CN103913593B - 具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，其包括：与被测管道固接的对接管道和法兰；安装于对接管道内部用以流速测量的扇式叶片；传感器封装的隔离箱以及安装于其内部的传力轴、套管、钢丝；安装于隔离箱内部用于感受钢丝拉力的梁以及粘贴于梁上侧表面的光纤光栅；安装于对接管道外侧，用于保护光纤光栅的保护罩。本发明适用于对易燃易爆流体传输的管道进行内部流速测量，采用隔离设计，降低了流体介质对传感器封装内部元件的腐蚀，从而延长了传感器使用寿命；该传感器将两根光纤光栅串联在一起，其中一根用于感知流体流速，另一根用于管道内部流体温度自补偿，从而降低温度变化对流速测量精度的影响。

Description

具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装

技术领域：

本发明涉及一种液体流速传感器封装，特别是一种具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，属于光电子测量技术领域。

背景技术：

流量计在能源计量、交通运输、水利建设、航天航空等诸多领域得到广泛应用。但是随着流量监测对象多样和测量环境复杂化，特别是诸如强电磁场、强腐蚀环境下，使得如何保证流量计在流量测量时准确性、稳定性及安全性，成为流量监测亟待解决的关键科学问题。由于传统流量计在流量监测方面存在诸多问题。因此，研究新型流量传感器具有重要的实际意义。

传统电磁式流量计结构简单，测量精确度高，但是不能用于测量气体，且测量精度受液体介质导电率影响。超声波流量计采用非接触式测量方式，无压损，但测量线路复杂且在测量高温液体时测量精度受液体温度影响。光纤光栅具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰强、便于远距离组网监测等优点，使其在测量流体流量方面成为国内外研究热点。2006年,美国John.C.Tsal研究的光纤光栅流量计，可准确测定流体的流量，但是测量结果受环境温度影响。CiDRA公司F.X.Bostick等人开发了基于Bragg光栅原理的多相流量计，在墨西哥湾得到成功安装。但是仅适用于单一方向流量测量。昆明理工大学李川等人发明的靶式光纤光栅液体流量计(CN200910094845.0)，其测量精度较高，但由于其测量元件同时也处于被测管道内部流体环境，一定程度上易造成对其传感特性受到包括流体温度变化及腐蚀等两方面负面因素的影响，

针对常规光纤光栅流量传感器只能单向测量，且暴露在被测环境下感知器件易受酸碱腐蚀与机械损伤等影响。本发明提出了一种具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，能够有效克服环境温度对流量测量精度的影响。

发明内容：

本发明提供一种具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，其能够有效的解决现有光纤光栅流速传感器在监测中易受被测流体酸碱腐蚀和管道内部流体温度实时变化等造成的使用寿命缩短和测量精度下降等问题。

本发明采用如下技术方案：一种具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，其特征在于：包括与被测液体管道固接的对接管道和法兰；安装于对接管道内部的用以感知液体流速的扇式叶片；隔离箱；安装于所述隔离箱内部的传力轴、固定配置于所述传力轴上的套管、钢丝；安装于隔离箱上表面的用以感受钢丝拉力和梁；固定于梁上表面的光纤光栅；安装于对接管道外侧的用于保护所述光纤光栅的保护罩；所述扇式叶片位于隔离箱的外侧，所述传力轴的一端延伸出所述隔离箱外侧用于固定扇式叶片，另一端在该传力轴穿过隔离箱的内部空间后通过轴承固定于隔离箱上，所述钢丝的一端固定连接于所述套管，所述钢丝的另一端固定于梁的下表面中间位置，当液体以速度V流过扇形叶片时，根据流体力学液体在叶片上产生摩擦阻力F_f，在摩擦阻力作用下使得叶片旋转，其旋转扭矩为T₁：

$F_f=C_f\·\mathrm{\ρ}\·\frac{V^2}{2}\·B\·L$

$T_1=\frac{n\·v^2\·sin\mathrm{\θ}\·{\cos }^2\mathrm{\θ}\·\mathrm{\ρ}\·{\mathrm{\θ}}_1\·R^3}{3}$

其中，C_f流体粘性的无因次阻力系数；B为叶片宽度；L为叶片沿流体运动方向的长度；n为扇形的叶片数；v为流体的流速；θ为叶片的偏角；θ₁为叶片的圆心角；ρ为流体的密度；R为叶片的半径；

叶片的旋转扭矩通过传力轴使其套管的钢丝产生拉力F₁，拉力F₁作用于传力轴的力矩为T₂，则最终T₁和T₂将达到力矩平衡：

T₂＝F₁·d

T₁＝T₂

式中d为套管的半径，钢丝上的拉力F₁作用于L两端固定的梁的中点，使梁产生挠度变化，则其微应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{3\·F\·L}{2\·b\·h^2\·E}$

式中F为作用于梁上的力，L、b、h分别为梁的长度、宽度、厚度；E为铸钢的弹性模量；

当梁上的光纤Bragg光栅应力发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光栅Bragg信号的波长偏移，通过监测Bragg波长移动情况，可获得待测物理量的变化情况，光纤光栅的中心波长与应变的关系：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e)\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}=K_{\mathrm{\ϵ}}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}$

式中P_e为光纤材料的弹光系数；K_ε是光纤Bragg光栅的应变响应系数；Δε为应变变化量；

由以上各式可以得出流体的流速V与光纤Bragg光栅中心波长偏移Δλ_B的数学模型，即：

${\mathrm{\Δ\λ}}_B=\frac{n\·v^2\·sin\mathrm{\θ}\·{\cos }^2\mathrm{\θ}\·\mathrm{\ρ}\·{\mathrm{\θ}}_1\·R^3\·L\·(1-p)\·{\mathrm{\λ}}_B}{2\·d\·b\·h^2\·E}$

根据已建立的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅的中心波长的偏移计算出对应的流体的流速V，从而实现对管道内部流体流速的实时测量。

所述光纤光栅包括传感光纤光栅和温度补偿光纤光栅，所述传感光纤光栅粘贴于梁上表面，所述温度补偿光纤光栅与传感光纤光栅串联，且处于不受力状态，所述传感光纤光栅和温度补偿光纤光栅处于同一温度场环境。

所述隔离箱为一个上端开口的箱体，梁的两端焊接在隔离箱的上端。

所述传力轴与轴承连接区域配置有用于隔离的油封圈，所述隔离箱的侧面设置有用于固定轴承的圆形孔。

所述保护罩的左右两个侧面各设置有一圆形开孔用以将光纤光栅通过尾纤与外部光纤光栅解调仪连接。

本发明具有如下有益效果：

(1).本发明具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅传感器封装采用隔离设计，能够有效屏蔽液体对内部相关传感及转化元件(如光纤光栅、钢丝，套管)的腐蚀；

(2).温度补偿光纤光栅用于管道内部流体温度自补偿，能够减小温度变化对流速测量的影响；

(3).与靶式光纤流速传感器相比，传感器封装结构对流体流动阻碍相对较小，测量稳定性较好，适合用于对易燃易爆流体传输的管道进行内部流速测量；

(4).该传感器封装在已知管道内部流体流向的情况下，通过将测量数据与相应正反向流速标定曲线进行比较，可以实现对管道内部流体正反向流体流速的测量。

附图说明：

图1为本发明具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装的结构示意图。

图2为固定于梁上表面的传感光纤光栅及温度补偿光纤光栅。

其中：

1-扇式叶片；2-传力轴；3-套管；4-钢丝；5-梁；6-传感光纤光栅；7-温度补偿光纤光栅；8-隔离箱；9-保护罩；10-对接管道；11-法兰。

具体实施方式：

请参照图1和图2所示，本发明具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装结构，包括扇式叶片1、传力轴2、套管3、钢丝4、两端固定的梁5、传感光纤光栅6、温度补偿光纤光栅7、隔离箱8、保护罩9、与被测液体管道连接的对接管道10和法兰11。其中扇式叶片1位于隔离箱8的外侧，且安装于对接管道的内部，其作为整个传感器封装的感知结构，用于感知流体流速，并将流体流速转化为扇式叶片的旋转扭矩。传力轴2一端用于固定扇式叶片1，另一端在该传动轴2穿过隔离箱8的内部空间后通过轴承固定于隔离箱8上，在传力轴2上位于隔离箱8内的位置配置固定有套管3，在传力轴2与轴承连接区域配置油封圈用于隔离，其作用是当流体流过扇叶的时候，产生一个转动力矩，在通过传力轴2将力矩传递到钢丝4上。套管3固定在传力轴2上，位于隔离箱8内部。套管3上固定有钢丝4的一端，钢丝4的另一端则固定于梁5的下端。梁5两端固定于隔离箱上端，利用AB胶将光纤光栅固定于梁的上表面。

其中传感光纤光栅6两端固定于梁5上表面，用于感知流体流速；温度补偿光纤光栅7与传感光纤光栅6串联，且两者均处于同一温度场环境，用于管道内部流体温度自补偿，从而减小温度变化对流速测量的影响。

隔离箱8为一个上端开口的箱体，梁5的两端焊接在隔离箱8的上端，隔离箱8的左右两个侧面各设置圆形孔一个，用于固定轴承。传力轴2通过轴承固定于隔离箱8。整个隔离箱8与对接管道10焊接在一起，并且做了防水措施。

保护罩9用于保护光纤光栅，左右两个侧面各设置圆形开孔一个，以便光纤光栅通过尾纤与外部光纤光栅解调仪连接。

对接管道10将整个传感器封装与被测管道连接，其与被测管道形状与管径尺寸相匹配，对接管道10的直径可以根据被测管道的直径进行调整，同时在对接管道10的两端接法兰11进而将整个传感器封装紧固于被测管道。

本发明隔离箱8能够隔绝被测管道内部的被测流体直接进入传感器内部，避免造成传感光纤光栅元件受到腐蚀及对其反射光谱特征的负面影响。

本发明具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装的工作原理：当被测管道中的液体以流速V冲击扇式叶片1时，根据冲量定理得出液体在扇式叶片1上产生一个冲力F，在该冲力F作用下叶片转动，其转动力矩为M，叶片转动时通过传力轴2带动套管3转动，套管3转动时带动钢丝4转动，钢丝的另一端连接着梁5。当钢丝上的拉力F1在传力轴2上产生的力矩与叶片的转动力矩达到平衡时，钢丝使梁5产生应变。梁5发生应变时，将引起梁上表面光纤光栅中心反射波长偏移，再通过光栅解调仪进行测量。

为了定量的分析液体流速和光纤光栅中心反射波长偏移量的关系，需要建立流速和光纤光栅中心反射波长偏移量之间的数学模型：

当液体以速度V流过扇形叶片1时，根据流体力学液体在叶片上产生摩擦阻力F_f，在摩擦阻力作用下使得叶片旋转，其旋转扭矩为T₁：

$F_f=C_f\·\mathrm{\ρ}\·\frac{V^2}{2}\·B\·L$

$T_1=\frac{n\·v^2\·\sin \mathrm{\θ}\·{\cos }^2\mathrm{\θ}\·\mathrm{\ρ}\·{\mathrm{\θ}}_1\·R^3}{3}$

其中，C_f流体粘性的无因次阻力系数；B为叶片宽度；L为叶片沿流体运动方向的长度；n为扇形的叶片数；v为流体的流速；θ为叶片的偏角；θ₁为叶片的圆心角；ρ为流体的密度；R为叶片的半径。

叶片的旋转扭矩通过传力轴2使其套管3的钢丝4产生拉力F₁，拉力F₁作用于传力轴的力矩为T₂，则最终T₁和T₂将达到力矩平衡：

T₂＝F₁·d

T₁＝T₂

式中d为套管3的半径，钢丝上的拉力F₁作用于L两端固定的梁5的中点，使梁产生挠度变化，则其微应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{3\·F\·L}{2\·b\·h^2\·E}$

式中F为作用于梁上的力，L、b、h分别为梁的长度、宽度、厚度；E为铸钢(以铁、碳为主要元素的合金)的弹性模量；

当梁上的光纤Bragg光栅应力发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光栅Bragg信号的波长偏移，通过监测Bragg波长移动情况，可获得待测物理量的变化情况。光纤光栅的中心波长与应变的关系：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e)\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}=K_{\mathrm{\ϵ}}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}$

式中P_e为光纤材料的弹光系数；K_ε是光纤Bragg光栅的应变响应系数；Δε为应变变化量。

由以上各式可以得出流体的流速V与光纤Bragg光栅中心波长偏移Δλ_B的数学模型，即：

${\mathrm{\Δ\λ}}_B=\frac{n\·v^2\·sin\mathrm{\θ}\·{\cos }^2\mathrm{\θ}\·\mathrm{\ρ}\·{\mathrm{\θ}}_1\·R^3\·L\·(1-p)\·{\mathrm{\λ}}_B}{2\·d\·b\·h^2\·E}$

根据已建立的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅的中心波长的偏移计算出对应的流体的流速V，从而实现对管道内部流体流速的实时测量。

在已知管道内部流体的流向条件下，正反向流速的测量原理：

具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装的机械敏感机构为叶片，由流速V和光纤光栅中心偏移量Δλ_B的数学模型可知，当分别进行正向和反向流量测量时，光纤光栅中心波长偏移量与流量大小的关系曲线受其叶片偏转角θ影响。正向测量时，叶片偏转角为θ，其流速V和光纤光栅中心偏移量Δλ_B正的数学关系为：

而在进行反向流速测量时，叶片偏转角则变为其流速V和光纤光栅中心偏移量Δλ_B反的数学关系为：

因此，在已知管道内部流体的流向条件下，能够分别根据测量数据与相应的正反向流速标定曲线，实现对管道内部流体正反向流体流速的测量。

综上所述，本发明具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装利用扇形叶片感知液体流速，通过传力轴和钢丝将流量流速转换为对梁的拉力，进而转换为光纤光栅中心波长的偏移量。另外本发明采用整体隔离设计，相关测量元件及转换机构均与管道内部流体环境隔离，能够延长传感器封装的使用寿命，并提高测量精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，其特征在于：包括与被测液体管道固接的对接管道(10)和法兰(11)；安装于对接管道内部的用以感知液体流速的扇式叶片(1)；隔离箱(8)；安装于所述隔离箱(8)内部的传力轴(2)、固定配置于所述传力轴(2)上的套管(3)、钢丝(4)；安装于隔离箱(8)上表面的用以感受钢丝(4)拉力和梁(5)；固定于梁(5)上表面的光纤光栅；安装于对接管道(10)外侧的用于保护所述光纤光栅的保护罩(9)；所述扇式叶片(1)位于隔离箱(8)的外侧，所述传力轴(2)的一端延伸出所述隔离箱(8)外侧用于固定扇式叶片(1)，另一端在该传力轴(2)穿过隔离箱(8)的内部空间后通过轴承固定于隔离箱(8)上，所述钢丝(4)的一端固定连接于所述套管(3)，所述钢丝(4)的另一端固定于梁(5)的下表面中间位置，当液体以速度V流过扇形叶片(1)时，根据流体力学液体在叶片上产生摩擦阻力F_f，在摩擦阻力作用下使得叶片旋转，其旋转扭矩为T₁：

$F_f=C_f\·\mathrm{\ρ}\·\frac{V^2}{2}\·B\·L$

$T_1=\frac{n\·v^2\·sin\mathrm{\θ}\·{\cos }^2\mathrm{\θ}\·\mathrm{\ρ}\·{\mathrm{\θ}}_1\·R^3}{3}$

其中，C_f流体粘性的无因次阻力系数；B为叶片宽度；L为叶片沿流体运动方向的长度；n为扇形的叶片数；v为流体的流速；θ为叶片的偏角；θ₁为叶片的圆心角；ρ为流体的密度；R为叶片的半径；

叶片的旋转扭矩通过传力轴(2)使其套管(3)的钢丝(4)产生拉力F₁，拉力F₁作用于传力轴的力矩为T₂，则最终T₁和T₂将达到力矩平衡：

T₂＝F₁·d

T₁＝T₂

式中d为套管(3)的半径，钢丝上的拉力F₁作用于L两端固定的梁(5)的中点，使梁产生挠度变化，则其微应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{3\·F\·L}{2\·b\·h^2\·E}$

式中F为作用于梁上的力，L、b、h分别为梁的长度、宽度、厚度；E为铸钢的弹性模量；

当梁上的光纤Bragg光栅应力发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光栅Bragg信号的波长偏移，通过监测Bragg波长移动情况，可获得待测物理量的变化情况，光纤光栅的中心波长与应变的关系：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e)\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}=K_{\mathrm{\ϵ}}\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}$

式中P_e为光纤材料的弹光系数；K_ε是光纤Bragg光栅的应变响应系数；Δε为应变变化量；

由以上各式可以得出流体的流速V与光纤Bragg光栅中心波长偏移Δλ_B的数学模型，即：

${\mathrm{\Δ\λ}}_B=\frac{n\·v^2\·sin\mathrm{\θ}\·{\cos }^2\mathrm{\θ}\·\mathrm{\ρ}\·{\mathrm{\θ}}_1\·R^3\·L\·(1-p)\·{\mathrm{\λ}}_B}{2\·d\·b\·h^2\·E}$

根据已建立的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅的中心波长的偏移计算出对应的流体的流速V，从而实现对管道内部流体流速的实时测量。

2.如权利要求1所述的具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，其特征在于：所述光纤光栅包括传感光纤光栅(6)和温度补偿光纤光栅(7)，所述传感光纤光栅(6)的两端固定于梁(5)上表面，所述温度补偿光纤光栅(7)与传感光纤光栅(6)串联，所述传感光纤光栅(6)和温度补偿光纤光栅(7)处于同一温度场环境。

3.如权利要求2所述的具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，其特征在于：所述隔离箱(8)为一个上端面开口的箱体，梁(5)的两端焊接在隔离箱(8)上端。

4.如权利要求3所述的具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，其特征在于：所述传力轴(2)与轴承连接区域配置有专用于隔离的油封圈，所述隔离箱(8)的侧面上设置有专用于固定轴承的圆形孔。

5.如权利要求4所述的具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，其特征在于：所述保护罩(9)的左右两个侧面各设置有一圆形开孔，用以将光纤光栅通过尾纤与外部光纤光栅解调仪连接。