一种用于蓄冰盘管冰厚测量的光学装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于蓄冰盘管冰厚测量的光学装置，具体是一种通过光学方法来测量蓄冰盘管冰厚的装置，特别是用于冰蓄冷系统中，可以精确、连续地测量蓄冰盘管上的冰层厚度，防止因盘管外层冰量过少或者过多对系统造成不利影响。

背景技术：

冰蓄冷系统中，通常借助蓄冰盘管外结冰来储存冷量，冰量测量装置是蓄冰装置的重要组成部件，起到实时检测蓄冰厚度的作用。蓄冰时，盘管内温度较低，盘管外层慢慢结冰，冰层沿径向向外扩展；冰层越厚，管内载冷剂冷量传递效率逐渐降低。在盘管外设置冰厚传感器以监测当前结冰厚度，以避免结冰太厚而使盘管之间搭成冰桥，阻断水流通道从而影响融冰的正常进行，当盘管外的冰量过厚时，还易造成蓄冰槽体变形的可能，从而给整个系统的正常运行带来隐患。当前冰量测量装置普遍采用的是水位差式、电位式、电阻式、机械式装置等，但每种测量方法都存在一定的缺陷，比如机械接触式需要每隔一段时间移动一下，以防触碰冰层；电极式或者电位式存在一定的测量误差，精确度较低。鉴于此，开发一种使用方便、精确度高、简单便捷的冰层测量装置，对蓄冰盘管上冰厚的准确测量、提升系统制冰的可控性至关重要。

工程中的蓄冰槽内结构复杂、状态多变，而且时间较长时对箱内的测量装置存在较大的考验。此实用新型由线光源发射端、光敏接收端、信号传输线、环形固定支架、连接支架组成，光源发射和接收都处于封闭状态，通过激光的发射和折射来实现冰厚的测量，具有较高的可靠性能。本实用新型不仅测量准确，还可以实现冰量的连续显示，使整个蓄冰过程更加具有可控性。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种用于蓄冰盘管冰厚测量的光学装置。

本实用新型用于蓄冰盘管冰厚测量的光学装置，主要应用于冰蓄冷系统中，主要包括线光源发射端、光敏接收端、信号传输线、两个环形固定支架、两根第一连接支架等；

上述线光源发射端、光敏接收端各自通过第一连接支架分别与两个环形固定支架固定连接，两个环形固定支架固定在蓄冰盘管；线光源发射端、光敏接收端位于蓄冰盘管的两侧，且线光源发射端的前端、光敏接收端的光敏区均朝向蓄冰盘管；光敏接收端的信号输出端通过信号传输线与外部设备连接；

所述的线光源发射端，前端为胶封防水的线光源，可以连续发射足够强度的线形激光，投射后，发射出的光线投射在蓄冰盘管的外壁一定距离d，d＝d冰厚+g，d冰厚为允许的最大冰厚，g为调节参数，为人工设定值；其中初始未结冰状态介质为水，后期结冰状态介质为冰；

所述的光敏接收端，采用胶封防水，用于接收线光源发射端发射出的光线；

作为优选，为便于安装和检修时定位，两环形固定支架间通过第二连接支架固定连接；

外部设备将光敏接收端传送的光敏信号转换为蓄冰盘管外部的冰厚数据，然后将冰厚数据通过显示屏显示；此数据转换技术为本领域技术人员所掌握的成熟技术；

线光源发射端与光敏接收端相对于水平方向的安装偏转角度均为θ4；

光敏接收端的光敏区上光斑长度在l1和l2之间；其中l1为未结冰时，光线到达光敏区的光斑长度，即为最大值；l2为结冰时，光线到达光敏区的光斑最短长度，即为最小值；l1、l2为人工设定值。

l2的设定与光敏接收端光敏区的光线偏移范围范围有关，光敏接收端光敏区的光线偏移范围de＝l·sin(θ4-θ5)-l·cos(θ4-θ5)·tan(θ1)；

线光源发射端前端与光敏接收端光敏区的直线距离

式中θ1为线光源发射端发射出的光线入射角，l01为线光源发射端的前端与光敏接收端的光敏区轴向距离、l02为线光源发射端的前端与光敏接收端的光敏区径向距离。

本实用新型的优点：

此实用新型由线光源发射端、光敏接收端、信号传输线、环形固定支架、连接支架组成，光源发射和接收端因为被胶封，都处于封闭状态，通过激光的发射和折射来实现冰厚的测量，具有较高的可靠性能。本实用新型不仅测量准确，还可以实现冰量的连续显示，使整个蓄冰过程更加具有可控性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；其中(a)为结冰状态，(b)为未结冰状态的正视图，(c)为未结冰状态的后视图；

图2为未结冰时的折射光线路径示意图；其中(a)为轴向光线路径，(b)为径向光线路径；

图3为结冰后的折射光线路径示意图；其中(a)为轴向光线路径，(b)为径向光线路径；

图4为发射端与接收端光线路径示意图；其中(a)为发射端光线折射路径，(b)为接收端光线折射路径；

图5为光线偏移范围计算原理示意图；

其中：1-冰层；2-光敏接收端；3-线光源；4-光源发射端；5-信号传输线；6-环形固定支架；7-蓄冰盘管；8-第二连接支架；9-光源发射端的前端；10-光敏接收端的光敏区；11-第一连接支架。

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施方式，进一步说明本实用新型用于蓄冰盘管冰厚测量的光学装置是如何实现的。

如图1(a)、(b)、(c)所示，本实用新型光学装置主要由线光源发射端、光敏接收端、信号传输线、两个环形固定支架、两根第一连接支架组成，其中两个环形固定支架为一个整体部件，以一定的距离卡扣在蓄冰盘管上。两个环形固定支架的距离为120-160mm；线光源发射端和光敏接收端分别在蓄冰盘管两侧，通过环形固定支架固定其位置和角度。线光源发射端发射出的光线投射在蓄冰盘管的外壁一定距离(10-15mm)。

初始未结冰状态下，盘管外介质全是水时，线光源发射端通过一定的角度使光源全部靶射在接收端的光敏区，光斑长度为l1，范围在65-80mm之间；结冰后，随着蓄冰盘管外的冰层的慢慢加厚，由于水折射率和冰折射率不同，部分光线发生折射不能准确到达光敏区，光斑长度变短；结冰完成后，冰层达到最厚，只有少部分光线到达光敏区产生光敏信号，此时光斑长度最短，长度为l21，范围在10-15mm之间。整个测量过程，接收端上光敏区的光斑长度介于l1和l2之间。

接收端上有信号传输线，为防止信号线对接收端接收角度干扰及对冰层正常形成造成影响，特设置在环形支架下方输出。信号传输线将光敏信号传输到外部设备，由外部设备转换器转换成一定比例的冰厚信号，从而完成冰厚的连续、精确测量。

初始状态下未开始蓄冰时，通过调整线光源发射端、光敏接收端的角度，光线经过蓄冰槽内的水到达光敏接收端，光斑恰好落在光敏区，光敏材料产生光敏信号，通过信号传输线输出，转换成一定比例的冰厚电信号；随着蓄冰过程的进行，蓄冰盘管外的冰层慢慢加厚，此时部分光线经过冰的折射之后，不能照射在光敏接收端的光敏区，使得光敏区的接收光斑变短，从而影响到输出的冰厚信号。未开始蓄冰和完成蓄冰状态时的光线路径分别如图2、图3所示，未结冰时，光线到达光敏区最多，光斑长度为l1；结冰后，由于冰层折射率与水折射率不同，只有部分光线能到达光敏区，此时光斑的长度变短，为l2。正常工作时，光斑长度在l1和l2之间变动，以达到可以测量冰厚准确、连续的目的。

所述的光源发射端前端为胶封防水的线光源，可以连续发射足够强度的线形激光，从发射端射出后到达水中，发生一定角度的折射，具体结构见图1部件4及图4(a)，入射角、折射角分别为θ1和θ2。

所述的接收端位于蓄冰盘管的另一侧，接收面上有一定宽度的光敏区，可以感应到来自发射端的激光产生光敏信号，通过信号传输线输出，转换成对应的冰量电信号，接收端见图1部件2及图4(b)。

所述信号输出线为单向信号传输线，用于光敏信号及冰厚电信号传输，具体见图1部件5。

所述环形固定支架用于固定发射端和接收端，为便于安装和检修时定位，两个环形装置做成一体，之间用第二连接支架连接固定，具体结构见图1部件6。

所述光学装置的原理，是在发射端发射光线之后，经过多重折射到达接收端，由于光线有一定的偏移，从而实现冰量的精确连续测量，其中发射端和接收端参数计算原理示意图见图5，具体计算原理如下所述：

图5中，有冰时折射光线为a-b-c-d，无冰时直射光线为ae；所求光线偏移范围即为de，其中de＝df-ef。

所述参数设置：其中θ1为入射角、θ2为折射角、θ3为接收端光线的角度，θ4为安装发射端与接收端的偏转角度，l为发射端和接收端的直线距离，l01为两端轴向距离，l02为两端径向距离。为便于计算，增加θ5，其中

计算偏移范围时，de＝df-ef，其中，df＝ad·sin(θ4-θ5)；ef＝ad·cos(θ4-θ5)·tan(θ1)；

整理得：de＝l·sin(θ4-θ5)-l·cos(θ4-θ5)·tan(θ1)，即光线接收范围de与入射角θ1、两侧安装偏转角度θ4、两端的轴向距离l01、两端径向距离l02有关。