CN102135440A - 一种可同时测量温度的光纤涡街流量计 - Google Patents

Abstract

一种可同时测量温度的光纤涡街流量计。包括，表体，表体内设置的涡街发生体，两个光纤布拉格光栅，四端环行器，宽带光源，波长解调器，光电探测器和涡街信号处理器，两个光纤布拉格光栅的中心波长、

和3dB带宽、

满足如下关系和

。两个光纤布拉格光栅分别固定在涡街发生体的两侧，或分别固定在涡街发生体下游的变形体两侧，构成光纤涡街传感器。本发明采用双光纤布拉格光栅差动方法检测涡街频率，不仅具有波长编码和波分复用等特性，还可以同时实现温度测量。本发明还具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、灵敏度高、重量轻、体积小、测量对象广泛、便于多点复用和组网远程测量等优点。

Description

一种可同时测量温度的光纤涡街流量计

技术领域

本发明涉及一种光纤涡街流量计，特别是一种采用双光纤布拉格光栅差动方法检测涡街频率并可同时测量温度的光纤涡街流量计，属流量测量及光纤传感技术领域。

背景技术

流体流量指的是单位时间内通过一定管道面积的流体数量。流量可分为体积流量和质量流量，对于某一种单一流质流量测量而言质量流量等于流体密度与体积流量的乘积。流量计依据检测方法的不同通常可分为直接法和间接法两种。直接体积流量测量法是在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量，代表性仪表主要有椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计和刮板流量计等，测出一种体积流量后可通过与流体密度的乘积获得质量流量。间接测量法(又称速度法)的原理是通过一定手段测出管道内的平均流速，乘以管道截面积求得流体的体积流量，再进一步计算得出质量流量，主要仪表类型有节流式流量计、电磁流量计、转子流量计、涡街流量计、涡轮流量计、超声波流量计等。在这些种类的流量计中，因涡街流量计具有无运动部件、测量范围宽、精确度高、可以测量气体、液体和蒸汽的流量等特点而得到迅速的发展和应用。涡街流量计的原理是，在流体中与流体垂直方向，插入一根非流线形状物体，作为漩涡发生体，在一定的雷诺数范围内漩涡发生体的后面产生一个规则的振荡运动，即在漩涡发生体两侧将产生两列方向相反、交替出现的漩涡，即卡门涡街。在一定雷诺数范围内，流量和涡街频率成线性关系，涡街频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数仅与漩涡发生体及管道的形状尺寸有关，只要测出涡街频率即可得到体积流量。涡街流量计适用于液体、气体、蒸汽、低温介质和各种腐蚀性、放射性等不同介质的流速和流量的测量。根据涡街频率的检测方法的不同，涡街流量计又可以分为热敏式涡街流量计、电容式涡街流量计、应力式涡街流量计、超声式涡街流量计等多种。尽管检测涡街频率的原理和方法不同，上述各种形式的涡街流量计都在涡街频率的检测部分存在电信号，因此在有强电磁场存在的场合会对涡街频率的检测产生干扰，影响涡街流量计的正常使用。此外，在很多情况下，需要同时测量流体的流量和温度。普通涡街流量计只给出流量信息，要实现温度测量必须另外设置温度传感器件。

发明内容

本发明的目的是解决现有涡街流量计中涡街频率检测易受外界环境、特别是强电磁场干扰的问题，提供一种可同时测量温度的光纤涡街流量计。

本发明提供的可同时测量温度的光纤涡街流量计包括，表体，表体内设置的涡街发生体，涡街发生体两侧放置的两个光纤布拉格光栅，两个光纤布拉格光栅分别经过传输光纤连接四端环行器的第二、第三两个端口，四端环行器的第一端口连接宽带光源，四端环行器的第四端口分别连接波长解调器和光电探测器，光电探测器连接涡街信号处理器，其特征在于所述的两个光纤布拉格光栅的中心波长分别为                                                

、

，3dB带宽分别为

、，两个光纤布拉格光栅的波长和带宽满如下关系

和

。

两个光纤布拉格光栅按照差动方式分别固定在涡街发生体的两侧。或是，

将两个光纤布拉格光栅按照差动方式分别固定在涡街发生体下游设置的一个变形体的两侧，构成光纤涡街传感器。

测量原理

将安装光纤布拉格光栅的涡街发生体置入待测管流中，来流作用在涡街发生体上而产生涡街，当涡街由涡街发生体脱落时，对涡街发生体产生方向交替改变的作用力，使涡街发生体产生变形。或者，

将光纤涡街传感器置入加有涡街发生体的待测管流中，光纤涡街传感器在涡街发生体的下游，来流作用在涡街发生体上而产生涡街，涡街作用在光纤涡街传感器上，使之产生变形。

固定在涡街发生体或者变形体两侧的光纤布拉格光栅之一受拉应力，其反射光波长变大；另一光纤布拉格光栅受压应力，反射光波长变小；输入的宽带光被两个光纤布拉格光栅依次反射，反射光谱重叠部分的光强度将随涡街发生体或者变形体的变形而发生变化，光强度变化的频率即为涡街脱落的频率，测量该频率可获得流量；测量反射光光谱的中心波长可获得流体的温度。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的光纤涡街流量计采用双光纤布拉格光栅差动方法检测涡街频率，不仅具有波长编码和波分复用等特性，还可以同时实现温度测量。此外，本发明所涉及的光纤涡街流量计还具有如下优点，包括抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、灵敏度高、重量轻、体积小、测量对象广泛、便于多点复用和组网远程测量等。

与现有技术相比，本发明所涉及的光纤涡街流量计具有如下显著的进步：

1．采用双光纤布拉格光栅差动方法，使用普通的光电探测器就可以实现涡街频率的检测，使光纤涡街流量计的信号检测大为简化。

2．无需采用其它温度传感器就可完成流体流量与温度的同时测量。

3．当被测流体温度发生变化时，变形体会产生热胀冷缩，但由于双光纤布拉格光栅同时与变形体长度发生变化，所以被测流体温度变化不影响涡街信号的检测。

4．采用全光纤设计可以实现测量现场无电信号，具有本征安全的特点，这对于易燃、易爆流体的测量是至关重要的。

5．利用光纤布拉格光栅的波分复用特性，可以进行多点连网测量和远程测量。

附图说明

图1为光纤涡街流量计结构示意图。101为流量计表体；102为涡街发生体；103为来流方向；104、105为光纤布拉格光栅；106为四端光纤环行器；107、108为传输光纤；109为光电探测器；110为涡街信号处理器；111为波长解调器；112为宽带光源。

图2为光纤涡街流量计水平剖面图，其中两个光纤布拉格光栅分别固定在涡街发生体的两侧。201为在涡街发生体下游产生的涡街。

图3为光纤涡街流量计水平剖面图，其中两个光纤布拉格光栅分别固定在一个变形体的两侧，而构成光纤涡街传感器。301为涡街发生体；302为变形体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。本发明所涉及的光纤涡街流量计可以通过不同的形式加以实现。可以将双光纤布拉格光栅固定在涡街发生体的两侧，构成一种涡街发生体与涡街传感器合一的复合结构。或是将双光纤布拉格光栅固定在一个变形体的两侧，形成涡街发生体，加涡街传感器的分体结构。

实施例1：涡街发生体与涡街传感器合一的复合结构

如附图1所示，流量计表体101用不锈钢加工而成，其内径为25mm。涡街发生体102也由不锈钢加工而成，形状为圆柱形，直径为6mm。光纤布拉格光栅104、105采用高压载氢处理的SMF28标准单模光纤制成，光栅制作采用波长为244nm倍频Ar离子激光和相位模板，光栅长度为5mm。光纤布拉格光栅104的中心波长分别为1550nm，3dB带宽为0.5nm。光纤布拉格光栅105的中心波长分别为1550.2nm，3dB带宽为0.5nm。在涡街发生体102的两侧用线切割加工出两道0.5mm宽和0.5mm深的方槽，将光纤布拉格光栅104、105用强力防水粘接剂分别固定在涡街发生体102两侧的方槽内，光栅部分位于涡街发生体102端部20mm处。上述操作过程中，需保证光纤布拉格光栅104、105的中心波长

、

，以及3dB带宽

、

同时满足

和

的关系。附图2为光纤涡街流量计水平剖面图。

由此制成涡街发生体与涡街传感器合一的复合结构，将其置入流量计表体101中，通过流量计表体101上的法兰盘将带有光纤布拉格光栅104、105的涡街发生体102固定并密封，构成光纤涡街流量计的表头部分。

宽带光源112为普通市售的ASE光源模块，其输出光谱范围为1520-1565 nm，输出功率为5 mW。四端光纤环行器106是普通通信波段的环行器，传输光纤107、108为标准单模光纤。宽带光源112的输出与四端光纤环行器106的第一端口相连，四端光纤环行器106的第二端口通过传输光纤107与固定在涡街发生体102上的光纤布拉格光栅104相连；四端光纤环行器106的第三端口通过传输光纤108与固定在涡街发生体102上的光纤布拉格光栅105相连。四端光纤环行器106的第四端口同时连接光电探测器109和波长解调器111。在此，光电探测器109使用Thorlabs提供的带光纤接口的DET01CFC探测器，波长解调器111为北京品傲光电公司的PI101光纤传感解调仪。光电探测器109输出的涡街信号（电信号）输入至涡街信号处理器110进行包括滤波、放大等功能的处理。在本实施例中涡街信号处理器110使用天津仪表集团提供的现有涡街流量计中使用的涡街信号处理板，其输出信号可直接与其它标准检测设备相连，即在本实施例中给出的光纤涡街流量计能够直接代替普通的涡街流量计使用。

实施例2：涡街发生体加涡街传感器的分体结构

如附图1和附图3所示，本发明的第二种实施方式与第一种实施方式的区别在于，将加有两个光纤布拉格光栅的涡街传感器与涡街发生体301分离，构成涡街发生体加涡街传感器的分体结构。在此实施例中，将光纤布拉格光栅104、105用强力防水粘接剂分别固定在变形体302的两侧，由变形体302和光纤布拉格光栅104、105构成光纤涡街传感器。涡街发生体301采用三角柱结构，来流方向宽度为6mm。变形体302采用厚度为0.5mm，宽度为5mm的不锈钢片，光纤布拉格光栅104、105对称固定在变形体302的两个表面，如附图3所示。

本实施例中使用的流量计表体101、光纤器件和其它器件均与实施例1一致，在此不再另述。

本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。

Claims (3)

1.一种可同时测量温度的光纤涡街流量计，包括，表体，表体内设置的涡街发生体，涡街发生体两侧放置的两个光纤布拉格光栅，两个光纤布拉格光栅分别经过传输光纤连接四端环行器的第二、第三两个端口，四端环行器的第一端口连接宽带光源，四端环行器的第四端口分别连接波长解调器和光电探测器，光电探测器连接涡街信号处理器，其特征在于所述的两个光纤布拉格光栅的中心波长分别为                                                

、

，3dB带宽分别为

、

，两个光纤布拉格光栅的波长和带宽满如下关系：和。

2.根据权利要求1所述的可同时测量温度的光纤涡街流量计，其特征在于两个光纤布拉格光栅按照差动方式分别固定在涡街发生体的两侧。

3.根据权利要求1所述的可同时测量温度的光纤涡街流量计，其特征在于将两个光纤布拉格光栅按照差动方式分别固定在涡街发生体下游设置的一个变形体的两侧，构成光纤涡街传感器。

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