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文档简介
1、摘 要AbstractFlow of industrial control and production is one of the important parameters. With the rapid development of modern industry, people on the flow measurement demand is higher and higher, prompting the flow measurement methods and gauge has been expanding rapidly. But the complexity of measu
2、ring objects, decide the flow measurement instruments in the complexity of the application technology.Optical fiber Bragg grating sensor is a kind of various parameters can measure the sensor, vortex flow meter is since 1970s, one of the most rapid development flow measurement way, it has simple str
3、ucture, range wide, measurement accuracy many characteristics, such as flow measurement is increasingly becoming one of the main ways, vortex flow meter has a wide range of applications and development space.This subject will fiber grating sensor vortex flow measurement theory and combining the basi
4、c theory, design a kind of new type of flow measurement device. This paper mainly through the principle of fiber grating sensor, vortex flow sensor principle analysis, design a set of fiber grating vortex flow sensor, its design including light source selection, detector design, signal separation fi
5、lter. Analysis of the sensor with other sensors measuring method of comparison analysis, the parameter.Keywords: optical fiber,Bragg grating sensor, flow measurement, vortex flow sensor.摘要IAbstractII目 录I第1章绪论11.1引言11.2研究背景11.3研究现状21.4光纤传感器的分类231.5研究目的意义及内容4第2章光纤光栅涡街流量传感原理62.1引言62.2光纤传感器的组成和基本原理62.3光
6、纤光栅传感器基本光学性质7光纤布喇格光栅传感器主要技术参量8长周期光纤光栅92.4涡街流量传感器原理102.5光纤光栅式涡街流量传感器原理11光纤光栅涡街流量传感器光路测量原理13检测系统构成及实现13光纤光栅涡街流量传感器光电信号转换原理14光电探测器原理142.6光纤损耗机理152.7本章小结16第3章流量测量方法研究以及参数分析173.1引言173.2工业计量中常用的几种流量计173.3涡街流量传感器193.4实验及参数分析23实验条件及装置23可能引起的误差253.5本章小结25第4章光栅光纤涡街传感器系统设计274.1引言274.2总体设计图274.3旋涡发生体284.4光纤的选择与
7、放置294.5光电探测器314.6光源选择324.7涡街流量信号处理电路设计32信号分离滤波器原理与设计33前置放大电路364.8本章小结36第5章总结与展望375.1总结375.2展望38参考文献41致谢42第1章绪论1.1引言光纤测量技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一种应用领域。光纤测量技术具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量等诸多优点,成为国际上发展最快的高科技应用技术之一,其应用领域已涉及到军事、公共安全、工农业生产等重要领域,并将继续扩大其应用范围。光纤分布式测量是伴随着光时域反射技术而发展起来的。最近十几年里,产生了一系列分布式测量系统,并在多
8、个领域得以逐步应用。目前这项技术已经成为光纤测量技术中的热点技术之一。1.2研究背景光纤是70年代为光通信而发展的一种新型材料,它主要是用玻璃预制棒拉丝成纤维,外直径仅100150m,他与其他材料相比,有许多独特的性能。11.3研究现状1.4光纤传感器的分类光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。1)功能型(全光纤型)光纤传感器2)非功能型(或称传光型)光纤传感器光纤仅起导光作用,只“传”不“感”,对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术,比较容易实现,成本低。但灵敏度也较低,用于对灵敏度要求不太高的场合。 3)拾光型光
9、纤传感器用光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。根据光受被测对象的调制形式形式:强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。1)强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化,而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗;各物质的吸收特性;振动膜或液晶的反射光强度的变化;物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象;以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点:结构简
10、单、容易实现,成本低。缺点:受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。2)偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器;利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器;利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器;以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊,因此灵敏度高。3)频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器
11、。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器;利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器;以及利用光致发光的温度传感器等。 4)相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或传播常数发生变化,而导致光的相位变化,使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化,通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量,从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器;利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器;利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光
12、纤赛格纳克(Sagnac)效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统,因此成本高9。 1.5研究目的意义及内容第2章光纤光栅涡街流量传感原理2.1引言13积小的特点外,还有可挠曲的优点,因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。 (4) 测量对象广泛。目前己有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。 (5) 对被测介质影响小,有利于在生物、医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。 (6) 便于复用,便于成网,有利于与现有光通信设备组成遥测网和光纤传感网络。 (7) 成本低。有些种类的光纤传感器的成本大大低于现
13、有同类传感器。2.2光纤传感器的组成和基本原理2.3光纤光栅传感器基本光学性质2.3.1光纤布喇格光栅传感器主要技术参量6 (2-1) , (2-2) (2-3) (2-4) 光栅吸收损耗复参数: (2-5)交叉耦合系数: (2-6)T=1-R (2-7) (2-8)(为光栅周期数) (2-9) (2-10)2.3.2长周期光纤光栅14 (2-11)其中,分别为纤芯和包层的折射率,为纤芯的热膨胀系数分别为纤芯和包层的有效弹光系数和热光系数。,相对折射率。于是 (2-12)其中于是,2.4涡街流量传感器原理涡街流量测量的基本原理是在与被测介质流向垂直的方向放置一非流线型阻流体(也称旋涡发生体),
14、流体流过该阻流体时,在阻流体后方两侧交替地分离释放出两列规则的交错排列的旋涡,即为卡门涡街(如图22)所示。如果在阻流体中安装传感器,就可以获取表征流体流量的信号,该信号的变化频率与旋涡的脱离频率一致。通过检测传感器输出信号的变化频率,就可以得到旋涡的分离频率在一定的雷诺数范围内(),旋涡的分离频率正比于管道内的平均流速 (2-13)卡门涡衔6图2-2卡门涡街式(211) 中, 斯特劳哈尔数,在雷诺数范围内是无量纲常数; f涡街频率,Hz ; V涡漩发生体两侧平均流速,m/s ; d旋涡发生体迎流面宽度,m; 管道内径为D,旋涡发生体迎流面宽度为d,当d/D<0.3时,旋涡发生体外的流通
15、面2-142-152-16当流量计的口径确定以后,d,D均为定值,并且在一定的流量范围内, 为常数,因此K也为常数(K称为装置系数),将K代入,有 (2-17)因此,只要测出窝衔分离频率f,即可得到流体的瞬时体积流量对一段时间间隔内的瞬时流量进行积分,就可以得到流体在这段时间内的累计体积流量。2.5光纤光栅式涡街流量传感器原理图2-3是我们提出的光纤光栅涡街流量探测器的示意图。通过将传感光纤光栅置于漩涡发生体后,并与管道形成一个悬臂梁结构来测量漩涡发生频率。漩涡在行进的过程中,会在漩涡发生体的下游产生一个垂直于管道轴线方向的升力,由于漩涡在漩涡发生体两侧交替产生,而且旋转方向相反,故作用于漩涡
16、发生体上的升力也是交替变化的。从而为悬臂梁提供使其产生振动的策动力,因此悬臂梁就发生了垂直于轴线方向对称的受迫振动。当悬臂梁的固有频率远远高于被测漩涡频率时,交替作用在漩涡发生体上的升力的变化频率等于漩涡的频率,而升力变化频率又与流体的振动频率相同,所以可以通过检测悬臂梁的振动频率来探测漩涡的频率,进而由公式(2-13)得到流体的流量。图2-3光纤光栅涡街流量探测器7光纤光栅的封装示意如图2-4所示,将传感光纤光栅FBG封装于钻有园孔的矩形不绣钢方钢内,并在固定芯杆上铣制一与传感光纤匹配的“V”型槽。将光纤用耐温粘接剂贴附其上,装配后用导热硅脂填充,构成悬臂梁形式的分离漩涡频率探测器。另外,由
17、于FBG光纤光栅具有对应力灵敏的光本征特性,经过特殊的封装处理后使该传感结构还能够对流速有良好的敏感探测性能。从而实现了用单一传感光栅对应变、流量场复合参数的同时测量。由于光纤光栅对流量和应变同时敏感,因此光纤传感器波长的总漂移量为: (2-18)其中:为流体旋涡震荡引起的波长漂移为流体温度变化引起的波长漂移,因为流体介质温度变化非常缓慢,因此为超低频(近似直流信号)分量。可通过信号处理电路中的由可编程有源滤波器信号通道分离回路来实现复合参量的同时测量。该测量原理将在下面章节中做详细介绍。图2-4 光纤光栅漩涡探测器装配示意图2.5.1光纤光栅涡街流量传感器光路测量原理基于Sagnac干涉解调
18、原理的光纤光栅涡街流量传感器光学解调系统原理如图2-5所示。光学解调系统采用环形腔的结构,其中环形腔的一段光纤为高双折射光纤(保偏光纤),腔中串接偏振控制器。由于高双折射光纤的快慢轴方向上的有效折射率不同,因此,不同偏振方向的光在高双折射光纤中的光程不一样,使环形腔内沿顺时针与逆时针两个方向的光产生光程差。这种方法,使得光程差仅与高双折射光纤的长度和有效折射率差有关。通过改变保偏光纤的长度,即可达到调节光程差的目的。根据光纤光栅耦合模理论,当由涡街流量传感器的旋涡发生体产生的规律性旋涡对由敏感FBG光纤组成的探测器的冲击,使得传感光栅得到响应,并因此将流量与温度参量信息通过传输光纤输出给后续的
19、电子解调系统,从而达到对流体工况流量的检测与计量。图2-5光纤光栅涡街流量传感器光学原理框图2.5.2检测系统构成及实现光纤光栅涡街流量传感器测量系统原理框图如图2-6所示。光纤光栅涡街流量传感器感测到的流量、温度复合信号,通过PIN光电转换形成电信号,通过高通滤波器和低通滤波器将信号分为交流信号和超低频波动信号。对分离后的信号进行分析,分别求解出温度和流速参数,从而实现了用单一光纤光栅同时测量复合参量的目的。另外在应用于测量蒸汽及热水的场合,利用计算机直接可以计算出管网输送的热量。这也是在今后的实际研究工作中所将要重点研究的问题之一。本设计将光纤传感器与传统的涡街流量测量原理相结合,使流量传
20、感器采用光纤光栅传感器检测漩涡频率,其独特的性能克服了传统涡街传感器的诸多不利因素,将极大地推动涡街流量传感器开拓应用。图2-6光纤光栅涡街流量传感器系统原理框图光纤光栅涡街流量传感器光电信号转换原理52.5.4光电探测器原理10m图2-7PIN光电二极管结构示意图PIN管中的本征层对提高器件灵敏度和频率响应起着十分重要的作用。设置本征层可加大耗尽层,加宽了光电转换的有效工作区域,使灵敏度得以提高。耗尽层的加宽也明显减小了结电容Cp,也改善了PIN管的动态频响。2.6光纤损耗机理 (2-19)2-20 (2-21)2 (2-22)低损耗是实现远距离光纤传输的前提。20世纪60年代拉制的光纤,其
21、损耗还只能达到1000dB/km的水平。1970年美国康宁公司第一次拉制处损耗为20dB/km的石英光纤,使人们看到了实现光纤通信的希望。70年代和80年代经过科技人员的努力,已使长波区域的损耗降到0.2dB/km的量级,它已接近光纤损耗的理论极限。2.7本章小结本章主要讲述了光纤光栅传感器的原理,涡街传感器原理光纤损耗机理,光纤涡街传感器光学原理,光电探测原理。将光纤和涡街流量传感器原理相结合,构造出光纤光栅涡街传感器的工作原理,适应更多的流量测量需求。第3章流量测量方法研究以及参数分析3.1引言为了满足各种测量的需要, 几百年来人们根据不同的测量原理, 研究开发制造出了数十种不 同类型的流
22、量计,大致分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等。各种类型的 流 量计 量原理、结构不同既有独到之处又存在局限性。为达到较好的测量效果,需要针对不 同的测量领域,不同的测量介质、不同的工作范围,选择不同种类、不同型号的流量计。由于流量检测对象的多样性和复杂性,流量检测的方法非常多,是工业生产过程常见参数中检测方法最多的。因此,流量检测方法的分类,是比较错综复杂的问题,目前还没有统一的分类方法。比较常用的的是按测量方法和结构分类的,有差压式,浮子式,容量式,涡轮式,电磁式,涡街式,超声式,热式等。本章主要介绍常用的几种。3.2工业计量中常用的几种流量计 (1)差压式流量计 差压式 流量计
23、是以伯努利方程和流体连续性方程为依据, 根据节流原理,当流体流经节流 件时(如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、经典文丘利嘴、文丘利喷嘴等),在其前后产生压 差,此差压值与该流量的平方成正比。在差压式流量计中,因标准孔板节流装置差压流量计 结构简单、制造成本低、研究最充分、已标准化而得到最广泛的应用。孔板流量计理论流量 计算公式为: (3-1) 式中, 为工况下的体积流量,单位;c 为流出系数,无量钢;=d/D,无量钢;d 为工况 下孔板内径,mm;D 为工况下上游管道内径,mm; 为可膨胀系数,无量钢;p 为孔板前 后的差压值,Pa;1 为工况下流体的密度,kg/m³。 对于天然气而言
24、,在标准状态下天然气积流量的实用计算公式为: (3-2)式中,qn 为标准状态下天然气体积流量,m³/s;As 为秒计量系数,视采用计量单位而定, 此式 As=3.1794×10 ;c 为流出系数;E 为渐近速度系数;d 为工况下孔板内径,mm;FG 为 相对密度系数, 为可膨胀系数;Fz 为超压缩因子; 为流动湿度系数;p1 为孔板上游侧 取压孔气流绝对静压,MPa;p 为气流流经孔板时产生的差压,Pa。差压式流量计一般由节流装置(节流件、测量管、直管段、流动调整器、取压管路)和差压计 组成,对工况变化、准确度要求高的场合则需配置压力计(传感器或变送器)、温度计(传感 器
25、或变送器)流量计算机,组分不稳定时还需要配置在线密度计(或色谱仪)等。缺点不足:这种测量方法精度普遍偏低,现场安装条件要求较高,损耗大。 (2)速度式流量计 速度式流量计是以直接测量封闭管道中满管流动速度为原理的一类流量计。 工业应用中主要有: 涡轮流量计:当流体流经涡轮流量传感器时,在流体推力作用下涡轮受力旋转,其转速 与管道平均流速成正比, 涡轮转动周期地改变磁电转换器的磁阻值, 检测线圈中的磁通随之 发生周期性变化,产生周期性的电脉冲信号。在一定的流量(雷诺数)范围内,该电脉冲信号 与流经涡轮流量传感器处流体的体积流量成正比。涡轮流量计的理论流量方程为: 式中 n 为涡轮转速;qv 为体
26、积流量;A 为流体物性(密度、粘度等),涡轮结构参数(涡轮倾 角、涡轮直径、流道截面积等)有关的参数;B 为与涡轮顶隙、流体流速分布有关的系数;C 为与摩擦力矩有关的系数。 (3-3)缺点不足:不能长期保持校准特性,流体物性对流量特性影响较大。要长期定时维护,而且不能广泛适用液体流量测量。时差式超声波流量计:当超声波穿过流动的流体时,在同一传播距离内,其沿顺流方向 和沿逆流方向的传播速度则不同。 在较宽的流量(雷诺数)范围内, 该时差与被测流体在管道 中的体积流量(平均流速)成正比。超声波流量计的流量方程式为: 式中,qf 为工况下的体积流量,m³/s;V 为流体通过超声换能器皿 1
27、、2 之间传播途径上的 声道长度,m;L 为超声波在换能器 1、2 之间传播途径上的声道长度,m;X 为传播途径上的 轴向分量,m;t1 为超声波顺流传播的时间,s;t2 为超声波逆流传播的时间,s。 速度式气体流量计一般由流量传感器和显示仪组成, 对温度和压力变化的场合则需配置压力 计(传感器或变送器)、温度计(传感器或变送器)、流量积算仪(温压补偿)或流量计算机(温 压及压缩因子补偿);对准确度要求更高的场合(如贸易天然气),则另配置在线色谱仪连续 分析混合气体的组分或物性值计算压缩因子、密度、发热量等。缺点不足:传播时间法只能用于清洁液体和气体;而多普勒法只能用于测量含有一定悬浮颗粒和气
28、泡的液体,切精度不高 (3)容积式流量计 在容积式流量计的内部, 有一构成固定的大空间和一组将该空间分割成若干个已知容积的小 空间的旋转体,如腰轮、皮膜、转筒、刮板、椭圆齿轮、活塞、螺杆等。旋转体在流体压差 的作用下连续转动, 不断地将流体从已知容积的小空间中排出。 根据一定时间内旋转体转动 的次数,即可求出流体流过的体积量。容积式流量计的理论流量计算公式: qf=n*V (3-4)式中,qf 为工况下的体积流量,m³/s;n 为旋转体的流速,周/s;V 为旋转体每转一周所排 流体的体积,m³/周。 在标准状态下, 容积式流量计的体积流量计算公式与速度流量计相同。 气体容积
29、式流量计属 机械式仪表,一般由测量体和积算器组成,对温度和压力变化的场合则需配置压力计(传感 器或变送器)、 温度计(传感器或变送器)、 流量积算仪(温压补偿)或流量计算机(温压及压缩 因子补偿)。3.3涡街流量传感器涡街流量传感器管道中的流体流过涡街发生体后,伴随漩涡形成和分离,在涡街发生体上受到的力合周围流体的流速、压力等会同步发生周期性的变化,根据这些现象进行漩涡频率检测,由公式可实现体积流量的测量。漩涡频率检测方法的优劣直接影响体积流量的测量精度,因此,在设计检测元件是必须考虑检测元件的性能,要求有较宽的动态工作范围和较快的响应特性,能适应各种工作条件(腐蚀、震动、高低温等),体积小,
30、不因它的安装而影响仪表的流量特性,工作可靠,造价合理等。目前,常用的漩涡频率检测元件及响应的检测方法主要有以下几种:(1)热敏式涡街流量计采用对流速敏感的热敏电阻作为漩涡频率的检测元件。热敏电阻是涡街流量计出现以来最早使用的检测元件。结构如图所示,热敏电阻置于涡街发生体底部或适当部位,当选我分离引起局部流速脉动,作用在热敏电阻上,使其电阻值发生变化,通过电子线路进行放大、滤波、整形后输出涡街脉冲信号,得到体积流量值这种测量方法灵敏度高,下限流速较低,对管道振动不敏感,单工作温度上限不高,当检测元件被流体沾污后,检测灵敏度会下降,甚至无信号输出,热敏电阻存在热滞后,频率响应范围小。虽然信号处理电
31、路简单,但由于岑在上述缺点,目前很少使用。(2)电容式涡街流量计电容式涡街流量计是涡街流量传感器中安装电容检测元件,它相当于一个悬臂梁,当漩涡产生式在两侧形成微小的压差,使振动体绕支点产生微小形变,从而导致一个电容间隙减少,另一个电容间隙增大,通过差分电路检测电容差值。当管道有振动时,不管振动是和方向由振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上,使振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上,使振动体与电极都在同方向上产生变形,由于设计时保证了振动体与电极的几何结构与尺寸相匹配,使它们的变形量一致,差动信号为零。这就是电容检测元件耐振性能好的原因。虽然由于制造工艺的误差,不可能完全消除振动的影响,但
32、还是大大提高了耐震性能。电容式涡街流量计的另一个有点事可耐高达400的温度。温度对电容检测元件的影响有两个方面:温度使电容间介电常数发生变化和电极的几何尺寸变化,这些导致电容值发生变化,另一方面由于温度升高金属热电子发射造成电容的漏电增大。试验证明,当温度升高至400时无论电容值变化或漏电流增大都不会形象仪表的基本性能。近年来,电容涡街流量计得到了迅速的发展,在测量范围、工作温度范围和抗振动性能等方面都明显改进。但是,如何适应脏污截止和腐蚀性截止的检测是它有待改进的地方(3)应力式涡街流量计以压电元件作为检测元件的应力式涡街流量计是目前应用最为广泛的一种涡街流量计。检测原理如图,在漩涡发生体内
33、埋置压电晶体,利用压电晶体对应力的敏感性检测所受到的交变应力来反映漩涡脱落频率。在图中,流体的流动方向垂直纸面,作用在漩涡发生体上面的交替推理频率与漩涡发声体发出的漩涡频率相同,这个力使漩涡发生体产生应力变化,由装在漩涡发生体内的压电元件检测出此应力的变化频率。交替推力的大小与流体流速的平方及流体的密度成正比,其关系如下: (3-5)式中交替推理的最大值,N无量纲系数U管道内流体的流速。m/s流体的密度/m³D管道内径,md漩涡发生体迎流方向的有效宽度,m压电元件上产生的平均盈利及电荷量Q如下:式中,K由漩涡发生体的形状与支撑方式所决定的常数,1/;压电元件的压电常数,C/NS压电元
34、件的面积,而交替应力游到的狡辩电荷的频率即为漩涡的频率,狡辩电荷信号经放大、滤波、整形后得到与漩涡频率相应的脉冲信号或电流信号,这类仪表的优点是响应快、信号强,可靠性较高。它目前涡街流量计的主要产品类型,已有系列化产品,广泛用于液体、气体或整齐流量的测量。但是,压电晶体检测法存在两个严重的问题,压电晶体对逛到的振动觉敏感,当流体或管道及管道附近有振动时,这种压电式涡街流量计就会产生很到的误差,甚至无法使用;其二是压电晶体长期使用的稳定性较差,特别是无法再高温下测量。近年来,国内外的仪表生产厂和研究工作这从传感器的结构设计,信号放大电路以及软件处理等角度做了大量的工作,在管道安装减震方式上采取一
35、些措施,去的了一些进展,但是都没有从根本上解决上述问题。(4)超声式涡街流量计超声式涡街流量计是在漩涡发生体下游管壁上对称安装超声波发射换能器和接受换能器,如图,发射换能器A将等副连续的高品胜博发射到流体中去,声波横穿流体传播,当选我涌过声束时,每一对旋转反相反的漩涡对声波产生一个周期的调制作用,受调制声波被接受探头B转换成电信号,经放大、检波、整形后得漩涡信号。这类仪表具有非接触测量且检测灵敏度较高,下线流速较低等优点,国内外对它都有较多的研究,但由于温度对声调制有影响,流场的变化及液体中所含的气派哦对测量影响较大,故该仪表只能使用于温度变化较小的气体和含量很小的液体流量测量。除了上述几种主
36、要的检测方法外,近年来又研究发展了一些新的检测方法,如光电式、光纤式、电磁式、电感式、和振动体式等。这些方法各有特点,但主要还在研究阶段,实际中很少使用。通过上面的评述可见,虽然涡街流量计漩涡频率检测方法较多,但存在着这样那样的不足之处。正是由于这写不足之处,促使着广大研究工作者不断地深入开展该领域的研究,不断地改进已有的方法,不断地思考采用新的技术。基于光纤光栅系统的涡街流量传感器基于光纤光栅的流体计量传感系统主要由光纤光栅传感器和高速波长解调仪两大部分组成,传感器包括:光纤光栅温度、压力和涡街流量传感器,传感器之间采用串联方式,构成波分复用网络。传感器结构见图1。位置1处表示光纤光栅温度传
37、感器,安装在一个钢管内部,由毛细钢管封装,直接测量管道中流体的温度,采用伸入管道内部的安装方式可以减少环境温度对流体温度测量的影响。位置1处的钢管还有将流体的压力引入到位置2处的压力传感器的用途,通过不锈钢封装的膜片式压力传感器实现对流体的压力传感。光纤光栅流量传感器直接通过不锈钢法兰安装在涡街产生装置上,在涡街产生装置的作用下,采集到涡街产生的频率,再通过高速动态波长解调仪,解调出光纤光栅的受力频率,即感测出涡街产生的频率,由涡街产生的频率就可以计算出流体的流速,通过流速又可以计算出流体的体积流量,由于通过卡门涡街原理测量流量与被测介质的压强和温度无关,所以只要计算出体积流量,就可以直接计算
38、出质量流量。信号解调是传感系统中的关键技术,传感解调系统的性能优劣直接关系到传感测试系统的设计及应用水平,是一个信息(能量)转换和传递单元,它能准确、迅速地捡拾出被测信息的作用量的大小并能高精度地仿真出被测信息随时间的变化过程。现有已报道的光纤光栅传感信号解调方案已有多种,如强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调及波长解调等。这些方案各有优势,适用于不同传感系统的需求。其中,波长解调技术以其具有将感测的信息进行波长编码、中心波长处窄带反射、不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点而倍受关注,并得到了广泛应用。因此,利用光纤光栅的优良特性,研发灵敏度高、信号损耗率低、稳定性
39、好的新型传感解调系统取代实验室中昂贵笨重的光谱分析仪,并适用于广泛工程系统的实测与监控,是光纤光栅传感系统研发重要途径。图3-1为纤栅式传感解调系统物理模型示意图,其中(a)为反射式模型,(b)为透射式模型。该模型包括光源(宽带谱、调谐谱、脉冲、激光等)、连接器(耦合器、环型器等)、传感光栅(FBG、LPG等)、探测器(光、光电等)等部分组a反射式模型b透射式模型图3-1纤栅式传感解调系统物理模型示意图12基于建构物理模型的需要必须测量区域的影响量作必要的简化,提取系统最基本的感测信息,示意模型中忽略光波在传输及接收过程中的色散效应。该物理模型由光源(宽带谱、激光、脉冲等)、连接器(耦合器、环
40、型器等)、传感光纤光栅(FBG、LPG等)、探测器(光、光电等)等几部分组成,其工作机理如下:光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅(单个、串集阵列等)被反射(或透射)。此时,若传感光栅受外场(应变场、温变场等)的作用(静态、准静态或时变),则外场通过对传感光栅的作用将光波调制。于是,带有外场信息的调制光被传感光栅反射(或透射)由连接器进入接收通道被探测器接收解调并输出。由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息,因而从对探测器检测出的光谱分布及相关变化分析,即可获取被测量的准确信息。比较上述两种测量方案,反射式测量模型的传感解调系统相对容易实现。3.4实验及参数分析流量传感器在设计制造完
41、成后,要通过流量校验装置的校验来检验设计制造的正确性和合理性。因为校验的结果如:流量传感器的线性度、基本误差等是指标与工程化产品的加工及装配质量密切相关的,另外还需要向用户提供流量计的仪表系数。实验条件及装置1)校验装置校验装置采用容积法标准实验装置(本实验采用体积管校验流量计),校验装置应符合以下要求:a流量范围应能覆盖被检流量范围;b装置测量精确度应至少小于被检流量计精确度的1 3,当大于1 3时必须考虑装置的误差;c校验的流体要与被检流量计的使用流体相适应,如液体用水、气体用空气和油品用柴油等;d装置要保证参考条件;e装置的试验管道系统应无泄漏;体积管校验流量计体积小,流量大。目前普通体
42、积管的有效容积为15 m³,其流量范围的上限值达200-3000m³/h,流量范围度40:1,示值校验时,体积管和被校流量传感器均通过电讯号同步进行处理。在一次流量测量中,被校流量计发出的脉冲应在以上,即为保证测量精度,每个脉冲的对应体积,应在标准体积的以内。校验时间短,效率高。体积管内表面液体残留量极小即标准体积复现性好。非常适用于在线校验,校验时不必切断液流,故利用该类装置对油及油品等输送管线流量计广泛使用它进行在线校验。1、7阀,2过滤消音器,3整流器,被测流量传感器,5温度计,6压力表,8调节阀,9止回阀,10检定探测器,11标准体积管可能引起的误差在实际应用中,传
43、感器检测到的脉冲是掺杂着噪声的阶梯波,在对其整形时噪声的存在可能会对脉冲的状态判断产生影响,引起误差。 采取以下措施可以减少杂波干扰:屏蔽信号传输线路,使零电平点良好接地, 在线路两端加隔直电阻;将传感器模拟地接地以削弱杂波的影响。一、流量传感器的基本误差E、线性度计算流量传感器的基本误差E二、流体不洁净误差流量传感器标定实验是根据以上指标要求进行的,通过对得到实验数据计算分析。实际情况下的流体很难如理论中的那么洁净,可能会含有固体颗粒或者油污及凝析物等杂质。含有固体颗粒的流体对涡街发生体和传感器的冲刷会产生与涡街信号无关的噪声,磨损旋涡发生体,从而使流量计测量值偏高,影响测量的准确性。当被测
44、介质含有粘性附着物时,污垢和沉积物附着于旋涡发生体迎流面,会使其形状和尺寸发生变化,使流量计测量值偏低,灵敏度降低。 因此,解决办法除了选择合适的旋涡发生体材料以降低磨损外,可以在上游安装过滤器或对装置定期检定,及时清理。三、流体温度变化引起的误差涡街流量计的壳体及旋涡发生体会受到热胀冷缩的影响,因此流通截面积会随流体温度变化,引入误差,可通过温度补偿加以解决。四、流速与粘稠度引起的误差在本文设计的光纤涡街流量测量系统中,当流速、粘度不符合测量条件时,会引入测量误差,为此在系统中设计了流体流速高、低限阈值报警。 如前所述,在较宽的流速范围内,斯特劳哈尔数St基本上为常数,与流体密度无关,但管内
45、流速分布却影响St的恒定性,从而也会影响到系统测量的精确性。3.5本章小结本章分析了热敏式、超声式、电容式等传统的流量传感器测流量方法以及存在的问题和局限,光纤光栅流量系统的优越性,尤其在光电补偿,调解中的作用,填补了涡街流量传感器的不足。第4章光栅光纤涡街传感器系统设计4.1引言光纤光栅具有纤细的结构易于制作各种形式的传感器件、天然的抗电磁干扰、适宜于在多种恶劣环境中工作、与光纤系统兼容性好、插入损耗低、波长编码不受光源的指标波动及连接或耦合损耗的影响等优异特点,现已发展成为光纤通信、光纤传感系统中极为关键的重要组成部分。随着光纤光栅紫外侧面写入制作技术的日臻完善及社会需求的持续增加,对光纤
46、光栅在光纤通信和光传感领域中的开发研究与拓展应用正被业界广泛关注。因此必须从物理概念、成栅机制、物理量测量传感器研制等方面对其进行深入研究,一些重要理论成果被陆续提出,并经过大量的科学试验探索加以应用与修正。涡街流量计由传感器和转换器两部分组成。传感器包括:旋涡发生体、检测元件等;转换器包括:前置放大器、滤波整形电路、数值处理电路、显示模块等4.2总体设计图4.3旋涡发生体旋涡发生体是涡街流量计的主要部件,仪表的流量特性和阻力特性都与它的几何参数和排列方式相关,对它的设计要求如下: (1) 能使旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离; (2) 在较宽雷诺数范围内,有稳定的旋涡分离点,保持恒定的斯特
47、劳哈尔数St; (3) 能产生强烈的涡街,信号的信噪比高; (4) 形状和结构力求简单,便于各种检测元件的安装和组合; (5) 材质满足流体性质的要求,耐腐蚀、耐冲刷、耐温度变化; (6) 固有频率远离涡街信号的频带。 到现在为止,旋涡发生体的几何参数仍无一套通用的理论计算公式,开发者需要通过大量实验确定它的形状和尺寸。现在已经开发出形状繁多的旋涡发生体,它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱,其他形状皆为这些基本形的变形。为提高涡街强度和稳定性,可采用多旋涡发生体,不过它的应用并不普遍。图4-1单旋涡发生体形状旋涡发生体是直接与被测流体接触的敏感元
48、件。对于柱体及结构,必须根据具体对象,综合各方面因素来选择,除了考虑涡街稳定性外,尚且需要注意系统的测量范围、准确度,与被测流体及流场适宜的结构和检测方法,以及阻力损失等等。在很多工业测量场合,往往是首先考虑如何选择适当的柱形和柱宽比(d/D)以尽可能的减小阻力损失,以及选择合理的检测方法以减少装置维修工作量。 旋涡发生体的阻力损失一般按局部阻力损失公式计算,即 (4-1)式中局部阻力系数(对三角柱=2.2,矩形柱=2.4); 被测流体的密度; v 管内流体平均流速。 光纤涡街流量传感器采用单旋涡发生体。它基于三角形旋涡发生体,采用具有棱边的梯形柱型,并且将旋涡发生体迎流面、背流面设计成和梯形
49、柱具有相同外接圆的圆柱面。4.4光纤的选择与放置光纤又称介质园波导,主要是由折射率高的纤芯和折射率低的包层构成。为了增加光纤的机械强度并保护不受外力的环境的影响,在包层外面有加上涂敷层和塑料外套。1、光纤的分类 按照传输模式来划分:光纤中传播的模式就是光纤中存在的电磁场场形,或者说是光场场形(HE)。各种场形都是光波导中经过多次的反射和干涉的结果。各种模式是不连续的离散的。由于驻波才能在光纤中稳定的存在,它的存在反映在光纤横截面上就是各种形状的光场,即各种光斑。若是一个光斑,我们称这种光纤为单模光纤,若为两个以上光斑,我们称之为多模光纤。单模光纤(Single-Mode) 单模光纤只传输主模,
50、也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。由于完全避免了模式色散,使得单模光纤的传输频带很宽,因而适用于大容量,长距离的光纤通讯。单模光纤使用的光波长为1310nm或1550nm。多模光纤(Multi-Mode) 在一定的工作波长下(850nm/1300nm),有多个模式在光纤中传输,这种光纤称之为多模光纤。由于色散或像差,因此,这种光纤的传输性能较差,频带较窄,传输容量也比较小,距离比较短。图4-2单模/多模光纤光线轨迹图 按照纤芯直径来划分:1. 50/125 (m) 缓变型多模光纤2. 62.5/125 (m) 缓变增强型多模光纤3. 8.3/125 (m) 缓变型单模光纤备注:50/62.5
51、/8.3m 均为光纤的光芯直径数,125m均为光纤玻璃包层的直径数。 按照光纤芯的折射率分布来划分:1. 阶跃型光纤 (Step index fiber),简称SIF;2. 梯度型光纤 (Graded index fiber),简称GIF;3. 环形光纤 (ring fiber);4. W型光纤表4-1光纤损耗项 目损 耗1、连接器类型:ST连接器 1.00dBFC和SC连接器0.5dB2、光纤类型:多模光纤 850nm3.03.5dB/km多模光纤 1300nm1.01.5dB/km单模光纤 1310nm0.350.4dB/km单模光纤 1550nm0.20.3dB/km3、接口类型:对接(
52、Butt)2.0dB机械连接 (Mechanical)0.5dB熔接 (Fusion)0.10.2dB4、配线板:2.0dB石英光纤是一种以高折射率的纯石英玻璃材料为芯,以低折射率的有机或无机材料为包皮的光学纤维。石英光纤传输波长范围宽,因此可适用于紫外到红外各波长光波信号及能量的传输;石英光纤还有具数值孔径大、光纤芯径大、机械强度高、弯曲性能好和很容易与光源藕合等优点,故在传感、光谱分析、过程控制及激光传输、激光医疗、测量技术、刑侦,信息传输和照明等领域的应用极为广泛。 本设计中采用专门的传感器用石英光纤,其光纤光透过率80%。光纤涡街流量计通过检测在涡街作用下输出光强度的变化,从而确定涡街
53、产生的频率,以达到流量检测的目的,因此,该流量计属于强度调制型光纤涡街流量计。 作为敏感元件的光纤横向穿过管道。光纤输入端加连续光源,在没有流体作用的情况下,输出端光强度不变。当有流体通过光纤时,涡街会对光纤产生横向作用力,使光纤微弯并受到周期性的振动,从而引起输出光强度的变化。 光纤受到振动的强弱对于信号的检测有着不可忽视的影响。因此需要在光纤尾端加可以引起光纤的张力的装置,增加光纤受到的张力并满足一定的条件对于减少噪声和谐振效应对测量的影响会有所帮助。因此在本设计中采用了加调节装置调节张力的办法来削弱噪声的干扰。见图23所示。根据有关文献推荐的经验值,我们将光纤放置在旋涡发生体后1015c
54、m处,因为这里是旋涡发生最强烈的地方,由此获取的振动频率值更精确。图4-3 光纤涡街流量计结构图4.5光电探测器在光接收机中,首先需要将光信号转换成电信号,即对光进行解调,这个过程是有光电探测器来完成的。由于光电探测器在光通信系统中起着十分重要的作用,因此对它的的性能有严格要求:1.要求它对工作波长(即光通信系统中所使用的光波波长)有较高的响应度,即在一定的入射光信号功率条件,探测器输出光电流要较大,这意味着探测器要具有较高的光电转换效率,或者有高的增益因子。2.探测器的带宽或者说其响应速度要快,以满足光通信系统告诉传输的要求。3.要求光电探测器引入的附加噪声小。光信号经过长距离传输后,由于各
55、种损耗已经变得十分微弱,噪声已相对较大。接收机的功能实际上是从噪声中提取信号,而光电探测器在光电转换过程中不可避免地引入噪声,这些噪声会被探测器后面的放大电路进一步放大而不可能被消除,这将严重劣化系统性能。因此,作为接收系统最前端的光电探测器的噪声为题,就成为十分关键的问题。4.好还要求光电探测器的线性度好、体积小、功耗小、稳定性好等。光纤通信系统使用的光电探测器主要有半导体PIN光电二极管、雪崩光电二极管4.6光源选择光纤传感器由于工作环境特殊,对于光源的选择有如下要求: (1) 体积小,便于和光纤耦合; (2) 光源发出的光波长应合适,以减少在光纤总传输的能量损耗; (3) 光源要有足够的亮度; (4) 光源的相干性好; (5) 光源稳定性好,能在室温下连续长期工作,噪声小,使用方便。 光源亮度是光源发光能力大小的综合标志,它定义为单
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