CN102980615B - 一种光纤涡街流量计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤涡街流量计，该光纤涡街流量计包括：将该光纤激光涡街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；设置于该外壳侧壁的一圆孔；安装于该圆孔上的第一定位膜片；安装于该圆孔上且位于该外壳外部的保护筒；两端分别固定于测量膜片中心和第一定位膜片中心用以传递涡街产生的振动的连杆；以及安装于该保护筒内且一端与第一定位膜片中心固接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有待提高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及流量测试技术领域，尤其涉及一种光纤涡街流量计，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。
李川等人提出了一种靶式光纤光栅液体流量计(中国发明专利申请200910094845.0)，该流量计采用阻流靶、连杆、悬臂等一系列传递机构将流体引起的在阻流靶上的压力传递给光纤光栅，通过光栅光谱的变化测得流量。该设计的不足在于：1)阻流靶影响了原有管道内的流场和流量；2)需要增加轴封片、设置长条孔等，工艺和结构复杂，尤其是需要对连杆这一可动机构进行密封，可靠性低。
张强等人同样提出了“带温度补偿的光纤光栅液体流量传感器”(中国发明专利申请200910229030.9)，该传感器中采用“弹性舌”感受流体引起的压力，其不足在于：1)弹性舌本身同样会影响原有管道中的流量和流场特性；2)光纤光栅的方向与流体方向不平行，流体流动会对光纤光栅产生附加应力，从而影响测量精度。
高应俊等人在实用新型专利“光纤光栅流量传感器”中也公开了一种类似的结构，该结构采用将光纤光栅布置于“片状物”上的方法进行流量测量，片状物感受流体的压力。该方案存在与上述两个方案相同的不足：片状物同样会影响原有管道中的流量和流场特性。此外，光纤光栅与片状物连为一体容易产生啁啾，从而影响测量精度。
赵栋等人提出了光纤涡街流量计的设计(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光纤涡街流量计，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，本发明提供了一种光纤涡街流量计，该光纤涡街流量计包括：将该光纤激光涡街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；设置于该外壳10侧壁的一圆孔11；安装于该圆孔11上的第一定位膜片40；安装于该圆孔11上且位于该外壳10外部的保护筒70；两端分别固定于测量膜片20中心和第一定位膜片40中心用以传递涡街产生的振动的连杆22；以及安装于该保护筒70内且一端与第一定位膜片40中心固接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。
上述方案中，所述涡街发生体50通过一横梁52安装于该外壳10内部。
上述方案中，所述保护筒70相对于圆孔11的一端具有一引出孔71，所述光纤光栅30的尾纤通过该引出孔71引出。
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，在所述外壳10上与第一定位膜片40相对于外壳10轴线对称的位置进一步安装有用以限定测量膜片20的运动方向的第二定位膜片60。所述第二定位膜片60通过连杆22与测量膜片20连接。
上述方案中，所述第一定位膜片40、第二定位膜片60和测量膜片20均为圆形膜片，且中心位于一条直线上，以限定测量膜片20的运动方向，保证测量膜片20沿垂直于外壳10的轴线运动。
(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、本发明提供的这种光纤涡街流量计，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、本发明提供的这种光纤涡街流量计，通过设计大面积的测量膜片20并利用测量膜片的位移而不是变形来测量涡流，从而提高了流量计的灵敏度。
附图说明
图1为本发明提供的光纤涡街流量计的示意图；
图2为本发明提供的光纤涡街流量计的俯视图；
图3为本发明提供的光纤涡街流量计外壳的俯视图。
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至图3，图1为本发明提供的光纤涡街流量计的示意图；图2为本发明提供的光纤涡街流量计的俯视图；图3为本发明提供的光纤涡街流量计外壳的俯视图。该光纤涡街流量计包括：将该光纤激光涡街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；设置于该外壳10侧壁的一圆孔11；安装于该圆孔11上的第一定位膜片40；安装于该圆孔11上且位于该外壳10外部用以保护并固定光纤光栅30的保护筒70；两端分别固定于测量膜片20中心和第一定位膜片40中心用以传递涡街产生的振动的连杆22；以及安装于该保护筒70内且一端与第一定位膜片40中心固接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。涡街发生体50通过一横梁52安装于该外壳10内部。保护筒70相对于圆孔11的一端具有一引出孔71，所述光纤光栅30的尾纤通过该引出孔71引出。光纤光栅30有一定的初始预应力。
另外，在所述外壳10上与第一定位膜片40相对于外壳10轴线对称的位置还可以进一步安装有用以限定测量膜片20的运动方向的第二定位膜片60。第二定位膜片60通过连杆22与测量膜片20连接。
光纤光栅30的一端固定于第一定位膜片40上，另一端固定于保护筒70上。保护筒70一般为一圆柱筒，可以通过螺纹连接的方式安装在外壳10的侧面孔11上，并压紧第一定位膜片40，同时起到密封作用。保护筒70的没有安装在外壳10上的一端(即相对于圆孔11的一端)开有一孔71，用于引出并固定光纤光栅30的尾纤。外壳10上与第一定位膜片40相对于外壳10轴线对称的位置可以进一步安装有第二定位膜片60，并仍通过连杆22与测量膜片20的中心21连接。第一定位膜片40、第二定位膜片60、测量膜片20均为圆形膜片，且中心位于一条直线上，以限定测量膜片20的运动方向，即保证测量膜片20沿垂直于外壳10的轴线运动。这样做的目的是使测量膜片20的位移转化为光纤光栅30的变形量，从而提高流量计的灵敏度。
进一步地，测量膜片20的面积一般应大于第一定位膜片40和第二定位膜片60的面积，以进一步提高流量计的灵敏度。测量膜片20的弯曲刚度应远大于第一定位膜片40和第二定位膜片60的弯曲刚度，并且在涡街的作用下不产生变形，以保证在涡街作用下测量膜片20仅产生相对于外壳10轴线的位移而不变形，而第一定位膜片40和第二定位膜片60具有足够的柔度保证测量膜片20的位移可以传递到光纤光栅30。
本发明提供的光纤涡街流量计的工作原理为，参考图1、图2和图3，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，由于第一定位膜片40和第二定位膜片60的限定作用，测量膜片20沿垂直于外壳10的轴线方向振动。测量膜片20的振动幅度(位移)通过连杆22的作用传递至第一定位膜片40，并带动光纤光栅产生相应的长度变化，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，因此可以通过检查光纤光栅30的波长变化的频率来测得流量。
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 (8)
1.一种光纤涡街流量计，其特征在于，该光纤涡街流量计包括：
将该光纤激光涡街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)；
设置于该外壳(10)侧壁的一圆孔(11)；
安装于该圆孔(11)上的第一定位膜片(40)；
安装于该圆孔(11)上且位于该外壳(10)外部的保护筒(70)；
两端分别固定于测量膜片(20)中心和第一定位膜片(40)中心用以传递涡街产生的振动的连杆(22)；以及
安装于该保护筒(70)内且一端与第一定位膜片(40)中心固接用以测量涡街频率的光纤光栅(30)。
2.根据权利要求1所述的光纤涡街流量计，其特征在于，所述外壳(10)呈中空的圆柱形。
3.根据权利要求1所述的光纤涡街流量计，其特征在于，所述涡街发生体(50)通过一横梁(52)安装于该外壳(10)内部。
4.根据权利要求1所述的光纤涡街流量计，其特征在于，所述保护筒(70)相对于圆孔(11)的一端具有一引出孔(71)，所述光纤光栅(30)的尾纤通过该引出孔(71)引出。
5.根据权利要求1所述的光纤涡街流量计，其特征在于，所述光纤光栅(30)有一定的初始预应力。
6.根据权利要求1所述的光纤涡街流量计，其特征在于，在所述外壳(10)上与第一定位膜片(40)相对于外壳(10)轴线对称的位置进一步安装有用以限定测量膜片(20)的运动方向的第二定位膜片(60)。
7.根据权利要求6所述的光纤涡街流量计，其特征在于，所述第二定位膜片(60)通过连杆(22)与测量膜片(20)连接。
8.根据权利要求6所述的光纤涡街流量计，其特征在于，所述第一定位膜片(40)、第二定位膜片(60)和测量膜片(20)均为圆形膜片，且中心位于一条直线上，以限定测量膜片(20)的运动方向，保证测量膜片(20)沿垂直于外壳(10)的轴线运动。
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