CN106093464B - 一种光纤差压风速传感器及应用 - Google Patents

一种光纤差压风速传感器及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤差压风速传感器及应用，该传感器包括外壳，在外壳内设置内外嵌套的端部封闭的两个圆周侧可伸缩的套管，内套管一端部与外套管的一端部之间设置传感器，在内套管与外套管之间的空腔内填充有液体以减小外界噪声影响；内套管与外套管中一个通过管路与文丘里管的圆筒段连接，二者中另一个通过管路与文丘里管的缩径段连接，以将流体穿过文丘里管产生的压力通过两个套管作用于传感器上，本发明通过双波纹管增敏结构，使传感器敏感度提高，降低了风速传感器的测量下限值；将光纤光栅置于内、外波纹管之间，避免与外界环境接触，延长了传感器的使用寿命，将内、外波纹管之间充满硅油，减轻了外界噪声对传感器测量精度的影响。

Description

一种光纤差压风速传感器及应用
技术领域
本发明涉及风速传感器技术领域，具体涉及一种光纤差压风速传感器及应用。
背景技术
风速测量技术在煤炭油田、航海航天、气象预报、电力系统等领域有广泛的应用。很多种风速传感器被投入使用，以解决实际问题。但对于环境恶劣的场合，机械风杯式和热线式风速传感器有自身的局限性，无法使用。目前，应用较广的差压风速传感器，该类传感器绝大多数属于电子传感器，受外界电磁干扰严重，在易燃易爆的环境下电子传感器自身就带有安全隐患；同时灵敏度较差，对于较低风速无法准确进行测量。
发明内容
针对上述问题，为了解决现有技术的不足，本发明提供一种光纤差压风速传感器，利用光纤光栅的应变原理进行风速的检测，通过双套管的设置，可有效避免光纤振动带来的干扰影响，测量灵敏度得到了提高，即使较低的风速也可以准确测量。
本发明提供的第一个方案是：
一种光纤差压风速传感器，包括：
外壳，在外壳内设置内外嵌套的端部封闭的两个圆周侧可伸缩的套管，内套管一端部与外套管的一端部之间设置光纤光栅，在内套管与外套管之间的空腔内填充有润滑液体以减小外界噪声影响；
内套管与外套管中一个通过管路与文丘里管的圆筒段连接，二者中另一个通过管路与文丘里管的缩径段连接，以将流体穿过文丘里管产生的压力通过两个套管作用于光纤光栅上。
所述套管为波纹管，波纹管为金属波纹管，具有耐压、抗腐蚀性能，抗震动性能好，采用内外嵌套的两个波纹管，实现同时向光纤光栅的两端施加压力，与普通差压传感器的光纤光栅受到两作用力之差相比，作用在光纤光栅的作用力增大，使传感器灵敏度增大，从而实现了0.3～0.5m/s低速风速下的测量。
内外波纹管产生形变的计算方法：
流体在文丘里管中运行时遵循能量守恒，根据伯努利方程：
Figure GDA0001084163620000011
Figure GDA0001084163620000021
式中p1、v1为传感器标定时提供的已知量，在截面1-1处不存在引压口，h1＝0。传感器作业时，水平固定，流体经前、后引压管作用分别作用在内、外波纹管上受力点位于同一高度，因此h2＝h3。结合传感器自身特点，受力点到文丘里管中心轴向的距离为5cm作用，当流体为空气时，由重力产生势能影响为ρgh2＝1.25×9.8×0.05≈0.6Pa，其作用可以忽略。
则：
Figure GDA0001084163620000022
可得：
Figure GDA0001084163620000023
即：
Figure GDA0001084163620000024
当流体流经管道时，在相同时间t内每个截面上的流量相同，可知：
v1*s1*t＝v2*s2*t
即：
Figure GDA0001084163620000025
则：
Figure GDA0001084163620000026
可得：
Figure GDA0001084163620000027
同理可得：
Figure GDA0001084163620000028
式中h1、h2、h3分别为作用力点到文丘里管中心轴线的距离；p1、p2、p3分别为图1中截面1-1、2-2、3-3处的压强；v1、v2、v3分别为截面1-1、2-2、3-3处的流速；D1、D2、D3分别1-1、2-2、3-3的直径；截面ρ为流体密度，g为重力加速度。
常温下金属波纹管可以看成弹簧，金属波纹管的弹性系数：
Figure GDA0001084163620000031
式中：m为波纹管层数(m＝1)，Dm为平均直径，E为杨氏模量，h为波纹管的波深，n为波纹管的波数，C2为腐蚀量(通常认为0)，Cf为系数，Sp为波纹管的波厚。
波纹管的总变形量为两个波纹管变形量之和：
Figure GDA0001084163620000032
光纤光栅波长变化可表示为：
Figure GDA0001084163620000033
式中，
Figure GDA0001084163620000034
s内和s外分别表示内、外波纹管和的受力面；pe为光纤光栅有效光弹系数，大约为0.22；
结合以上分析，传感器结构确定后将设计参数带入上式，可知m和n为常数，光纤光栅中心波长变化仅与速度有关，通过光纤光栅的测量结果带入上式即可求得风速。
进一步地，两个所述的套管一端部固定于外壳内一侧，外套管的一端部与外壳内另一侧间隔设定距离。
进一步地，为了消除温度对光纤光栅测量的影响，在所述外壳内设置有温度补偿光栅，以确保光纤光栅对应变的测量，温度补偿光栅的一侧通过设于外壳上的出纤孔悬挂于外壳内，在出纤孔内温度补偿光栅的圆周设置密封圈进行密封。
进一步地，所述液体为硅油，硅油的填充可有效减小外界噪声影响，使传感器达到高灵敏度，降低风速传感器的测量下限值。
进一步地，所述传感器在所述液体中通过密封件进行设置，光纤光栅置于内、外波纹管之间一个封闭的环境中，避免与液体接触，减小流体冲击对光纤光栅产生的振动影响。
进一步地，所述内套管与外套管一端部共同固定于一底座上，在底座上设有用于和外壳密封连接的螺纹凸台，和用于安装内、外波纹管的凹槽，以及用于连接引压管的螺纹孔，该底座与所述的外壳固定，内、外波纹管通过凹槽与底座固定后，再通过激光进行焊接。
进一步地，所述内套管与外套管均为铍青铜金属波纹管。
本发明提供的第二个方案如下：所述的一种光纤差压风速传感器在矿山环境下的应用，也可以应用于其他恶劣环境中。
本发明中传感器依据光纤光栅应变传感原理，将光纤光栅置于内、外波纹管之间的轴心方向；流体风经文丘里管在截面2-2和截面3-3产生压力，通过引压管将压力作用到内、外波纹管上，波纹管产生弹性形变进而使光纤光栅产生应变，使光纤光栅中心波长产生变化，从而确定流体速度。
本发明提供的第二种方案是：一种提高差压风速传感器测量灵敏度的方法，采用所述的光纤差压风速传感器。
本发明的有益效果是：
1)本发明通过双波纹管增敏结构，使传感器敏感度提高，降低了风速传感器的测量下限值。
2)本发明将光纤光栅置于内、外波纹管之间，避免与外界环境接触，延长了传感器的使用寿命。
3)本发明将内、外波纹管之间充满硅油，减轻了外界噪声对传感器测量精度的影响。
4)本发明传感元件为光纤光栅，抗雷击、不受电磁干扰。
附图说明
图1为本发明光纤差压风速传感器示意图；
其中，1.文丘里管，2.前引压管，3.后引压管，4.内波纹管，5.外波纹管，6.光纤光栅，7.外壳，8.波纹管底座，9.硅油，10.温度补偿光栅。
具体实施方式
下面结合说明书附图具体实施例对本发明作进一步的描述：
图1为本发明提供的一种光纤差压风速传感器的示意图；该光纤差压风速传感器包括：文丘里管1，前引压管2，后引压管3，内波纹管4，外波纹管5，光纤光栅6，外壳7，底座8，硅油9，温度补偿光栅10。
内、外波纹管为铍青铜金属波纹管；所述的内波纹管内径是10-12mm，外径是15-16mm，波距为2-3mm，波厚为0.1mm，波数为6-7；所述外波纹管内径20-22mm，外径是25-26mm，波距为2-3mm，波厚为0.1mm，波数为14-15。内、外波纹管自由端经特殊处理，壁厚2mm，所述外波纹管自由端同时开有注油孔；所述内、外波纹管同轴设置，一端对齐，另一端面之间相距20mm左右。
其中，文丘里管1和前引压管2和后引压管3之间通过螺纹连接，便于拆卸，为保证密封性，装配完成后打螺纹胶密封。前引压管2的另一端与底座8相连接，后引压管3的另一端与外壳7相连接。
如图1所示，传感结构为内、外双波纹管增敏结构，内波纹管4和外波纹管5的自由端分别用激光焊接一法兰，法兰的厚度为2mm，开有光纤固定孔；两光纤固定孔位于两波纹管的轴心线上，其间距为20mm左右；将光纤光栅6置于内、外波纹管之间，用硅氧树脂胶进行密封固定；温度补偿光栅10固定于出纤孔悬于外壳7内，避免温度交叉影响。密封固定之前对光纤光栅6进行预紧，同时通过外波纹管5上的注油孔注入硅油，硅油注满波纹管4与波纹管5之间的空腔后，将注油孔封住。
波纹管底座8上有凸起的螺纹，用于连接外壳7，同时还有放置内波纹管4和外波纹管5的凹槽，便于波纹管焊接固定。
外壳7采用不锈钢金属材料，其上有引压管连接孔和出纤孔，光纤光栅6的尾纤通过光纤固定孔与外部解调仪连接以解调光纤光栅的中心波长变化；外壳具有良好的气密性。
传感器依据光纤光栅应变传感原理，将光纤光栅置于内、外波纹管之间的轴心方向；流体风经文丘里管在截面2-2和截面3-3产生压力，通过引压管将压力作用到内、外波纹管上，波纹管产生弹性形变进而使光纤光栅产生应变，使光纤光栅中心波长产生变化，从而确定流体速度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。

Claims (7)

1.一种光纤差压风速传感器，其特征在于，包括：
外壳，在外壳内设置内外嵌套的端部封闭的两个圆周侧可伸缩的套管，内套管一端部与外套管的一端部之间设置光纤光栅，在内套管与外套管之间的空腔内填充有润滑液体以减小外界噪声影响；
内套管与外套管中一个通过管路与文丘里管的圆筒段连接，二者中另一个通过管路与文丘里管的缩径段连接，以将流体穿过文丘里管产生的压力通过两个套管作用于光纤光栅上；
两个所述的套管一端部固定于外壳内一侧，外套管的一端部与外壳内另一侧间隔设定距离；
所述套管为波纹管；
所述内、外波纹管同轴设置，一端对齐，另一端之间相距20mm，所述光纤光栅置于内、外波纹管之间的轴心方向，采用内外嵌套的两个波纹管，实现同时向光纤光栅的两端施加压力；波纹管产生的弹性形变使光纤光栅中心波长产生变化，从而确定流体速度。
2.根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，在所述外壳内设置有温度补偿光栅。
3.根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，所述液体为硅油。
4.根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，所述传感器在所述液体中通过密封件进行设置。
5.根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，所述内套管与外套管一端部共同固定于一底座上，该底座与所述的外壳固定。
6.根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，所述内套管与外套管均为铍青铜金属波纹管。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种光纤差压风速传感器在矿山环境下的应用。
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