CN105841755A - 一种改进型光纤涡轮流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种改进型光纤涡轮流量计，由外壳1、前导流元件2、前轴承3、旋转涡轮4、后轴承5、光纤6、后导流元件7组成。通过设计涡轮流量计的旋转涡轮叶片12螺旋升角β为45°，前导流元件叶片10螺旋升角θ为45°，有效地增加旋转涡轮4的驱动力矩，实现始动流量的降低、量程比的拓宽和灵敏度的提高。另外，将光纤6密封于后导流元件叶片16内部，有效地避免流体对光纤探头端面8的污染，使流量计能长期可靠运行。对旋转轴14末端2 mm区域进行削平、镀银膜和开孔处理得到通孔11和旋转轴镀银膜面13，提供不同的反射率，将转速信号转化为脉冲变化的光信号，通过测量反射光脉冲频率实现涡轮转速的测量。

Description

一种改进型光纤涡轮流量计

技术领域

本发明涉及一种基于传统涡轮流量计的一种改进型光纤涡轮流量计，属于流量计量技术领域。

背景技术

涡轮流量计因其体积小、结构简单、价格便宜，被广泛地用在石油、医药、化工等领域，可实现水、油、酒类等管道的流量测量。同时，它又具有高精度、性能可靠等优点，可在航天等高科技领域中做校正元件。但涡轮流量计受量程比限制，存在较大死区，限制了其使用范围。因此，降低始动流量，扩大线性工作区，将是涡轮流量计提高性能，扩大应用范畴的重要措施。（文献1：谢胜秋，张世荣，黄书旺，“涡轮流量计始动流量的分析”， 传感器技术，2001，20（2）: 22-23）。

按信号检测方式，涡轮流量计主要分为电磁式和光纤式的。光纤式涡轮流量计由于采用光纤进行检测和传输，能有效地提高抗干扰能力，同时消除传统电磁式涡轮流量计磁阻力矩带来的影响（文献2：张晓钟，薛水发，奚晓春，“应用双光纤传感器的涡轮流量计结构、特性及试验研究”， 仪器仪表学报，1999，20（1）: 106-109）。传统的光纤式涡轮流量计，光纤探头端面直接与流体接触，易受流体污染而无法正常使用，降低了生产效率，增加了企业的生产成本投入（文献3：杜玉环，郭迎清，薛海东，张小栋，丁毅，“双圈同轴式光纤润轮流量计的智能化设计”，智能仪器与传感技术，2015，23（10）: 3563-3566）。

本发明基于传统涡轮测量原理，结合光纤传感器设计了一种改进型涡轮流量计。通过对导流片进行特殊设计，使在相同来流情况下涡轮叶片获得最大驱动力矩，同时将光纤置于后导流元件内部测量涡轮转速，避免流体对光纤探头端面的污染，同时避免电磁式涡轮流量计在涡轮转动时磁阻力矩的引入，降低了传统涡轮流量计的始动流量，拓宽了传统涡轮流量计的量程比并提高了传统涡轮流量计的灵敏度。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于满足实际工业生产中中小流量测量场合的需要，降低传统涡轮流量计的始动流量，拓宽其量程比和提高其灵敏度，以及解决传统光纤涡轮流量计光纤探头端面防污染问题，提出了一种改进型的涡轮流量计结构。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明提出一种改进型光纤涡轮流量计结构，由外壳1、前导流元件2、前轴承3、旋转涡轮4、后轴承5、光纤6、后导流元件7组成。在旋转涡轮叶片12螺旋升角β固定的情况下，使前导流元件叶片10具有一定的螺旋升角θ，以提高旋转涡轮4的驱动力矩，从而降低传统涡轮流量计的始动流量，提高传统涡轮流量计的量程比和灵敏度。为实现光纤探头端面8防污染，将光纤6密封于后导流元件叶片16内部，避免流体与光纤探头端面8接触。

上述方案中，所述的旋转涡轮叶片12的螺旋升角β为45°，前导流元件叶片10螺旋升角θ为45°，流体经过使流体能垂直作用于旋转涡轮叶片12上，有效地增加旋转涡轮4的驱动力矩，以实现始动流量的降低、量程比的拓宽和灵敏度的提高。

上述方案中，所述的光纤探头端面8由直径为250 μm的光纤6端面切平做成，光纤6由外壳1沿后导流元件叶片16内光纤固定孔17穿入至距离旋转轴镀银膜面13正上方1 mm处，并用环氧树脂胶固定。将距离旋转轴14末端2 mm区域削成一个边长为2 mm 的正方体，选取正方体与旋转轴14平行的一个面，在该面的中心处开一个通孔11，其直径为0.5 mm；再选取正方体中垂直于旋转轴开孔面C，并平行于旋转轴14的中轴线的两个平面进行镀银膜处理得到旋转轴镀银膜面13；当通孔11旋转到光纤探头正上方时，反射光强为最小，当旋转轴镀银膜面13旋转到光纤探头正上方时，反射光强最大，通过测量反射光脉冲频率实现涡轮转速的测量。

（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) 该改进型光纤涡轮流量计能有效提高传统涡轮流量计的驱动力矩，降低传统涡轮流量计的始动流量，提高传统涡轮流量计的量程比和测量灵敏度，满足实际工业生产中中小流量测量场合的需要。

2) 该改进型光纤涡轮流量计将光纤密封于后导流元件内部，能有效解决传统光纤涡轮流量计光纤探头端面防污染问题，提高流量计的使用寿命、降低成本。

附图说明

以下各图涡轮流量计的结构参数均与具体实施方式中相同：

图1为改进光纤涡轮流量计的整体结构示意图及其剖面图。其中，图中序号如下：1-外壳、2-前导流元件、3-前轴承、4-旋转涡轮、5-后轴承、6-光纤、7-后导流元件、8-光纤探头端面、A-流体入口、B-流体出口；

图2为前导流元件示意图。其中，图中序号如下： 9-前轴承安装孔，θ-前导流元件叶片螺旋升角、10-前导流元件叶片；

图3为旋转涡轮叶片示意图。其中，图中序号如下：11-通孔、12-旋转涡轮叶片、β-旋转涡轮叶片螺旋升角、13-旋转轴镀银膜面、14-旋转轴、C-旋转轴开孔面；

图4为后导流元件示意图。其中，图中序号如下：15-后轴承安装孔、16-后导流元件叶片、17-光纤固定孔；

图5为改进光纤涡轮流量计的速度矢量三角形示意图。V-进入流量计前流体速度方向，V^’-旋转涡轮后流体速度方向，rω-旋转涡轮角速度方向，U-为旋转涡轮叶片方向；

图6为角度系数G(θ)与前导流元件叶片螺旋升角β的关系曲线。

具体实施方案

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，对本发明的具体结构、原理以及优化过程作进一步的详细说明。如图1、图2、图3、图4所示，一种改进光纤涡轮流量计，包括外壳1，置于外壳1内的前导流元件2、前轴承3、旋转涡轮4、后轴承5、光纤6、后导流元件7。前导流元件2对流体起导向作用，使流体能够垂直作用于旋转涡轮叶片12上，使旋转涡轮4能够获得最大驱动力矩。后导流元件7起整流作用，减少经过旋转涡轮4后的旋转流体对安装于后面管道中器件的影响。前轴承3和后轴承5的内圈安装于旋转涡轮4的旋转轴14上，外圈分别安装于前导流元件轴承安装孔9和后导流元件轴承安装孔15内，前导流元件2和后导流元件7同时对旋转涡轮4起支撑作用。光纤6由外壳1沿后导流元件叶片16内光纤固定孔17穿入至距离旋转轴镀银膜面13正上方1 mm 处，并用环氧树脂胶固定。如图3所示，将距离旋转轴14末端2 mm区域削成一个边长为2 mm 的正方体，选取正方体与旋转轴14平行的一个面，在该面的中心处开一个通孔11，其直径为0.5mm；再选取正方体中垂直于旋转轴开孔面C，并平行于旋转轴14的中轴线的两个平面进行镀银膜处理得到旋转轴镀银膜面13。当通孔11旋转到光纤探头端面8正上方时，反射光强为最小，当旋转轴镀银膜面13旋转到光纤探头端面8正上方时，反射光强最大，通过测量反射光脉冲频率实现涡轮转速的测量。

如图5所示，在纯轴向来流的条件下，流体首先经过前导流元件，由于导流元件具有一定的偏角，流过导流元件的流体速度方向发生改变，变为与前导流元件叶片的螺旋升角。接着流体冲击旋转涡轮，旋转涡轮受力旋转，旋转速度与管道平均流速成正比，由光纤检测装置测出。最后流体经后导流元件的作用，速度方向恢复到最初的轴线方向。

在平衡状态时，即涡轮处于匀速旋转运动时，驱动力矩应与阻力矩相等，取为即：

(1)

式中为驱动力矩， 为所有阻力矩之和。

沿叶片高度方向，叶片微元面上受到的力矩为：

(2)

为作用在旋转涡轮叶片半径为r处的作用力。

此外，由动量定理可知：

(3)

式中为流体密度，为旋转涡轮螺旋升角，ω为旋转涡轮角速度。

从旋转涡轮叶片轮壳半径r₁到叶片顶端半径r₂对式（3）积分，得到旋转涡轮驱动力矩：

(4)

根据式（1）和式（4），可以得到涡轮旋转角速度：

(5)

则反射光脉冲频率可表示为：

(6)

式中，f 为反射光脉冲频率。

因此体积流量可表示为：为 Q_v：

(7)

式中，Q_v为体积流量，A为管道截面积。

根据式（5）、（6）和（7），体积流量可表示为：

(8)

当流量到达始动流量时，旋转涡轮启动。此时，它们的角速度很小，所以忽略流体阻力矩等其它阻力矩的影响，只考虑轴承阻力矩。因此，始动流量Q_Vs可以表示为：

(9)

设旋转涡轮旋转一周产生光脉冲信号个数为Z，流量计的灵敏度可表示为：

(10)

定义角度系数G(θ)为：

(11)

对角度系数求导，得：

(12)

令，得：

(13)

由高等数学极值定理可知，在其他参数确定的情况下及旋转涡轮叶片螺旋升角β确定的情况下，前导流元件叶片螺旋升角时，取极大值。此时，旋转涡轮获得最大驱动力矩，始动流量取得最小值，流量计灵敏度取得最大值。

如图6所示，旋转涡轮叶片螺旋升角β等于45°， 当前导流元件叶片的螺旋升角等于45°时，角度系数取得最大值。由式（4）、（9）和（10）可知，在其它条件固定的情况下（、r₁、 r₂、、V、ω、Z固定），旋转涡轮叶片螺旋升角β等于45°，当前导流元件叶片的螺旋升角等于45°时，始动流量取得最小值，流量计灵敏度取得最大值。

Claims (4)

1.一种改进型光纤涡轮流量计，包括外壳1，前导流元件2、前轴承3、旋转涡轮4、后轴承5、光纤6、后导流元件7，其特征在于：旋转涡轮叶片12的螺旋升角β为45°，前导流元件叶片10具有一定的螺旋升角，有效地增加旋转涡轮4的驱动力矩；将光纤6密封于后导流元件叶片16内部，并对旋转轴14的末端2 mm区域进行削平、开孔和镀银膜处理，提供不同的反射率，通过测量反射光脉冲频率实现涡轮转速的测量。

2.如权利要求1所述的一种改进型光纤涡轮流量计，其特征在于：前导流元件叶片10螺旋升角θ为45°，使流体能垂直作用于旋转涡轮叶片12上，以实现始动流量的降低、量程比的拓宽和灵敏度的提高。

3.如权利要求1所述的一种改进型光纤涡轮流量计，其特征在于：在距离流体出口B 30mm处开一个1.2 mm直径通孔17，将直径为250 μm的光纤6置于通孔17中，并用环氧树脂胶进行固定，光纤探头端面8距离旋转轴镀银膜面13正上方1 mm ，且前轴承3和后轴承5均采用防水密封轴承，避免光纤探头端面8与流体接触而受到污染。

4.如权利要求1所述的一种改进型光纤涡轮流量计，其特征在于：将距离旋转轴14的末端2 mm的区域削成一个边长为2 mm的正方体，选取正方体与旋转轴14的中轴线平行的一个面，在该面的中心处开一个通孔11，其直径为0.5 mm；再选取正方体中垂直于旋转轴开孔面C，并平行于旋转轴14的中轴线的两个平面进行镀银膜处理得到旋转轴镀银膜面13；当通孔11旋转到光纤探头端面8正上方时，反射光强为最小，当旋转轴镀银膜面13旋转到光纤探头端面8正上方时，反射光强最大，通过测量反射光脉冲频率实现涡轮转速的测量。