最新资讯:
技术文档 >> 返回 您当前所在位置:首页 > 服务支持 > 技术文档 > 正文

结构健康监测中光纤光栅传感技术(十)光纤光栅流量传感器

更新时间:2016-08-14 22:44:32点击次数:4556次字号:T|T

伴随着科学技术不断进步,工业发展对流体流量计量测试提出了越来越高的要求。特别是在注重节能、提高全社会经济运行质量的今天,流体流量测量的重要性愈显突出,作为测量对象的各种流体介质,如水、蒸汽、热水热量、煤气、天然气、石油及其衍生制品等均是全社会的重要能源,而针对这项重要的工控参量的计量测试的研究及实施方案有许多种,最重要的就是测量用流量计测试数据准确、并具备符合工控现场对设备安全性能的相关要求[62]

1.1.1        光纤光栅涡街流量计

涡街流量计因其具有结构简单牢固、适用流体种类多、精度较高、线性测量范围宽30∶1、压力损失小等优点而发展最为迅速。目前已成为通用的一类流量计。传统的涡街流量传感器大多采用电参数测量方式,然后进行非电量转换处理的,在很多工业现场必须针对其供电回路及其信号输出回路进行防爆及防止电火花产生,从而增加了成本和复杂程度,安全性和可靠性也面临挑战[63]

李宏民等人[64]提出了一种基于光纤光栅技术的涡街流量传感器,该传感器是以光纤光栅作为一次检测元件(探头)的流体振荡型流量测量传感器。由于采用光纤光栅作为传感元件,因此不仅具备天然的电绝缘性、抗电磁干扰等本质安全特性,而且具有抗腐蚀和体积小等优点。理论分析和试验表明这种制式的流量传感器具有量程比宽、检测精度高、线性度好、介质适应性强和易于实现网络化实时准分布检测等特点,因而适用于石油、化工、冶金、核电厂等爆炸性高危险场合的各种液体、气体的流量检测。

1.      涡街流量传感器测量原理

涡街流量传感器利用的是流体力学中著名的卡门涡街原理[65]。在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线型柱体,如图4.88所示,当流体沿漩涡发生体绕行流过时,会在漩涡发生体下游产生如图4.88所示的两列不对称但有规律的交替漩涡列,这就是所谓的卡门涡街。涡街流量传感器主要由两个部分组成:漩涡发生体和探测器(探头)

被测流体经过漩涡发生体时,当流速超过一定阈值(一般称之为流量下限)时,漩涡发生体的下游会产生两列旋转方向相反的并排漩涡。漩涡的产生频率与流速成正比


其中f为漩涡频率(Hz)v为流体平均速度(m/s)d为漩涡发生体迎流面特征宽度(m)St为斯特罗哈数。根据雷诺数和漩涡发生体形状的不同,St数值及雷诺数Re由漩涡发生体和管道直径确定,其值均为常数。因此通过探测器检测涡流频率,即可求出流体平均速度。


4.89光纤光栅涡街流量探测器的示意图。通过将传感光纤光栅置于漩涡发生体后,并与管道形成一个悬臂梁结构来测量漩涡发生频率。漩涡在行进的过程中,会在漩涡发生体的下游产生一个垂直于管道轴线方向的升力,由于漩涡在漩涡发生体两侧交替产生,而且旋转方向相反,故作用于漩涡发生体上的升力也是交替变化的。从而为悬臂梁提供使其产生振动的策动力,因此悬臂梁就发生了垂直于轴线方向对称的受迫振动。当悬臂梁的固有频率远远高于被测漩涡频率时,交替作用在漩涡发生体上的升力的变化频率等于漩涡的频率,而升力变化频率又与流体的振动频率相同,所以可以通过检测悬臂梁的振动频率来探测漩涡的频率,进而由式(4.71)得到流体的流量。

根据振动力学,对于均质、等横截面、各向同性且服从Hooke定律的矩形直梁,其受迫振动微分方程为:

如图4.90所示,涡街流量传感器感测到的光信号通过PIN光电探测器接受,并转换成电信号,经过带通滤波器将温度变化引起的超低频波动信号滤除,从而使光纤光栅对温度的交叉敏感问题得以消除。


       如图4.91所示为光纤光栅涡街流量传感器测试原理框图,宽带光源发出的光经3dB耦合器进入光纤光栅流量传感器,返回的信号光与高双折射光纤环镜发生卷积作用[67],经过PIN光电二极管转换为电信号并滤波放大后,由计算机通过AD采集卡(DAQ2010)采集进入计算机进行信号处理与显示。测试中,将光纤光栅流量传感器安装于动态容积法液体流量标准装置中,根据流量传感器的流量范围,选择了6个流量点。如图5所示为系统的测试结果图,横轴为液体流量标准装置所示流量,纵轴为采集到的信号脉冲数频率。由图可以看出,拟合曲线为Qv=93.226×f+149.688,线性度误差0.42%,故该流量传感器具有很好的线性度,测量精度达到±0.59%F.S.


  本节所介绍的光纤光栅流量传感器是将光纤光栅传感器与传统的涡街流量测量原理相结合,使流量传感器采用FBG光纤光栅传感器检测漩涡频率。同时,通过信号处理的方法,使得该FBG传感器克服了传统FBG传感器对温度交叉敏感的问题。由于该传感系统具有本征安全、耐腐蚀体积小和温度不敏感等优点,因此适用于各种管道的流量监测。但该系统还存在不足,如作为波长解调器件的高双折射环镜,容易受温度等环境因素的影响,从而使得监测结果受环境影响,但通过目前已有的各种补偿措施可以大大降低它的干扰,而FBG传感系统独特的性能也必将极大地推动涡街流量传感器开拓应用。