CN208155343U - 一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，属于光纤光栅检测传感器技术领域，包括保护外壳，在保护外壳的上方设置管道连接件，在保护外壳内设有流速应变转换元件，在保护外壳内的下方设有液位应变转换元件，在液位应变转换元件的上方设有液位敏感元件光纤光栅；在保护外壳内的一侧设置等强度悬臂梁，在等强度悬臂梁的下表面设置流速敏感元件光纤光栅；液位敏感元件光纤光栅和流速敏感元件光纤光栅与光纤尾纤分别相连；本实用新型的一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，实现了被测流体流速及其液位的同时测量，避免了被测液体未充满被测管道给流量测量带来的影响。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤光栅检测传感器技术领域，具体涉及一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器。
背景技术
流速/流量的精确测量在工业生产过程控制、能源计量、环境保护等方面起着相当重要的作用。
现今，使用最广泛是机械转子式流速测量仪，但其受限于机械结构，测量精度较低，而随后兴起的电磁流量计、超声波流量计和声学多普勒流量计测量精度较高，但其敏感测量为电子元器件，易受电磁辐射的影响。
光纤光栅因其测量精度高、不受电磁干扰而被广泛用来作为光栅流量传感器的敏感基元。
目前，光纤光栅流速传感器如具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装(CN 103913593B)、靶式光纤光栅流速计(CN 101995485A)多针对液体充满被测管道的背景下而提出的流速传感器，进而获得被测管道内部液体流量信息；这在被测液体尚未充满被测管道方面存在一定的应用局限性。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型的目的在于提供一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，可以实现被测流体流速及其液位的同时测量。
技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，包括保护外壳，在保护外壳的上方设置管道连接件，在所述的保护外壳内设有流速应变转换元件，在保护外壳内的下方设有液位应变转换元件，在液位应变转换元件的上方设有液位敏感元件光纤光栅；在保护外壳内的一侧设置等强度悬臂梁，在等强度悬臂梁的下表面设置流速敏感元件光纤光栅；所述的液位敏感元件光纤光栅和流速敏感元件光纤光栅与光纤尾纤分别相连。
在所述的管道连接件和保护外壳之间设置滤网。
所述的保护外壳和管道连接件通过对称设置的保护外壳固定件相连。
所述的流速应变转换元件为N个垂直风叶涡轮及中心转轴组成，其中N为正整数。
所述的等强度悬臂梁通过悬臂梁固定件与保护外壳连接。
在所述的保护外壳上设有光纤引出孔；所述的光纤尾纤经光纤引出孔引出。
所述的管道连接件的直径大于垂直风叶涡轮半径。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型的一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，通过设置流速应变转换元件及液位应变转换元件对流速敏感元件光纤光栅及液位敏感元件光纤光栅的分别调制实现了被测流体流速及其液位的同时测量，避免了被测液体未充满被测管道给流量测量带来的影响。
附图说明
图1为该液体流速及液位同采的光纤光栅传感器的剖视图；
图2为流速应变转换元件及等强度悬臂梁的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本实用新型做进一步的说明。
如图1-2所示，附图标记如下：流速应变转换元件1，液位应变转换元件2，液位敏感元件光纤光栅3，流速敏感元件光纤光栅4，等强度悬臂梁5，悬臂梁固定件6，滤网7，管道连接件8，光纤尾纤9，光纤引出孔10，保护外壳11，保护外壳固定件12，N个垂直风叶涡轮101(N为数值可调的正整数)，中心转轴102。
如图1所示，一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，该传感器主要包括：流速应变转换元件1、液位应变转换元件2、液位敏感元件光纤光栅3、流速敏感元件光纤光栅4、等强度悬臂梁5、悬臂梁固定件6、滤网7、管道连接件8、光纤尾纤9、光纤引出孔10、保护外壳11及保护外壳固定件12。其中，流速应变转换元件1由N个(N为数值可调的正整数)垂直风叶涡轮101及中心转轴102组成。
流速应变转换元件1与保护外壳11通过中心转轴102连接，液位应变转换元件2与保护外壳11连接，液位敏感元件光纤光栅3安置于液位应变转换元件 2上表面，流速敏感元件光纤光栅4安置于等强度悬臂梁5下表面，等强度悬臂梁5通过悬臂梁固定件6与保护外壳11连接，滤网7安置于管道连接件8内表面，光纤尾纤9与液位敏感元件光纤光栅3及流速敏感元件光纤光栅4连接，光纤引出孔10与保护外壳11相连，保护外壳11通过保护外壳保护外壳固定件12 与管道连接件8连接。等强度悬臂梁5与水平的垂直风叶涡轮101存在一定的交错长度。
流速应变转换元件1包括N个垂直风叶涡轮101(N为数值可调的正整数) 及中心转轴102组成，用于实现液体流速与涡轮101旋转转速之间转换。
液位敏感元件光纤光栅3置于液位应变转换元件2的上表面，用于实现液位应变转换元件2表面应变与其中心波长漂移之间的转换。
流速敏感元件光纤光栅4置于等强度悬臂梁5下表面，用于实现等强度悬臂梁5表面应变与其中心波长漂移之间的转换。等强度悬臂梁5实现涡轮101旋转转速与其表面应变之间的转换。
悬臂梁固定件6与保护外壳11相连，用于实现等强度悬臂梁5固定端的固定。
滤网7过滤被测液体中的杂质，避免杂质集聚影响该传感器对液体流速及液位的测量精度。
管道连接件8用于实现该传感器与被测管道的链接，其直径在大于垂直风叶涡轮101半径的范围内可调，用于满足不同的测量对象。
光纤尾纤9实现液位敏感元件光纤光栅3及流速敏感元件光纤光栅4光信号的传输，光纤引出孔10用于光纤的引出。保护外壳11用于实现传感器内部器件的保护。保护外壳固定件12用于实现管道连接件8及保护外壳11的连接。
该液体流速及液位同采的光纤光栅传感器的具体工作流程说明如下：
1)流速应变转换元件1在被测量液体流速作用下垂直风叶涡轮101发生旋转；
2)旋转的垂直风叶涡轮101对等强度悬臂梁5进行动态调制，调制频率由涡轮垂直风叶数量N及被测量液体，调制幅度受垂直风叶涡轮101与等强度悬臂梁5的交错长度影响。此时，等强度悬臂梁5的表面应变因旋转的垂直风叶涡轮101的影响而改变；
3)因流速敏感元件光纤光栅4置于等强度悬臂梁5下表面，由等强度悬臂梁5表面应变变化导致流速敏感元件光纤光栅4中心波长发生漂移；
4)光纤尾纤9通过光纤引出孔10将漂移后的流速敏感元件光纤光栅4的中心波长信息送至光纤解调仪，获取其中心波长信号，反演分析可得被测量液体流速信息；
5)液位应变转换元件2在被测量液体液位作用下，其表面应变发生变化。液位应变转换元件2表面应变的变化幅值主要受被测量液体液位的影响；
6)因液位敏感元件光纤光栅3置于液位应变转换元件2上表面，由液位应变转换元件2面应变变化导致液位敏感元件光纤光栅3中心波长发生漂移；
7)光纤尾纤9通过光纤引出孔10将漂移后的液位敏感元件光纤光栅3的中心波长信息送至光纤解调仪，获取其中心波长信号，反演分析可得被测量液体液位信息。
一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器可以通过反演分析液位敏感元件光纤光栅3及流速敏感元件光纤光栅4的中心波长信息可以获得被测量液体液位及流速的测量，避免了被测量液位不能充满被测管道而导致的液体流量测量误差。
该液体流速及液位同采的光纤光栅传感器的检测原理说明如下：
1)液体流速测量
假定垂直风叶涡轮101半径为R，传感器垂直风叶涡轮101与等强度悬臂梁 5的交错长度为x，当涡轮转过角度为θ时，等强度梁与涡轮风叶搓开。此时，悬臂梁发生的挠度为：
y＝Rsinθ, (1)
式(1)中y，θ分别为等强度梁与涡轮风叶搓开时等强度梁发生的挠度及涡轮转过的弧度。其中θ为：
由材料力学原理得，等强度悬臂梁自由端所受外力F时，其自由端的挠度y 为：
式(3)中L为等强度悬臂梁的长度，E为等强度悬臂梁材料的弹性模量，h 为等强度悬臂梁厚度，W为等强度悬臂梁固定端宽度。由于流速敏感元件光纤光栅4置于等强度悬臂梁5下表面，由等强度悬臂梁5自由端受外力F作用下其表面应变发生变化导致流速敏感元件光纤光栅4中心波长发生漂移。
由式(1)～(3)得，等强度梁与涡轮风叶搓开所需外界作用力为：
假设被测管道内液体密度为ρ，管道横截面积为S，中心转轴102为m1，半径为r，垂直风叶涡轮101质量为m2，横截面积为s，进而得涡轮转动惯量为
当流速应变转换元件1因受被测量液体流速冲击力转动时，垂直风叶涡轮 101与被测量液体的有效接触面积为：
假设被测量液体流速为v，流速应变转换元件1转动角速度为ω，流体经过流速应变转换元件1后流速为vˊ且vˊ＝Rω，垂直风叶涡轮101及中心转轴102 之间的摩擦力为f，针对垂直风叶涡轮101应用转动惯量守恒定理得：
ρSeff(v-v′)2R-FR-f摩·0＝J·ω. (8)
将式(6)、(7)带入式(8)整理得：
式(9)中ω＝2πf/N，其中f为通过FFT分析光纤解调仪所得流速敏感元件光纤光栅4中心波长的振动频率。
综上所述，通过反演分析该传感器流速敏感元件光纤光栅4中心波长的漂移信息可得被测量流速。
2)液体液位测量
假设被测量液体液位为h液，则其对液位应变转换元件2的作用力F液可表示为：
F液＝ρgh液 (10)
式中，ρ为被测管道内液体密度，g表示重力单位。
由弹性力学原理可得，在均匀外界压力F液的作用下，液位应变转换元件2 中心产生的径向应变ε为：
式(1)中，E2为液位应变转换元件2的弹性模量，υ2为液位应变转换元件2的泊松比，H2为液位应变转换元件2的厚度，R2为液位应变转换元件2的半径。
因液位敏感元件光纤光栅3置于液位应变转换元件2上表面，由液位应变转换元件2面应变变化将导致液位敏感元件光纤光栅3中心波长发生漂移。当液位敏感元件光纤光栅3只受到外界轴向均匀作用力时，液位敏感元件光纤光栅3 所受轴向应变与其中心波长漂移ΔλB之间的对应关系：
式(12)中，Pe为液位敏感元件光纤光栅3的有效弹光系数，λB为液位敏感元件光纤光栅3的中心波长。
将式(10)、(11)带入式(12)可得：
综上可得，通过反演分析光纤解调仪，获取的液位敏感元件光纤光栅3中心波长信号，可得被测量液体液位信息。
由上述该液体流速及液位同采的光纤光栅传感器检测原理的说明可得，本实用新型可以通过反演分析光纤解调仪采集所得液位敏感元件光纤光栅3及流速敏感元件光纤光栅4中心波长信息可以实现被测量液体流速及液位的同时测量。
Claims (7)
1.一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，其特征在于：包括保护外壳(11)，在保护外壳(11)的上方设置管道连接件(8)，在所述的保护外壳(11)内设有流速应变转换元件(1)，在保护外壳(11)内的下方设有液位应变转换元件(2)，在液位应变转换元件(2)的上方设有液位敏感元件光纤光栅(3)；在保护外壳(11)内的一侧设置等强度悬臂梁(5)，在等强度悬臂梁(5)的下表面设置流速敏感元件光纤光栅(4)；所述的液位敏感元件光纤光栅(3)和流速敏感元件光纤光栅(4)与光纤尾纤(9)分别相连。
2.根据权利要求1所述的一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，其特征在于：在所述的管道连接件(8)和保护外壳(11)之间设置滤网(7)。
3.根据权利要求1所述的一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的保护外壳(11)和管道连接件(8)通过对称设置的保护外壳固定件(12)相连。
4.根据权利要求1所述的一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的流速应变转换元件(1)为N个垂直风叶涡轮(101)及中心转轴(102)组成，其中N为正整数。
5.根据权利要求1所述的一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的等强度悬臂梁(5)通过悬臂梁固定件(6)与保护外壳(11)连接。
6.根据权利要求1所述的一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，其特征在于：在所述的保护外壳(11)上设有光纤引出孔(10)；所述的光纤尾纤(9)经光纤引出孔(10)引出。
7.根据权利要求1所述的一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的管道连接件(8)的直径大于垂直风叶涡轮(101)半径。
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