CN102279022A - 可同时测量温度、密度的光纤涡街流量计 - Google Patents

Abstract

可同时测量温度、密度、体积流量和质量流量的光纤涡街流量计，包括表体，涡街发生体，两个光纤布拉格光栅，两个光纤布拉格光栅分别经过传输光纤连接2x2光纤耦合器的两个输出端口，2x2光纤耦合器的一个输入端口连接宽带光源，另一个输入端口依次连接波长解调器和计算机，两个光纤布拉格光栅的波长和带宽满足：

，

、

分别为两个光纤布拉格光栅的中心波长，

、分别为3dB带宽。本发明采用双光纤布拉格光栅差动方法检测涡街频率，不仅具有波长编码和波分复用等特性，还可以同时测量流体温度、密度、体积流量和质量流量。具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、灵敏度高、重量轻、体积小、测量对象广泛、便于多点复用和组网远程测量等优点。

Description

可同时测量温度、密度的光纤涡街流量计

技术领域

 本发明涉及一种光纤涡街流量计，特别是一种可以同时测量流体温度、密度、体积流量和质量流量的多功能光纤涡街流量计，属流动测量及光纤传感技术领域。

背景技术

流量（包括体积流量和质量流量）是工业生产与控制以及人们日常生活中的一个重要参数。具有流量测量功能的仪表统称为流量计。由于被检测对象性质的不同以及检测对象的多样性和复杂性，流量的检测原理和装置也就不尽相同。较为常用的流量计有：浮子流量计、差压式流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声流量计、科里奥利流量计等。在这些种类的流量计中，因涡街流量计具有无运动部件、测量范围宽、精确度高、可以测量气体、液体和蒸汽的流量等特点而得到迅速的发展和应用。涡街流量计的原理是，在流体中垂直于流动方向，插入一根非流线形状物体，作为旋涡发生体，在一定的雷诺数范围内旋涡发生体的后面产生一个规则的振荡运动，即在旋涡发生体两侧将产生两列旋涡，方向相反，交替出现的旋涡，即卡门涡街。在一定雷诺数范围内，流量和涡街频率成线性关系，涡街频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关，只要测出涡街频率即可得到体积流量。根据涡街频率的检测的方法不同，涡街流量计又可以分为热敏式涡街流量计、电容式涡街流量计、应力式涡街流量计、超声式涡街流量计等多种。尽管检测涡街频率的原理和方法不同，上述各种形式的涡街流量计都在涡街频率的检测部分存在电信号，因此在有强电磁场存在的场合会对涡街频率的检测产生干扰，影响涡街流量计的正常使用。

另一方面，在很多实际应用中，需要对被测流体进行包括温度、密度、体积流量和质量流量在内的多参数同时测量。现有的技术方法是增加相应的传感器进行测量，比如，在涡街流量计中为得到流体的温度信息，需要增加一个温度传感器。再如，由普通涡街流量计测得是流体的体积流量，只有同时测得流体密度才能计算出质量流量，此时就需要有密度传感器。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有涡街流量计涡街频率检测易受外界环境、特别是强电磁场干扰，而且只能完成体积流量单一参数测量的不足，而提供一种可以同时测量流体温度、密度、体积流量和质量流量的多功能光纤涡街流量计。

本发明所涉及的光纤涡街流量计采用双光纤布拉格光栅差动方法检测涡街频率，不仅具有波长编码和波分复用等特性，还可以同时测量流体温度、密度、体积流量和质量流量。此外，本发明所涉及的光纤涡街流量计还具有如下优点，包括抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、灵敏度高、重量轻、体积小、测量对象广泛、便于多点复用和组网远程测量等。

本发明提供的可同时测量温度、密度、体积流量和质量流量的光纤涡街流量计，包括，表体，表体内设置的涡街发生体，涡街发生体两侧放置的两个光纤布拉格光栅，两个光纤布拉格光栅分别经过传输光纤连接2x2光纤耦合器的两个输出端口，2x2光纤耦合器的一个输入端口连接宽带光源，2x2光纤耦合器的另一个输入端口依次连接波长解调器和计算机，所述的两个光纤布拉格光栅的波长和带宽满足如下关系：

                                                             

其中

、

分别为两个光纤布拉格光栅的中心波长，、

分别为3dB带宽。

 

所述的两个光纤布拉格光栅按照差动方式分别固定在涡街发生体的两侧。

也可以将两个光纤布拉格光栅按照差动方式分别固定在涡街发生体下游设置的一个变形体的两侧，构成光纤涡街传感器。

 

本发明的测量过程及原理：

1．将中心波长分别为

、

，3dB带宽分别为

、

的两个光纤布拉格光栅分别固定在涡街发生体的两侧，所述光纤布拉格光栅的波长和带宽满足如下关系，安装光纤布拉格光栅的涡街发生体置入待测管流中，来流作用在涡街发生体上而产生涡街，当涡街由涡街发生体脱落时，对其产生方向交替改变的作用力，使涡街发生体产生变形，固定在涡街发生体两侧的光纤布拉格光栅之一受拉应力，其反射光波长变大；另一光纤布拉格光栅受压应力，反射光波长变小；输入的宽带光被两个光纤布拉格光栅依次反射，由波长解调器得到

、的动态变化值，并计算

，由

变化频率计算涡街频率和被测流体的体积流量；由

变化幅度计算被测流体的密度和质量流量；由

计算被测流体的温度；或是

2．将中心波长分别为

、

，3dB带宽分别为

、的两个光纤布拉格光栅分别固定在一个变形体的两侧，构成光纤涡街传感器，所述光纤布拉格光栅的波长和带宽满足如下关系，将光纤涡街传感器置入加有涡街发生体待测管流中，光纤涡街传感器在涡街发生体的下游，来流作用在涡街发生体上而产生涡街，涡街作用在光纤涡街传感器上，使之产生变形，固定在涡街传感器两侧的光纤布拉格光栅之一受拉应力，其反射光波长变大，另一光纤布拉格光栅受压应力，反射光波长变小；输入的宽带光被两个光纤布拉格光栅依次反射，由波长解调器得到、

的动态变化值，并计算，由

变化频率计算涡街频率和被测流体的体积流量；由

变化幅度计算被测流体的密度和质量流量；由计算被测流体的温度。

与现有技术相比，本发明所涉及的光纤涡街流量计具有如下显著的进步：

1．采用双光纤布拉格光栅差动方法，可以实现包括温度、密度、体积流量和质量流量在内的多参数同时测量。

2．采用全光纤设计可以实现测量现场无电信号，具有本征安全的特点，这对于易燃、易爆流体的测量是至关重要的。

3．利用光纤布拉格光栅的波分复用特性，可以进行多点连网测量和远程测量。

 

附图说明

       图1为光纤涡街流量计结构示意图。101为流量计表体；102为涡街发生体；103为来流方向；104、105为光纤布拉格光栅；106为2x2光纤耦合器；107、108为传输光纤；109为波长解调器；110为计算机；111为宽带光源。

图2为第一实施例中光纤涡街流量计水平剖面图，其中两个光纤布拉格光栅分别固定在涡街发生体的两侧。201为在涡街发生体下游产生的涡街。

图3为第二实施例中光纤涡街流量计水平剖面图，其中两个光纤布拉格光栅分别固定在一个变形体的两侧，而构成光纤涡街传感器。301为涡街发生体；302为变形体。

 

具体实施方式

       下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。本发明所涉及的光纤涡街流量计可以通过不同的形式加以实现。可以将双光纤布拉格光栅固定在涡街发生体的两侧，构成一种涡街发生体与涡街传感器合一的复合结构。或是将双光纤布拉格光栅固定在一个变形体的两侧，形成街发生体，加涡街传感器的分体结构。

 

实施例1：涡街发生体与涡街传感器合一的复合结构

如附图1所示，流量计表体101用不锈钢加工而成，其内径为25mm。涡街发生体102也由不锈钢加工而成，形状为圆柱形，直径为6mm。光纤布拉格光栅104、105采用高压载氢处理的SMF28标准单模光纤制成，光栅制作采用波长为244nm倍频Ar离子激光和相位模板，光栅长度为5mm。光纤布拉格光栅104的中心波长分别为1550nm，3dB带宽为0.2nm。光纤布拉格光栅105的中心波长分别为1552nm，3dB带宽为0.2nm。在涡街发生体102的两侧用线切割加工出两道0.5mm宽和0.5mm深的方槽，将光纤布拉格光栅104、105用强力防水粘接剂分别固定在涡街发生体102两侧的方槽内，光栅部分位于涡街发生体102端部20mm处，附图2为光纤涡街流量计水平剖面图。

由此制成涡街发生体与涡街传感器合一的复合结构，将其置入流量计表体101中，通过流量计表体101上的法兰盘将带有光纤布拉格光栅104、105的涡街发生体102固定并密封，构成光纤涡街流量计的表头部分。

宽带光源112为普通市售的ASE光源模块，其输出光谱范围为1520-1565 nm，输出功率为5 mW。2x2光纤耦合器106是普通通信波段的3dB光纤耦合器，传输光纤107、108为标准单模光纤。宽带光源111的输出与2x2光纤耦合器106的第一输入端口相连，2x2光纤耦合器106的第一输出端口和第二输出端口分别通过传输光纤107和108与固定在涡街发生体102上的光纤布拉格光栅104、105相连；2x2光纤耦合器106的第二输入端口与波长解调器109的输入端口相连。波长解调器109为北京品傲光电公司的PI101光纤传感解调仪，它通过网线与计算机110相连。

当被测流体沿附图中103所指示的方向流过光纤涡街流量计时，来流作用在涡街发生体102上而产生附图2中所示的涡街201，当涡街由涡街发生体102脱落时，对其产生方向交替改变的作用力，使涡街发生体产生变形，固定在涡街发生体两侧的光纤布拉格光栅104、105之一受拉应力，其反射光波长变大；另一光纤布拉格光栅受压应力，反射光波长变小；输入的宽带光被两个光纤布拉格光栅依次反射，由波长解调器109得到

、

的动态变化值，计算机110计算。

可由下式表示

，f为涡街频率。体积流量

，质量流量

，流体的温度，流体的密度

，其中，

，

，

均为仪表系数，由标定得到。计算机110根据仪表系数和所测得的涡街频率f、A和

计算得到被测流体的体积流量、质量流量、密度和温度。

 

实施例2：涡街发生体加涡街传感器的分体结构

       如附图1和附图3所示，本发明的第二种实施方式与第一种实施方式的区别在于，将加有两个光纤布拉格光栅的涡街传感器与街发生体301分离，构成涡街发生体加涡街传感器的分体结构。在此实施例中，将光纤布拉格光栅104、105用强力防水粘接剂分别固定在变形体302的两侧，由变形体302和光纤布拉格光栅104、105构成光纤涡街传感器。街发生体301采用三角柱结构，来流方向宽度为本6mm。变形体302采用厚度为0.5mm，宽度为本5mm的不锈钢片，光纤布拉格光栅104、105对称固定在变形体302的两个表面，如附图3所示。

       本实施例中使用的流量计表体101、光纤器件和其它器件均与实施例1一致，被测流体的体积流量、质量流量、密度和温度的计算方法也与实施例1中的被测流体的体积流量、质量流量、密度和温度的计算方法一致，在此不再另述。

 

本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。

Claims (4)

1.一种可同时测量温度、密度、体积流量和质量流量的光纤涡街流量计，包括，表体，表体内设置的涡街发生体，涡街发生体两侧放置的两个光纤布拉格光栅，两个光纤布拉格光栅分别经过传输光纤连接2x2光纤耦合器的两个输出端口，2x2光纤耦合器的一个输入端口连接宽带光源，2x2光纤耦合器的另一个输入端口依次连接波长解调器和计算机，其特征在于所述的两个光纤布拉格光栅的波长和带宽满足如下关系：

                                                             

其中

、

分别为两个光纤布拉格光栅的中心波长，

、

分别为3dB带宽。

2.根据权利要求1所述的可同时测量温度、密度、体积流量和质量流量的光纤涡街流量计，其特征在于所述的放置于涡街发生体两侧的两个光纤布拉格光栅之一受拉应力，其反射光波长变大，另一光纤布拉格光栅受压应力，反射光波长变小，输入的宽带光被两个光纤布拉格光栅依次反射，由波长解调器得到

、

的动态变化值，并计算，由

变化频率计算涡街频率和被测流体的体积流量；由

变化幅度计算被测流体的密度和质量流量；由

计算被测流体的温度。

3.根据权利要求1或2所述的可同时测量温度、密度、体积流量和质量流量的光纤涡街流量计，其特征在于两个光纤布拉格光栅按照差动方式分别固定在涡街发生体的两侧。

4.根据权利要求1或2所述的可同时测量温度、密度、体积流量和质量流量的光纤涡街流量计，其特征在于将两个光纤布拉格光栅按照差动方式分别固定在涡街发生体下游设置的一个变形体的两侧，构成光纤涡街传感器。

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