CN103076049A - 一种压差式光纤流量计 - Google Patents

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李芳�
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Abstract

本发明公开了一种压差式光纤流量计，该压差式光纤流量计包括：安装于被测管道的导流管；安装于导流管上并且两端均与导流管联通的测量管，以测量流体的流量；安装于测量管内的测力膜片，以在导流管的两端的压力差下产生变形；安装于测力膜片的光纤光栅，以测量导流管的两端的压力差；以及安装于测量管内的固定梁。本发明提供的这种压差式光纤流量计，采用在原管道外的测量管测量的方式，最大限度地减小了对原管道的流量和流场的影响，通过压差式的设计，提高了流量计的灵敏度。

Description

一种压差式光纤流量计
技术领域
本发明涉及流量测试技术领域，尤其涉及一种压差式光纤流量计，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，常用的靶式流量计是通过液体流经靶板时对靶板产生压力，使靶板带动靶杆产生微量位移，通过电传感器测得位移量并将位移量转换为电信号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。
因此，如何使流量计不影响原管道的流量和流场，使光纤不受其它附加作用的影响并提高灵敏度，以及简化流量计的结构和工艺，成为光纤流量计目前亟需解决的问题。
本发明提出一种压差式光纤流量计，用于流体流量的监测，重点解决流量计影响原管道的流量和流场，光纤受其它附加作用的影响，以及提高流量计的灵敏度问题。
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压差式光纤流量计，以解决流量计影响原管道的流量和流场，光纤受其它附加作用的影响，以及提高流量计的灵敏度问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种压差式光纤流量计，该压差式光纤流量计包括：安装于被测管道的导流管10；安装于导流管10上并且两端均与导流管10联通的测量管20，以测量流体的流量；安装于测量管20内的测力膜片30，以在导流管10的两端的压力差下产生变形；安装于测力膜片30的光纤光栅40，以测量导流管10的两端的压力差；以及安装于测量管20内的固定梁50。
上述方案中，所述导流管10的孔径为渐变结构，在流体进入一端的孔径大于流体流出一端的孔径。
上述方案中，所述测力膜片30为圆形，安装于测量管20的内壁并将测力膜片30两侧的流体隔离开。
上述方案中，所述光纤光栅40沿测力膜片30的径向或法向固定于测力膜片30的表面。所述光纤光栅40沿测力膜片30的法向固定于测力膜片30的表面时，光纤光栅40固定于固定梁50的中心51和测力膜片30的中心32之间。
6、根据权利要求1所述的压差式光纤流量计，其特征在于，所述固定梁50的刚度远大于测力膜片30的刚度。
7、根据权利要求1所述的压差式光纤流量计，其特征在于，所述固定梁50在测量管20中的截面积远小于测量管20的横截面积。
(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、本发明提供的这种压差式光纤流量计，采用在原管道外的测量管测量的方式，最大限度地减小了对原管道的流量和流场的影响。
2、本发明提供的这种压差式光纤流量计，通过压差式的设计，可以通过多种方法提高流量计的灵敏度，如1)提高导流管10两侧的孔径直径比；2)减小测力膜片30的厚度；3)沿测力膜片30的法向安装光纤光栅40等。
附图说明
图1为本发明提供的压差式光纤流量计的示意图；
图2为依照本发明实施例一的压差式光纤流量计中测力膜片30的示意图；
图3为依照本发明实施例一的压差式光纤流量计中固定梁50的示意图；
图4为依照本发明实施例二的压差式光纤流量计中测力膜片30上安装光纤光栅40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3，图1为本发明提供的压差式光纤流量计的示意图；图2为依照本发明实施例一的压差式光纤流量计中测力膜片30的示意图；图3为依照本发明实施例一的压差式光纤流量计中固定梁50的示意图。
该压差式光纤流量计包括：安装于被测管道的导流管10；安装于导流管10上并且两端均与导流管10联通的测量管20，以测量流体的流量；安装于测量管20内的测力膜片30，以在导流管10的两端的压力差下产生变形；安装于测量管20内的固定梁50；沿测力膜片30的法向安装于测力膜片30与固定梁50之间的光纤光栅40，以测量导流管10的两端的压力差。
导流管10在流体进入的一端孔径较大，在流体流出的一端孔径较小，且孔径为渐变结构，例如文丘里管。测力膜片30为圆形，安装于测量管20的内壁并将测力膜片30两侧的流体隔离开。光纤光栅40沿测力膜片30的法向固定。其固定方法为，在测力膜片30的中央有一孔32，光纤光栅40的一端固定于此孔上并密封(例如可用胶粘的方式)。光纤光栅40的另一端固定于固定梁50，固定梁50安装于测量管20的内部。固定梁50的刚度远大于测力膜片30的刚度，固定梁50在测量管20中的截面积远小于测量管20的横截面积。光纤光栅40固定于固定梁50的中心51和测力膜片30的中心32之间。
本发明提供的压差式光纤流量计的工作原理为，参考图1、图2、图3，当流体在导流管10中流动时，通过渐变孔径的导流管10，会在导流管10的两端产生压差，压差的大小与流量具有固定的关系。测量管20的两端分别与导流管10联通。测力膜片30因此会在测量管20的两端压差作用下产生形变，形变的大小与压差成线性关系。固定梁50在测量管20中的截面积远小于测量管20的横截面积；固定梁50的刚度远大于测力膜片30的刚度，因此当流体在导流管10中流过时，引起导流管10两端的压差会使固定梁50的中心51和测力膜片30的中心32之间的距离发生变化，从而引起固定在起见的光纤光栅40产生应变，通过测量光栅40的输出波长发生变化即可得到流量大小。
在实施例一中，光纤光栅40沿测力膜片30的法向固定，在实际应用中，光纤光栅40还可以沿测力膜片30的径向固定。请参照图1、图4，图1为本发明提供的压差式光纤流量计的示意图；图4为依照本发明实施例二的压差式光纤流量计中测力膜片30上安装光纤光栅40的示意图。
该压差式光纤流量计包括：安装于被测管道的导流管10；安装于导流管10上并且两端均与导流管10联通的测量管20，以测量流体的流量；安装于测量管20内的测力膜片30，以在导流管10的两端的压力差下产生变形；安装于测量管20内的固定梁50；沿测力膜片30的径向安装于测力膜片30上的光纤光栅40，用于测量导流管10的两端的压力差。
导流管10在流体进入的一端孔径较大，在流体流出的一端孔径较小，且孔径为渐变结构，例如文丘里管。测力膜片30为圆形，安装于测量管20的内壁并将测力膜片30两侧的流体隔离开。光纤光栅40沿测力膜片30的径向固定(例如可采用粘接的方式)。
本发明提供的压差式光纤流量计的工作原理为，参考图1、图2、图4，当流体在导流管10中流动时，通过渐变孔径的导流管10，会在导流管10的两端产生压差，压差的大小与流量具有固定的关系。测量管20的两端分别与导流管10的两端联通。测力膜片30因此会在测量管20的两端压差作用下产生形变(形变的大小与压差成线性关系)，从而引起固定在其上的光纤光栅40产生应变，通过测量光栅40的输出波长发生变化即可得到流量大小。
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40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 (7)

1.一种压差式光纤流量计，其特征在于，该压差式光纤流量计包括：
安装于被测管道的导流管(10)；
安装于导流管(10)上并且两端均与导流管(10)联通的测量管(20)，以测量流体的流量；
安装于测量管(20)内的测力膜片(30)，以在导流管(10)的两端的压力差下产生变形；
安装于测力膜片(30)的光纤光栅(40)，以测量导流管(10)的两端的压力差；以及
安装于测量管(20)内的固定梁(50)。
2.根据权利要求1所述的压差式光纤流量计，其特征在于，所述导流管(10)的孔径为渐变结构，在流体进入一端的孔径大于流体流出一端的孔径。
3.根据权利要求1所述的压差式光纤流量计，其特征在于，所述测力膜片(30)为圆形，安装于测量管(20)的内壁并将测力膜片(30)两侧的流体隔离开。
4.根据权利要求1所述的压差式光纤流量计，其特征在于，所述光纤光栅(40)沿测力膜片(30)的径向或法向固定于测力膜片(30)的表面。
5.根据权利要求4所述的压差式光纤流量计，其特征在于，所述光纤光栅(40)沿测力膜片(30)的法向固定于测力膜片(30)的表面时，光纤光栅(40)固定于固定梁(50)的中心(51)和测力膜片(30)的中心(32)之间。
6.根据权利要求1所述的压差式光纤流量计，其特征在于，所述固定梁(50)的刚度远大于测力膜片(30)的刚度。
7.根据权利要求1所述的压差式光纤流量计，其特征在于，所述固定梁(50)在测量管(20)中的截面积远小于测量管(20)的横截面积。
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