CN104197967A - 一种双圈同轴式光纤涡轮流量计及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双圈同轴式光纤涡轮流量计及测试方法，包括管道壳体、涡轮、导流架、双圈同轴光纤探头，涡轮与导流架固连，位于管道壳体内,管道壳体壁上有螺孔,双圈同轴光纤探头垂直于管道壳体轴线方向与管道壳体壁上螺孔配合,且位于涡轮轴向中间部位。双圈同轴光纤探头用于拾取涡轮叶片光脉冲信号，光强光纤垂直照射到涡轮表面，并由两组接收光纤接收反射光，通过两组接收光纤的光强比值计算光纤探头与涡轮的垂直距离。根据反射距离与光强比值的关系得出涡轮转动频率，并计算出流量值。光纤涡轮流量计采用反射式双圈同轴光纤探头，避免磁阻引起的误差，扩大了流量测量的量程比，其具有抗电磁干扰能力强，且提高了测量的精度。

Description

一种双圈同轴式光纤涡轮流量计及测试方法

技术领域

本发明属于流体测量光纤传感器技术领域，具体地说,涉及一种双圈同轴式光纤涡轮流量计及测试方法。

背景技术

在工业生产和日常生活中的诸多领域，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、涡街流量计。涡轮流量计是根据叶轮转速与流体流速成比例的原理测量流量；由于其压损小，精度高，现已广泛应用于石油、化工、航空和计量领域。但是传统的电磁式涡轮流量传感器容易受电磁干扰的影响，而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应用。在小流量区域，光纤涡轮流量计不存在内磁式涡轮流量计因叶片产生的磁阻而引起的误差；在高流量区域，能克服内磁式涡轮流量计的信号饱和的问题，因此具有较宽的量程。

目前将光纤技术应用于流量计的研究主要有两种:一种是光纤涡轮流量计；另一种是光纤涡街流量计。

在专利200720017049.3中公开了一种插入式光纤涡轮流量计，该光纤涡轮流量计包括光纤传感器、安装架、导流管、涡轮体、涡轮轴架及轴套，其中除了光纤传感器部分,其它部件与传统电磁式涡轮流量计结构基本相同，在光纤传感器的设计中，对于光纤探头的结构没有考虑光源的强度和相位易受现场因素影响，导致信号误检测。在专利201320063237.5中提出了一种光纤两相流量计，该光纤两相流量计是将光纤传感器与涡街流量计结合起来，通过测量光纤激光器的检测到的振动信号测量流量，保证了传感器在含有泥沙的情况下仍然可以正常工作。存在的缺陷是上下游必须有足够的直管段，以保证没有涡流对光纤感应部分产生影响。另一方面，由于这种方法入射光纤与接收光纤是装在管壁两侧；为了保证能接收到足够的光强，传感器部分管道直径必须足够小，导致其流量比一般只能达到1:10。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足,克服涡轮流量计精度低、量程比小的问题，本发明提出一种双圈同轴式光纤涡轮流量计及测试方法。其采用双圈同轴光强反射式光纤用于拾取涡轮叶片光脉冲信号；光强光纤垂直照射在涡轮表面，并由两组接收光纤用于接收反射光，通过两组接收光纤的光强比值计算光纤探头与涡轮的垂直距离；根据反射距离与光强比值的关系可得出涡轮的转动频率，计算出流量值。光纤探头应用非接触式光强光纤作为测量元件，并采用双圈同轴式的光纤排布方式，可有效地消除干扰因素对测量的影响，提高流量测量的精度，降低安装及信号接收的复杂度；同时，采用的反射式光纤，避免了磁阻引起的误差，能有效地扩大流量测量的量程比。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括管道壳体、涡轮、导流架、探头护套、双圈同轴光纤探头、发射光纤、内圈接收光纤、外圈接收光纤，涡轮与导流架固连,位于管道壳体内，管道壳体壁上有螺孔，双圈同轴光纤探头垂直于管道壳体轴线方向与管道壳体壁上螺孔固定配合,且位于涡轮轴向中间部位，双圈同轴光纤探头与涡轮叶片端的距离为0.075mm～1.075mm；所述双圈同轴光纤探头采用多模玻璃光纤，中心为发射光纤，同轴排列两圈为接收光纤，双圈同轴光纤探头外侧有探头护套，探头护套上前部有外螺纹。

利用双圈同轴式光纤涡轮流量计进行测试流体流量的方法，其特征在于步骤如下:

步骤1.通过接收光纤接收到的光进行光电转换并采集，得到两组接收光的光强比值M(z)，计算涡轮反射位移变化z与光强比值M(z)之间的关系，按以下公式进行:

$M\left(z\right)=\exp \left\{\frac{{-3\·d}^2}{{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}+\exp \left\{\frac{-2\·d^2}{{\mathrm{\σ}}^2{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}$

其中,d为入射光纤和接收光纤的轴间距，a₀为光纤束光纤的半径，θ₀为光纤的最大入射角，σ为表征光纤折射率分布的相关参数，ζ为与光源种类及光源和光纤耦合的相关调制参数；

步骤2.根据步骤1，涡轮转动时，每个叶片被扫过光线时，光纤端面到涡轮叶片表面之间的距离z最大，对应M(z)有极大值，即产生一个光脉冲信号，将光强进行光电转换后得到其比值M(z)，则频率f表示为:

$f=\frac{N}{n\·t}$

其中,n为涡轮的叶片数，t为测量时间，N为输出的脉冲数；

步骤3.根据步骤2中计算得到的涡轮转动频率f，涡轮流量计输出的信号频率脉冲f与通过涡轮流量计的体积流量q_v成正比，即得到体积流量q_v为:

q_v＝f/K

其中,K为涡轮流量计的仪表系数，1/L；在涡轮流量计的测量范围内，仪表系数不受流量变化的影响，固定为常数，其数值由实验结果获得。

有益效果

本发明提出的一种双圈同轴式光纤涡轮流量计及测试方法,采用光纤作为涡轮流量计拾取流量信号的关键部件。光强光纤垂直照射到涡轮表面，并由两组接收光纤接收反射光；光纤探头通过在管道壳体上的螺孔固定安装，并保证与管道壳体外部密封连接；接收光纤所接收的光通过光纤传递至高精度光电转换器进行处理。双圈同轴式光纤探头的光纤排列方式:中间为发射光纤，同轴紧密排列两圈接收光纤。双圈同轴光纤束采用光强比值法，可消除对光源功率波动和反射面反射率变化的敏感性因素对测量的影响。

本发明双圈同轴式光纤涡轮流量计及测试方法具有以下特点:

1.采用反射式光纤作为信号拾取元件，应用非接触式光电测量方法，可有效地抗电磁干扰；

2.采用双圈同轴光强反射式光纤，避免了磁阻引起的误差，提高了测量精度；而且能有效地扩大流量测量的量程比；

3.双圈同轴式光纤涡轮流量计结构简单、体积小、重量轻、抗干扰能力强并且精度可靠性高。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种双圈同轴式光纤涡轮流量计及测试方法作进一步详细说明。

图1为本发明双圈同轴式光纤涡轮流量计结构示意图。

图2为本发明双圈同轴式光纤涡轮流量计的双圈同轴光纤探头示意图。

图3为图2中双圈同轴光强反射式光纤的A向视图。

图4为图2中双圈同轴光强反射式光纤的C向视图。

图5为图2中双圈同轴光强反射式光纤的B向视图。

图6为图2中双圈同轴光强反射式光纤的D向视图。

图中:

1.管道壳体  2.涡轮  3.导流架  4.探头护套  5.双圈同轴光纤探头  6.发射光纤7.内圈接收光纤  8.外圈接收光纤

具体实施方式

本实施例是一种双圈同轴式光纤涡轮流量计及测试方法。

参阅图1～图6，本实例中双圈同轴式光纤的涡轮流量计，包括管道壳体1、涡轮2、导流架3、探头护套4、双圈同轴光纤探头5、发射光纤6、内圈接收光纤7、外圈接收光纤8，涡轮2与导流架3固定连接,安装在管道壳体1内；管道壳体1壁上有螺孔，双圈同轴光纤探头5垂直于管道壳体1轴线方向与管道壳体1壁上螺孔固定配合,且固定在涡轮2轴向中间部位；双圈同轴光纤探头5与涡轮叶片端的距离为0.075mm～1.075mm；双圈同轴光纤探头5采用多模玻璃光纤，中心为发射光纤6，同轴排列内圈接收光纤7和外圈接收光纤8。双圈同轴光纤探头5外侧有探头护套4,探头护套4上前部有螺纹。

本实施例管道壳体1采用合金材料是为保证在较高温度压力下的测量环境要求，以及封装壳体的强度和刚度要求。涡轮2和导流架3采用刚度强，密度小的合金材料制成，涡轮2和导流架3安装在同一轴线上，以保证光反射面为平面反射。

光强反射式光纤的入射光源根据光电转换器选择，本实施例中选择红光作为光源。并且入射光照入流体腔内的涡轮表面时可排除外界光源和干扰对传感器的影响。

本实施例利用双圈同轴式光纤涡轮流量计进行测试流体流量的方法，其步骤如下:

双圈同轴式光纤涡轮流量计工作时，当流体推动涡轮2旋转时，入射光纤6与涡轮2表面之间的距离周期性地发生改变，从而使内圈接收光纤7和外圈接收光纤8接收的光强发生变化。根据光强变化与距离变化之间的关系，计算所测涡轮转动频率f的大小，涡轮流量计输出的信号频率脉冲f与通过涡轮流量计的体积流量q_v成正比，即f＝Kq_v，得到体积流量q_v，

q_v＝f/K  (1)

其中,K为涡轮流量计的仪表系数，1/L；在涡轮流量计的测量范围内，仪表系数不受流量变化的影响，固定为常数，其数值由实验结果获得。涡轮流量计的仪表系数K的物理意义是单位体积流量通过涡轮流量传感器时传感器输出的信号脉冲频率f。

根据双圈同轴光纤探头的光纤束排列方式，将两组接收光纤接收到的光强进行比值处理，可得到光纤探头的输出特性调制函数的计算公式，即

$M\left(z\right)=\frac{I_{r2}}{I_{r1}}=\frac{{6I}_2+{6I}_3}{{6I}_1}---\left(2\right)$

式中:

M(z)为两组接收光纤束光强的比值；

I_r1表示第一组接收光纤束接收的光强/cd；

I_r2表示第二组接收光纤束接收的光强/cd。

通过式(2)两组接收光纤采集的光强的比值M(z)可以计算出应变位移发生的变化z，具体计算公式如下:

$M\left(z\right)=\exp \left\{\frac{{-3\·d}^2}{{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}+\exp \left\{\frac{-2\·d^2}{{\mathrm{\σ}}^2{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}---\left(3\right)$

通过式(3)可知，当光纤结构参数入射光纤和接收光纤的轴间距d，光纤束光纤的半径a₀，光纤的最大入射角θ₀一定时，光纤输出特性仅与光纤端面到涡轮叶片表面之间的距离z有关，而与光源强度、反射体的反射率、光纤的本征损耗和由弯曲所带来的附加损耗因素无关。

涡轮转动时，每个叶片被扫过光线时，光纤端面到涡轮叶片表面之间的距离z最大，对应M(z)有一个极大值，即产生一个光脉冲信号，将光强进行光电转换后得到其比值M(z)，则频率f表示为公式(4):

$f=\frac{N}{n\·t}---\left(4\right)$

其中,n为涡轮的叶片数，t为测量时间，N为输出的脉冲数；通过式(3)结合式(1)和式(4)计算出流体的流量。

Claims (2)

1.一种双圈同轴式光纤涡轮流量计，其特征在于:包括管道壳体、涡轮、导流架、探头护套、双圈同轴光纤探头、发射光纤、内圈接收光纤、外圈接收光纤，涡轮与导流架固连,位于管道壳体内，管道壳体壁上有螺孔，双圈同轴光纤探头垂直于管道壳体轴线方向与管道壳体壁上螺孔固定配合,且位于涡轮轴向中间部位；双圈同轴光纤探头与涡轮叶片端的距离为0.075mm～1.075mm；所述双圈同轴光纤探头采用多模玻璃光纤，中心为发射光纤，同轴排列两圈为接收光纤，双圈同轴光纤探头外侧有探头护套,探头护套上前部有外螺纹。

2.一种利用权利要求1所述的双圈同轴式光纤涡轮流量计进行测试流体流量的方法，其特征在于步骤如下:

步骤1.通过接收光纤接收到的光进行光电转换并采集，得到两组接收光的光强比值M(z)，计算涡轮反射位移变化z与光强比值M(z)之间的关系，按以下公式进行:

$M\left(z\right)=\exp \left\{\frac{{-3\·d}^2}{{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}+\exp \left\{\frac{-2\·d^2}{{\mathrm{\σ}}^2{a_0}^2{[1+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{2z}{a_0}\right)}^{3/2}\tan {\mathrm{\θ}}_0]}^2}\right\}$

其中,d为入射光纤和接收光纤的轴间距，a₀为光纤束光纤的半径，θ₀为光纤的最大入射角，σ为表征光纤折射率分布的相关参数，ζ为与光源种类及光源和光纤耦合的相关调制参数；

步骤2.根据步骤1，涡轮转动时，每个叶片被扫过光线时，光纤端面到涡轮叶片表面之间的距离z最大，对应M(z)有极大值，即产生一个光脉冲信号，将光强进行光电转换后得到其比值M(z)，则频率f表示为:

$f=\frac{N}{n\·t}$

其中,n为涡轮的叶片数，t为测量时间，N为输出的脉冲数；

步骤3.根据步骤2中计算得到的涡轮转动频率f，涡轮流量计输出的信号频率脉冲f与通过涡轮流量计的体积流量q_v成正比，即得到体积流量q_v为:

q_v＝f/K

其中,K为涡轮流量计的仪表系数，1/L；在涡轮流量计的测量范围内，仪表系数不受流量变化的影响，固定为常数，其数值由实验结果获得。