)生卡曼渦流體5，渦流體5沿流動方向所看到的交替地從左手分流邊41和右手分流邊42從非流線體4分流出。如眾所周知的，渦流分流頻率與流速u和測量管1腔體的橫截面A成正比；根據(jù)這些量可計算按容積計的流量Q＝uA；u＝kf；Q＝kAf，其中，k是渦流計的校準步驟中所測量到的一個常量。
激光差動干涉儀6(見圖2)或6′(見圖3)具有處于測量管1外側(cè)的發(fā)射單元61或61′和接收單元62或62′，發(fā)射單元位于窗口2的前面，接收單元位于窗口3的前面。
發(fā)射單元和接收單元分別固定到窗口2和3，和/或固定到測量管1，使得產(chǎn)生寄生信號的該測量管與發(fā)射單元及接收單元之間的相對移動被避免。
圖2示出本發(fā)明第一方案的激光差動干涉儀6的各部件和相關光束的路徑。在窗口2的方向，發(fā)射單元61的下述光學部件連續(xù)地設置激光器21，第一透鏡系統(tǒng)22，第一偏振濾光器23，第一渥拉斯頓棱鏡24，和第一透鏡25，最好是消色差透鏡。
透鏡22將激光器發(fā)射的光以光束7的形式聚焦到偏振濾光器23，偏振濾光器23只允許通過在同一平面內(nèi)振動的分量，即偏振光束7′形式的分量。而后，光束7′射到渥拉斯頓棱鏡24，并被分成夾角為α的第一和第二正交偏振光束71、72。透鏡25使兩個光束平行穿過該流體，兩光束的間隔距離為e。
穿過該流體后，兩光束71、72到達接收單元62。在沿離開窗口3的方向上，下述接收單元62的光學部件連續(xù)設置第二透鏡26，最好是消色差透鏡，第二渥拉斯頓棱鏡27，第二偏振濾光器28，和PIN二極管29。
穿過該流體之后，透鏡26和渥拉斯頓棱鏡27使兩光束71、72合成為一個單一光束7″，如所公知的，借助偏振濾光器28形成外差從而產(chǎn)生相位差。這些相位差被PIN二極管29轉(zhuǎn)換成電信號，可用適宜的頻率測定電子設備方便地測定電信號的頻率。所述的頻率測定電子設備是已有且可買到的，本文對它們不作說明。
圖3示出本發(fā)明第二方案的激光差動干涉儀6′的各部件和相關光束的路徑。在窗口2的方向，發(fā)射單元61′的下述光學部件連續(xù)地設置發(fā)射偏振光的激光器31，透鏡系統(tǒng)32，第一渥拉斯頓棱鏡34，和第一透鏡35，最好是消色差透鏡。
與圖2相比，由于激光器31已經(jīng)發(fā)射偏振光，因此，不需要設置與偏振濾光器23相對應的偏振濾光器。透鏡系統(tǒng)32以偏振光束17的形式將激光器31發(fā)射的光直接聚焦到渥拉斯頓棱鏡34，渥拉斯頓棱鏡34將偏振光束17分成夾角為α的第一和第二正交偏振光束171、172，在離開透鏡25后偏振光束171與172的間隔距離為e。
穿過該流體后，兩光束171、172到達接收單元62′。在沿離開窗口3的方向上，接收單元62′的下述光學部件連續(xù)設置第二透鏡36，第二渥拉斯頓棱鏡37，偏振濾光器38，和PIN二極管39。
穿過該流體之后，透鏡36和渥拉斯頓棱鏡37使兩光束171、172合成為一個單一光束17″，并借助偏振濾光器38產(chǎn)生外差。所產(chǎn)生的相位差被PIN二極管39轉(zhuǎn)換成電信號，可用適宜的頻率測定電子設備方便地測定這些電信號的頻率。
在本發(fā)明中，對從非流線體4分流的渦流體5沿該激光路徑所引起的該流體密度的周期性變化進行光學評價。本發(fā)明可達到的測量極限由激光差動干涉儀的分辯率確定
g＝δd/e這里，δd是沿兩激光束71、72或171、172光路的瞬時密度梯度。
密度d可根據(jù)Lorentz-Lorenz公式計算d＝(n2-1)/R(n2+2)這里，n是折射率，R是基于光波長l的該流體的特定折射系數(shù)。
例如，對于空氣和波長值l＝632nm時，折射系數(shù)R＝0.0000152m3/kg。由于該折射系數(shù)R在寬的壓力和溫度范圍內(nèi)變化僅為3％，因此可假定它是恒定的。
由于只有上述的密度梯度δd出現(xiàn)、且折射率中產(chǎn)生的變量δn很小，因此以上的Lorentz-Lorenz公式可簡化為δd/δn＝6n/R(n2+2)2另外，δn＝1/D這里，D是測量管1的直徑。
對于l＝632nm，e＝2mm，D＝53mm時，可得到分辯率g＝0.00262kg/(m3mm)。如果被測量的流體是氣體，則對于大于2m/s的流速，這個分辯率已足夠了。
權(quán)利要求
1.一種用于測量流體流速和/或按容積計的流量的渦流傳感器，所述的渦流傳感器包括一個測量管，流體以第一方向流過測量管，測量管具有一個壁，在該壁上沿所述測量管的第一直徑的彼此相對的點處流體密封和壓力密封地設置無條紋高溫光學玻璃的第一和第二窗口；一個沿所述測量管的第二直徑設置并固定在該測量管中用于在該流體中產(chǎn)生卡曼渦流體的非流線體，其頻率與流速成正比，所述的第二直徑位于所述第一直徑的上游且大體垂直于該第一直徑；一個激光差動干涉儀，它具有一個處在該第一窗口前面的所述測量管外側(cè)、并固定到該第一窗口和/或該測量管的發(fā)射單元，所述的發(fā)射單元包括沿著趨向第一窗口的方向依次排列的下述光學部件一個激光器，一個透鏡系統(tǒng)，一個第一偏振濾光器，一個第一渥拉斯頓棱鏡，和一個第一透鏡；一個處在該第二窗口前面的所述測量管的外側(cè)、并固定到該第二窗口和/或該測量管的接收單元，所述的接收單元包括沿著從該第二窗口離開的方向依次排列的下述光學部件一個第二透鏡，一個第二渥拉斯頓棱鏡，一個第二偏振濾光器，和一個PIN二極管。
2.一種用于測量流體流速和/或按容積計的流量的渦流傳感器，所述的渦流傳感器包括一個測量管，流體以第一方向流過測量管，測量管具有一個壁，在該壁上沿所述測量管的第一直徑的彼此相對的點處流體密封和壓力密封地設置無條紋高溫光學玻璃的第一和第二窗口；一個沿所述測量管的第二直徑設置并固定在該測量管中用于在該流體中產(chǎn)生卡曼渦流體的非流線體，其頻率與流速成正比，所述的第二直徑位于所述第一直徑的上游且大體垂直于該第一直徑；一個激光差動干涉儀，它具有一個處在該第一窗口前面的所述測量管外側(cè)、并固定到該第一窗口和/或該測量管的發(fā)射單元，所述的發(fā)射單元包括沿著趨向第一窗口的方向依次排列的下述光學部件一個發(fā)射偏振光的激光器，一個透鏡系統(tǒng)，一個第一渥拉斯頓棱鏡，和一個第一透鏡；一個處在該第二窗口前面的所述測量管的外側(cè)、并固定到該第二窗口和/或該測量管的接收單元，所述的接收單元包括沿著從該第二窗口離開的方向依次排列的下述光學部件一個第二透鏡，一個第二渥拉斯頓棱鏡，一個偏振濾光器，和一個PIN二極管。
3.一種如權(quán)利要求1或2的渦流傳感器，其中，第一和第二透鏡是消色差透鏡。
全文摘要
一種用于測量流體流速和/或流量的傳感器提供一種傳感器系統(tǒng),該系統(tǒng)不與流體接觸,可在大于400℃的溫度測量,且所占空間小于普通的傳感器系統(tǒng)。該傳感器包括一個管(1),管(1)有一個壁(11),在壁(11)上沿第一管直徑彼此相對的點處設有第一窗口(2)和第二窗口(3)。非流線體(4)沿第二管直徑設置并固定在該管上。第二直徑位于第一直徑的上游并垂直于第一直徑。激光差動干涉儀(6,6′)具有發(fā)射單元(61,61′)和接收單元(62,62′)。
文檔編號G01F1/66GK1240930SQ99108600
公開日2000年1月12日 申請日期1999年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月25日
發(fā)明者約阿奇姆·茂爾, 弗蘭克·奧勒 申請人:安德雷斯和霍瑟·弗羅泰克有限公司