CN102937468B - 一种基于波登管的光纤流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波登管的光纤流量计，包括：将该光纤流量计与被测管道固接的外壳；安装于该外壳内部用以产生涡街的涡街发生体；安装于该外壳内部且平行于流体流动方向用以感受涡街产生的振动的测量膜片；透过该外壳的侧壁且与该外壳密封固接用以将测量膜片的振动转变为内部压力变化的波登管，该波登管伸入该外壳且密闭的一端与该测量膜片固接；安装于该波登管位于该外壳外部的开口端用以感受波登管内部压力变化并产生变形的弹性膜片；设置于该外壳的外侧壁上用以固定光纤光栅的光纤固定点；以及两端分别固定于弹性膜片和光纤固定点用以测量涡街频率的光纤光栅。利用本发明，解决了现有光纤流量计中光纤受流体本身的影响以及灵敏度和可靠性有待提高的问题。

Description

一种基于波登管的光纤流量计

技术领域

本发明涉及流量测试技术领域，尤其涉及一种基于波登管的光纤流量计，适用于测量流体的流量。

背景技术

在工业生产和人民生活的很多领域，都需要对流体的流量进行监测。目前，常用的流量计有靶式流量计、涡轮流量计或涡街流量计等。这些流量计大多是通过电传感器测得力、转速或振动信号，再输入分析设备进行计算，最后得出流量数值。但是，电子类传感器存在密封性差、易漏电、易腐蚀、受电磁干扰等问题。

光纤传感器采用光纤进行传感和传输，不存在上述问题，因此近年得到了越来越多的重视。但是目前的光纤流量计仍存在较多问题。

赵栋等人提出了涡街式光纤流量计的设计(赵栋等，“基于白光干涉原理的全光纤涡街流量测量方法”仪器仪表学报，2011)，这种涡街式流量计采用光纤垂直于流向布置，通过流体的压力使光纤长度发生变化。其不足在于：1)光纤本身作为阻流体，受力小，灵敏度低；2)传感器包含一光纤干涉仪，系统复杂；3)当流体粘度较大时光纤很容易被流体冲断；4)很多流体对光纤材料本身有腐蚀作用，适用的流体种类有限。

郑伦佳等人公开了一种“包括光纤布拉格光栅传感器的卡门涡流流量计组件以及测量流体流速的方法”(中国专利申请号200780047600.1)，该方案中在涡街发生器后面布置光纤光栅，其不足在于：1)当流体粘度较大时光纤很容易被流体冲断；2)很多流体对光纤材料本身有腐蚀作用，适用的流体种类有限；3)光纤感受的是由于涡街发生器变形而产生的应变，而不是涡街发生器产生的涡流造成的换能机构的位移，因此灵敏度较低。

因此，如何保护光纤不受流体本身的影响，并提高流量计的灵敏度，以及提高流量计的可靠性成为光纤流量计目前亟需解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于波登管的光纤流量计，以解决现有光纤流量计中光纤受流体本身的影响以及灵敏度和可靠性有待提高的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于波登管的光纤流量计，该光纤流量计包括：将该光纤流量计与被测管道固接的外壳10；安装于该外壳10内部用以产生涡街的涡街发生体50；安装于该外壳10内部且平行于流体流动方向用以感受涡街产生的振动的测量膜片20；透过该外壳10的侧壁且与该外壳10密封固接用以将测量膜片20的振动转变为内部压力变化的波登管40，该波登管40伸入该外壳10且密闭的一端与该测量膜片20固接；安装于该波登管40位于该外壳10外部的开口端用以感受波登管40内部压力变化并产生变形的弹性膜片60；设置于该外壳10的外侧壁上用以固定光纤光栅30的光纤固定点31；以及两端分别固定于弹性膜片60和光纤固定点31用以测量涡街频率的光纤光栅30。

上述方案中，所述外壳10呈中空的圆柱形，其侧壁具有一圆孔，所述波登管40透过该圆孔且与该外壳10密封固接。

上述方案中，所述涡街发生体50通过一横梁安装于该外壳10内部。

上述方案中，所述测量膜片20平行于流体流动方向，并且测量膜片20所在平面与涡街振动方向垂直。

上述方案中，所述波登管40穿过壳体10，其密闭端位于外壳10内部，开口端位于外壳10外部，并与外壳10密封固接。

上述方案中，所述波登管40内充满不可压缩液体，并在开口端被弹性膜片60密封。

上述方案中，所述光纤光栅30有一定的初始预应力。

上述方案中，所述光纤固定点31是外壳10外壁上的一个凸台。

上述方案中，所述光纤固定点31是安装于外壳10外壁套住并起到保护光纤光栅30作用的圆柱筒的一端上的小孔。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种基于波登管的光纤流量计，采用在外壳外部布设光纤光栅的方式，有效地避免了流体对光纤光栅的影响。

2、本发明提供的这种基于波登管的光纤流量计，通过波登管将测量膜片的位移转变为波登管内部的压力，并在开口端安装弹性膜片，将压力转变为弹性膜片的变形，利用了波登管的放大作用，不但提高了流量计的灵敏度，而且可以通过选择波登管的截面形状和尺寸方便地调整流量计的灵敏度。

3、本发明提供的这种基于波登管的光纤流量计，可以选择波登管的材料与流体管道或壳体的材料相同，或更加耐腐蚀的材料，从而提高了流量计的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的基于波登管的光纤流量计的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参照图1，图1为本发明提供的基于波登管的光纤流量计的示意图，该基于波登管的光纤流量计包括：将该光纤流量计与被测管道固接的外壳10；安装于该外壳10内部用以产生涡街的涡街发生体50；安装于该外壳10内部且平行于流体流动方向用以感受涡街产生的振动的测量膜片20；透过该外壳10的侧壁且与该外壳10密封固接用以将测量膜片20的振动转变为内部压力变化的波登管40，该波登管40伸入该外壳10且密闭的一端与该测量膜片20固接；安装于该波登管40位于该外壳10外部的开口端用以感受波登管40内部压力变化并产生变形的弹性膜片60；设置于该外壳10的外侧壁上用以固定光纤光栅30的光纤固定点31；以及两端分别固定于弹性膜片60和光纤固定点31用以测量涡街频率的光纤光栅30。

其中，外壳10呈中空的圆柱形，其侧壁具有一圆孔，所述波登管40透过该圆孔且与该外壳10密封固接。涡街发生体50通过一横梁安装于该外壳10内部。测量膜片20平行于流体流动方向，并且测量膜片20所在平面与涡街振动方向垂直，测量膜片20的刚度较大，不会在涡街的作用下产生变形，以最大限度地感受涡街振动并产生位移。波登管40穿过壳体10，其密闭端位于外壳10内部，开口端位于外壳10外部，并与外壳10密封固接，使外壳10内的流体不会漏出。

波登管40内充满不可压缩液体，并在开口端被弹性膜片60密封，密封的方法可以是粘接或采用密封圈的方式。光纤光栅30有一定的初始预应力。光纤光栅30一端固定在弹性膜片60的中间(此处具有最大挠度)，另一端固定在光纤固定点31。光纤固定点31是外壳10外壁上的一个凸台，也可以是安装于外壳10外壁套住并起到保护光纤光栅30作用的圆柱筒的一端上的小孔。固定方式可以是粘接。

本发明提供的基于波登管的光纤流量计的工作原理为，参考图1，当流体在外壳10中流动时，涡街发生体50用于产生涡街，并引起在涡街发生体50后部产生垂直于流向方向的涡街振动。涡街振动引起测量膜片20的上下振动，测量膜片20沿垂直于外壳10的轴线方向振动。测量膜片20固定于波登管40的密闭端，测量膜片20的振动使波登管40发生变形。波登管40内部充满不可压缩的液体，由波登管的敏感原理可知，其密闭端的位移会引起内部的压力发生变化。在波登管40的开口端安装弹性膜片60，波登管40内部的压力变化使弹性膜片60发生变形。固定于膜片60中心的光纤光栅30于是产生长度的变化，引起光纤光栅30的输出光波长发生变化。该波长变化的频率与涡街发生的频率一致，因此可以通过测量光纤光栅30的波长变化的频率来测得流量。

选择合适的截面尺寸，波登管可以将很小的密闭端位移转变为很大的内部压力变化，利用波登管的放大作用，可以提高流量计的灵敏度，而且可以通过选择波登管的截面形状和尺寸方便地调整流量计的灵敏度。

需要说明的是，对于波长调制型光纤传感器，敏感元件不限于光纤光栅，即光纤光栅30可被其它器件替换而取得相同效果，其它器件如光纤激光器、长周期光栅、啁啾光栅等。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于波登管的光纤流量计，其特征在于，该光纤流量计包括：

将该光纤流量计与被测管道固接的外壳(10)；

安装于该外壳(10)内部用以产生涡街的涡街发生体(50)；

安装于该外壳(10)内部且平行于流体流动方向用以感受涡街产生的振动的测量膜片(20)；

透过该外壳(10)的侧壁且与该外壳(10)密封固接用以将测量膜片(20)的振动转变为内部压力变化的波登管(40)，该波登管(40)伸入该外壳(10)且密闭的一端与该测量膜片(20)固接；

安装于该波登管(40)位于该外壳(10)外部的开口端用以感受波登管(40)内部压力变化并产生变形的弹性膜片(60)；

设置于该外壳(10)的外侧壁上用以固定光纤光栅(30)的光纤固定点(31)；以及

两端分别固定于弹性膜片(60)和光纤固定点(31)用以测量涡街频率的光纤光栅(30)。

2.根据权利要求1所述的基于波登管的光纤流量计，其特征在于，所述外壳(10)呈中空的圆柱形，其侧壁具有一圆孔，所述波登管(40)透过该圆孔且与该外壳(10)密封固接。

3.根据权利要求1所述的基于波登管的光纤流量计，其特征在于，所述涡街发生体(50)通过一横梁安装于该外壳(10)内部。

4.根据权利要求1所述的基于波登管的光纤流量计，其特征在于，所述测量膜片(20)平行于流体流动方向，并且测量膜片(20)所在平面与涡街振动方向垂直。

5.根据权利要求1所述的基于波登管的光纤流量计，其特征在于，所述波登管(40)穿过壳体(10)，其密闭端位于外壳(10)内部，开口端位于外壳(10)外部，并与外壳(10)密封固接。

6.根据权利要求1或5所述的基于波登管的光纤流量计，其特征在于，所述波登管(40)内充满不可压缩液体，并在开口端被弹性膜片(60)密封。

7.根据权利要求1所述的基于波登管的光纤流量计，其特征在于，所述光纤光栅(30)有一定的初始预应力。

8.根据权利要求1所述的基于波登管的光纤流量计，其特征在于，所述光纤固定点(31)是外壳(10)外壁上的一个凸台。

9.根据权利要求1所述的基于波登管的光纤流量计，其特征在于，所述光纤固定点(31)是安装于外壳(10)外壁套住并起到保护光纤光栅(30)作用的圆柱筒的一端上的小孔。