煤氣流量計(jì)的研究

摘  要： 研究出一種光纖傳感器與電磁渦流傳感器相結(jié)合的新型煤氣流量計(jì)，并給出理論模型和實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。煤氣流量計(jì)對(duì)旋渦發(fā)生體進(jìn)行了*設(shè)計(jì)，即將光纖嵌入到旋渦發(fā)生體內(nèi)部構(gòu)成光纖式升力檢測(cè)器。利用光纖的微彎損耗特性，檢測(cè)出流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體時(shí)產(chǎn)生的變動(dòng)升力大小，結(jié)合信號(hào)電極測(cè)量出的渦流頻率，由單片機(jī)計(jì)算出流體質(zhì)量流量。與其它煤氣流量計(jì)相比，光纖式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗*力強(qiáng)。以水為被測(cè)對(duì)象的實(shí)驗(yàn)證明，其測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差左1%以內(nèi)。

引言
      光纖技術(shù)在近20年獲得了飛速發(fā)展，據(jù)不*統(tǒng)計(jì)，利用光纖可以測(cè)量70多個(gè)物理量。煤氣流量傳感器具有測(cè)量范圍寬，度高，可以測(cè)量氣體、液體和蒸汽的流量等，近年來發(fā)展迅速，*已達(dá)到全部流量?jī)x表的8%左右。本文將光纖傳感器和新型渦流傳感器巧妙地結(jié)合起來，制成光纖式煤氣流量計(jì)。設(shè)計(jì)思路是利用光纖傳感器采集流體的變動(dòng)升力，渦流傳感器采集旋渦頻率，通過雙通道檢測(cè)原理，zui終得到質(zhì)量流量信號(hào)。由于光纖傳感器具有不受電磁干擾、可撓曲、耐腐蝕等一系列特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)流量計(jì)檢測(cè)變動(dòng)升力時(shí)的困難，所以光纖式質(zhì)量流量計(jì)必將獲得廣泛應(yīng)用。
1 測(cè)量機(jī)理
      光纖式煤氣流量傳感器的原理如圖1所示。
 

在充滿流體的管道中垂直于流體的流向上插入非線性物體（旋渦發(fā)生體）和信號(hào)電極，當(dāng)流體的流速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，在旋渦發(fā)生體兩側(cè)會(huì)交替釋放出兩列規(guī)則排列的旋渦，單列旋渦的頻率被測(cè)流體的平均流速存在如下的關(guān)系式：

式中v1為旋渦發(fā)生體和管道流通截面之間的平均流速，m/s；d為旋渦發(fā)生體迎流面的寬度，m；St為斯特勞哈爾數(shù)，無綱量，當(dāng)雷諾數(shù)Re>5x103時(shí)，St為常數(shù)。
      當(dāng)旋渦在發(fā)生體兩側(cè)形成以后，其流動(dòng)由兩部分組成，一方面平行于管道軸線運(yùn)動(dòng)；另一方面還在與管道軸線垂直的方向上振動(dòng)。根據(jù)湯姆生定律：沿封閉流動(dòng)流線上的環(huán)量不隨時(shí)間而改變。當(dāng)在旋渦發(fā)生體右（或左）下方產(chǎn)生一個(gè)旋渦以后，必須在其它地方產(chǎn)生一個(gè)相反的環(huán)量以使合環(huán)量為零，這個(gè)環(huán)量就是旋渦發(fā)生體周圍的環(huán)流。根據(jù)茹科夫斯基升力定律：由于此環(huán)量的存在，會(huì)在旋渦發(fā)生體上產(chǎn)生一個(gè)升力，該升力垂直于軸線方向，故稱之為橫向升力，其大小為

 FLf為橫向升力；CLf為橫向升力系數(shù)（無綱量），只與旋渦發(fā)生體形狀有關(guān)；ρ為被測(cè)流體密度，kg/m3；b為旋渦發(fā)生體在流動(dòng)方向上的投影寬度，m；D為管道直徑，m。
如將（2）式除以（1）式，則

其中±CLfbdD/2St=K為儀表系數(shù)。當(dāng)一臺(tái)儀表制造好后，為確定常數(shù)。
      從公式（3）可知，若同時(shí)能檢測(cè)出升力FLf和旋渦頻率f，并二者相除，則會(huì)得到質(zhì)量流量。顯然，問題關(guān)鍵是想辦法檢測(cè)出FLf和分得數(shù)值。
1.1 變動(dòng)升力的檢測(cè)
      由前式分析可知，當(dāng)流體作用在旋渦發(fā)生體側(cè)面時(shí)，會(huì)在發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)橫向升力。經(jīng)過多方案對(duì)比實(shí)驗(yàn)，筆者zui終采用了梯形旋渦發(fā)生體、齒形膜片和光纖傳感器一起感受橫向升力的大小，光纖升力檢測(cè)器（即實(shí)用的旋渦發(fā)生體）結(jié)構(gòu)如圖2所示。

光纖升力檢測(cè)器是一種以光纖作為傳感器的檢測(cè)器。當(dāng)橫向升力作用在旋渦發(fā)生體兩側(cè)膜片時(shí)，膜片產(chǎn)生變形位移，擠壓在旋渦發(fā)生體和膜片之間的光纖產(chǎn)生微彎效應(yīng)，光纖受到彎曲引起彎曲損耗使光纖輸出的光強(qiáng)度發(fā)生變化，從而測(cè)得橫向升力的大小。
由光波動(dòng)理論可推導(dǎo)出微彎損耗系數(shù)α的一階表達(dá)式

中u（t）為隨時(shí)間t變化的動(dòng)態(tài)振幅，即光纖的波狀彎曲幅度，受被測(cè)量控制；q為空間頻率，如光纖微彎變形函數(shù)的微彎周期（空間波長(zhǎng)）為Λ，那么Λ=2Π/q；K為比例系數(shù)；L為光纖產(chǎn)生微彎變形部位的長(zhǎng)度；△β為光纖中光波傳播常數(shù)差，對(duì)階越光纖△β=2δ-1/2/r；δ為相對(duì)折射率差，δ=（n12- n22）/2n12等；n1、n2分別為光纖纖芯和包層的折射率。再經(jīng)進(jìn)一步運(yùn)算可推導(dǎo)出光纖微彎損耗系數(shù)α為

式中B為振幅；α為振動(dòng)在光纖上的傳播速度；ω=2Πf（f 為渦流頻率）。（5）式表明了光纖在升力作用下的受力情況。
1.2 旋渦頻率的檢測(cè)
      由前面的分析和公式（1）可知，檢測(cè)出流體的振動(dòng)頻率即可求得旋渦分離頻率f，從而得到流速值。圖3是電磁法檢測(cè)旋渦頻率的原理圖，由旋渦發(fā)生體、信號(hào)電極、*磁鐵（選用稀土永磁材料釹鐵硼（Nd-Fe-B））等部分組成。
流經(jīng)旋渦發(fā)生體被發(fā)生體分離釋放的帶有旋渦的振動(dòng)流體向下游流去，振動(dòng)的流體作用于處在磁場(chǎng)中心的信號(hào)電極上，使信號(hào)電極產(chǎn)生同頻率的振動(dòng)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，在導(dǎo)體兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ex
      Ex=Bdv2     （6）
式中 Ex為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；d為信號(hào)電極直徑，m；V2為信號(hào)電極運(yùn)動(dòng)速度，m/s。
      感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ex是一個(gè)交替變化的μV級(jí)信號(hào)。它的變化頻率就等于旋渦的分離頻率f，而f 正比于v1。由此可見，測(cè)出信號(hào)電極上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ex的變化頻率f，就可以測(cè)出其體積流量qv。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
      根據(jù)前面的分析，對(duì)光纖式煤氣流量計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖4所示。它可分為光纖升力檢測(cè)系統(tǒng)和電磁渦流頻率檢測(cè)系統(tǒng)兩部分，其中光纖升力檢測(cè)系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體激光器、光纖升力檢測(cè)器、光電檢測(cè)器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)等部分組成。

首先，半導(dǎo)體激光器發(fā)出0.85μm波長(zhǎng)的激光，經(jīng)過耦合接頭進(jìn)入光纖升力檢測(cè)器。當(dāng)被測(cè)流體經(jīng)過旋渦發(fā)生體時(shí)，由于渦流在發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生變動(dòng)升力，升力作用在膜片上使光纖產(chǎn)生微彎變形，導(dǎo)致放大器接收到的光強(qiáng)度發(fā)生變化。然后，隨流量變化的光強(qiáng)度經(jīng)過光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成電壓由放大器放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)計(jì)算出變動(dòng)升力的大小。同時(shí)，信號(hào)電極檢測(cè)出旋渦頻率，經(jīng)放大器放大、濾波送入單片機(jī)，與獲得的升力進(jìn)行除法運(yùn)算以顯示質(zhì)量流量的大小。
3 實(shí)驗(yàn)
      在完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)所設(shè)計(jì)的40mm口徑的煤氣流量計(jì)在水實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。無論是電磁法檢測(cè)旋渦頻率f 的實(shí)驗(yàn)，得到電極振動(dòng)頻率陽流體體積流量qv的測(cè)量結(jié)果，還是光纖式升力檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。從結(jié)果來看，信號(hào)電極振動(dòng)頻率，與水的體積流量qv存在很好的線性關(guān)系（見圖5），理論公式和測(cè)量結(jié)果曲線之間*吻合，變動(dòng)升力FLf和流量Kρv12 的結(jié)果均很理想。與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，該流量計(jì)的相對(duì)誤差小于1%。
4 結(jié)論
      本文論述了一種新型的煤氣流量計(jì)，詳細(xì)介紹了其測(cè)量原理，對(duì)主要的敏感元件進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，給出了整個(gè)硬件系統(tǒng)的組成，完成了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。通過zui終實(shí)驗(yàn)得知，采用電磁法檢測(cè)旋渦頻率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，測(cè)量精度高，抗振動(dòng)干擾性能*。將光纖放在旋渦發(fā)生體中利用膜片感受升力大小的結(jié)構(gòu)十分巧妙，不僅克服了傳統(tǒng)渦流流量計(jì)測(cè)量變動(dòng)升力時(shí)的困難，而且只需通過運(yùn)算就解決了流體質(zhì)量流量檢測(cè)的問題。把光纖傳感器與電磁渦流傳感器相結(jié)合，通過雙通道檢測(cè)原理得到質(zhì)量流量信號(hào)的測(cè)量方法，可以說在流體煤氣流量測(cè)量領(lǐng)域開辟了一條新的途徑，必將擁有廣闊的前景。

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