CN102768048A - 一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计及其使用方法，属于光电子测量技术领域。三角柱型旋涡发生体通过两端的基座固定在测量管内，三角柱型旋涡发生体中部两侧面相通，形成导压腔；在导压腔中，等强度悬臂梁的自由端带有质量块，等强度悬臂梁的固定端与三角柱型旋涡发生体内部轴向导管连接；光纤Bragg光栅粘贴在等强度悬臂梁表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅通过轴向导管和光纤引出孔与外接光纤相连接；本发明采用三角柱作为旋涡发生体，为流量检测提供了很强的可靠性；采用光纤Bragg光栅作为传感元件，抗电磁干扰，适合测量不同种类流体的流量，特别是对具有化学腐蚀性流体流量有很好的前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计及其使用方法，属于光电子测量技术领域。
背景技术
涡街流量计输出的是与流体流速成正比的脉冲信号，并且脉冲信号不受流体组分、密度、压力、温度的影响；量程范围较宽，大多数涡街流量计在雷诺数为 
-
范围内，适用的管道口径一般在300mm以下，具有较好的线性度，量程比可达到10:1以上，有的可达到20:1甚至30：1。涡街流量计可测量液体、气体和蒸汽流量，通常测量液体的精确度为
，流速范围为0.5~7m/s；测量气体的精确度为,流速范围为5~50m/s。
李红民等人提出的一种新型的光纤光栅涡街流量传感器（参见文献：李红民，高宏伟等，一种新型的光纤光栅涡街流量传感器，传感技术学报，2006年）。该技术通过将传感光栅置于旋涡发生体的下游，与管道形成一个悬臂梁结构来测量涡街信号。这种检测方式使振荡尾流中的噪声成分比较复杂，有许多影响主旋涡稳定的子旋涡等干扰信号。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计及其使用方法，采用三角柱作为旋涡发生体，流体在流动中产生的涡街信号强烈并且稳定，为流量检测提供了很强的可靠性；采用光纤Bragg光栅作为传感元件，没有供电回路和输出信号，传输信号为光信号，抗电磁干扰，能起到防止电火花产生和防爆作用，适合测量不同种类流体的流量，特别是对一些具有化学腐蚀性流体流量的测量有很好的应用前景。
本发明所采取的技术方案是：一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计包括三角柱型旋涡发生体1、基座2、测量管3、导压腔4、等强度悬臂梁6、轴向导管7、光纤Bragg光栅8、外接光纤9和光纤引出孔10；三角柱型旋涡发生体1通过两端的基座2固定在测量管3内，三角柱型旋涡发生体1中部两侧面相通，形成导压腔4，在导压腔4中，等强度悬臂梁6的自由端带有质量块5，等强度悬臂梁6的固定端与三角柱型旋涡发生体内部轴向导管7连接；光纤Bragg光栅8粘贴在等强度悬臂梁6表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅8通过轴向导管7和光纤引出孔10与外接光纤9相连接。
三角柱型旋涡发生体1的截面形状是一个等腰三角形截去三个角后的等腰多边形，三角柱型旋涡发生体的底面11作为迎流面，三角柱型旋涡发生体的底边12对着来流方向；在三角柱型旋涡发生体的两侧有平行于中心轴线的短棱边13。
等强度悬臂梁6的自由端带有的质量块5采用金属铜制成。
所述的一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计的使用方法，测量管内的流体流过三角柱型旋涡发生体1，在三角柱型旋涡发生体的两侧会交替分离出旋涡，有旋涡的一侧静压增大，流体被压进导压腔4，导压腔内产生脉动流体，脉动流体作用到等强度悬臂梁6的自由端，导致粘贴在其表面中心轴线上的光纤Bragg光栅8周期性波长移位，通过对光纤Bragg光栅8波长移位的频率测量，可以测出旋涡分离频率f，根据公式
（其中，Sr为斯特劳哈尔数，D为测量管内径，d为三角柱发生体迎流面宽度，m为三角柱发生体两侧弓形流通面积之和与测量管的横截面积之比），可计算出流体的流量。
本发明的有益效果是：本发明采用三角柱作为旋涡发生体，流体在流动中产生的涡街信号强烈并且稳定，为流量检测提供了很强的可靠性；采用光纤Bragg光栅作为传感元件，没有供电回路和输出信号，传输信号为光信号，抗电磁干扰，能起到防止电火花产生和防爆作用，适合测量不同种类流体的流量，特别是对一些具有化学腐蚀性流体流量的测量有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的三角柱旋涡发生体结构示意图；
图3为本发明的三角柱型旋涡发生体的导压腔截面图；
图中：1-三角柱型旋涡发生体，2-基座，3-测量管, 4-导压腔，5-质量块，6-等强度悬臂梁，7-轴向导管，8-光纤Bragg光栅，9-外接光纤，10-光纤引出孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，以方便技术人员理解。
如图1所示：三角柱型旋涡发生体1通过两端的基座2固定在测量管3内，三角柱型旋涡发生体1中部两侧面相通，形成导压腔4，在导压腔4中，等强度悬臂梁6的自由端带有质量块5，等强度悬臂梁6的固定端与三角柱型旋涡发生体内部轴向导管7连接；光纤Bragg光栅8粘贴在等强度悬臂梁6表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅8通过轴向导管7和光纤引出孔10与外接光纤9相连接。
如图2、3所示：三角柱型旋涡发生体1的截面形状是一个等腰三角形截去三个角后的等腰多边形，三角柱型旋涡发生体的底面11作为迎流面，三角柱型旋涡发生体的底边12对着来流方向；在三角柱型旋涡发生体的两侧有平行于中心轴线的短棱边13，短棱边13起作用有两个：一是强迫旋涡在此产生同步分离；二是对旋涡分离有一定的稳定作用。
等强度悬臂梁6的自由端带有的质量块5采用金属铜制成，其作用是增大悬臂梁的形变。
所述的一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计的使用方法，测量管内的流体流过三角柱型旋涡发生体1，在三角柱型旋涡发生体的两侧会交替分离出旋涡，有旋涡的一侧静压增大，流体被压进导压腔4，导压腔内产生脉动流体，脉动流体作用到等强度悬臂梁6的自由端，导致粘贴在其表面中心轴线上的光纤Bragg光栅8周期性波长移位，通过对光纤Bragg光栅8波长移位的频率测量，可以测出旋涡分离频率f，根据公式
（其中，Sr为斯特劳哈尔数，D为测量管内径，d为三角柱发生体迎流面宽度，m为三角柱发生体两侧弓形流通面积之和与测量管的横截面积之比），可计算出流体的流量。
本发明测量技术的数学模型如下：
旋涡频率f与流经发生体两侧的平均流速U 1之间的关系可表示为：
f =Sr U 1 /d （1）
式中，f为旋涡频率，单位Hz；Sr为斯特劳哈尔数；U 1为发生体两侧的平均流速，单位m/s；d为发生体迎流面的宽度，单位m。
设测量管内径为D，发生体两侧弓形流通面积之和与测量管的横截面积之比为m，则
（2）
根据流体连续性定理：
U 1=U/m （3）
式子中U为测量管内的平均流速，m/s。
以式（3）代入式（1）得
设测量管内瞬时体积流量为
，则
从式（5）可看出，对于确定的测量管内径D和发生体迎流面宽度d，流体的状态体积流量
与旋涡频率f成正比。因此，只要测量出旋涡频率f，就可测量出流体流量。根据光谱解调仪分析出光纤Bragg光栅波长移位的频率，即得到了旋涡的分离频率，进而可以求出流体的流量。
旋涡发生体导压腔中间的等强度悬臂梁受到的升力为：
其中
是升力系数，是流体的密度。
光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：
式（1）中，为光纤Bragg光栅的中心波长，
为波长移位量，=0.22为有效弹-光系数，
为轴向应变量。
等强度悬臂梁受到升力作用有：
其中E为悬臂梁材料的弹性模量，h，l，B分别是悬臂梁的厚度，长度和宽度。
实施例：
在实际制作中的具体参数为：
1. 测量管：钢管，杨氏弹性模量
GPa，泊松比
；内径100mm，外径110mm。
2. 等强度悬臂梁尺寸：长度l=15mm,厚度1mm，宽度20mm。
3. 发生体宽度：28mm。
4. 发生体在流动方向上全长：35mm。
5. 发生体侧面平行棱边的长度：3mm。
6. 三角柱横截面顶角之半：19°。
7. 发生体基座直径：41.1mm
8. 发生体基座端面间距离：90mm。
9. 测量管与基座之间间隙：0.66mm。
10. 测量管与基座间的间隙深度：6.6mm。
11. 光纤Bragg光栅技术参数：中心波长
nm，有效弹光系数；
12. 流体选择自来水，管道内平均流速选取10m/s;
13. 按附图1和附图2配置实验；
14. 用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；
根据式（5）（6）（7）（8），光纤Bragg光栅的Bragg波长移位对流体流量
的响应灵敏度为：
取Sr=0.25，E=200GPa，
=1，理论计算可得：当管道内径为100mm时，该流量计的灵敏度为0.48pm/(m3/h)；该流量计的流量测量范围是：14.13m3/h ~ 282.6 m3/h。
本发明采用三角柱作为旋涡发生体，流体在流动中产生的涡街信号强烈并且稳定，为流量检测提供了很强的可靠性；同时，由于传感光栅内置于三角柱型旋涡发生体1中，能直接感受到强烈的涡街信号，信噪比很高；在发生体的中部设置导压腔4，能很好的防止流体中的一些固体杂质对传感器件的损坏，起到了一定的保护作用，并且维护简单，使流量计的使用寿命增长；传感光栅粘贴在对微型应力较为敏感的等强度悬臂梁6上，只要等强度悬臂梁6受到旋涡发生时产生的脉动流体的作用，等强度悬臂梁6就会发生明显形变，光纤Bragg光栅8波长就会产生较为明显的波长移位，提高了测量的准确性；采用光纤Bragg光栅8作为传感元件，没有供电回路和输出信号，传输信号为光信号，抗电磁干扰，能起到防止电火花产生和防爆作用，适合测量不同种类流体的流量，特别是对一些具有化学腐蚀性流体流量的测量有很好的应用前景。
本发明通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
Claims (4)
1.一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计，其特征是：流量计包括三角柱型旋涡发生体、基座、测量管、导压腔、等强度悬臂梁、轴向导管、光纤Bragg光栅、光纤引出孔和外接光纤；三角柱型旋涡发生体通过两端的基座固定在测量管内，三角柱型旋涡发生体中部两侧面相通，形成导压腔；在导压腔中，等强度悬臂梁的自由端带有质量块，等强度悬臂梁的固定端与三角柱型旋涡发生体内部轴向导管连接；光纤Bragg光栅粘贴在等强度悬臂梁表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅通过轴向导管和光纤引出孔与外接光纤相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计，其特征是：三角柱型旋涡发生体的截面形状是一个等腰三角形截去三个角后的等腰多边形，三角柱型旋涡发生体的底面作为迎流面，三角柱型旋涡发生体的底边对着来流方向；在三角柱型旋涡发生体的两侧有平行于中心轴线的短棱边。
3. 根据权利要求1所述的一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计，其特征是：等强度悬臂梁的自由端带有的质量块采用金属铜制成。
4.一种基于三角柱型旋涡发生体的光纤Bragg光栅涡街流量计的使用方法，其特征是：测量管内的流体流过三角柱型旋涡发生体，在三角柱型旋涡发生体的两侧会交替分离出旋涡，有旋涡的一侧静压增大，流体被压进导压腔，导压腔内产生脉动流体，脉动流体作用到等强度悬臂梁的自由端，导致粘贴在其表面中心轴线上的光纤Bragg光栅周期性波长移位，通过对光纤Bragg光栅波长移位的频率测量，可以测出旋涡分离频率f，根据公式 
，其中，Sr为斯特劳哈尔数，D为测量管内径，d为三角柱发生体迎流面宽度，m为三角柱发生体两侧弓形流通面积之和与测量管的横截面积之比，可计算出流体的流量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121107 |