基于光频率调制的光纤涡街流量计的研究

第 20 卷 　第 4 期 2007 年 4 月 传 感 技 术 学 报 CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORS Vol . 20 　No. 4 Ap r . 2007 Study on the Optical2Fiber Vortex Flowmeter Based on the Light Frequency Modulation Theory W A N G Yu2t i an 3 , L I N X i ao2l i n , YA N G N i ( Inst it ute of Elect rical Engineering , Yanshan Universit y , Qinhuang dao, Hebei 066004 , China) Abstract :Along with the industry development , sometimes we must carry on the monitor under the flammable ex2 plosive environment to the fluid. There’s no the electric current flowing in the optical fiber , therefore the optical fi2 ber vortex flowmeter has the manifested superiority under the flammable explosive environment which it cannot be substituted. This paper unified the traditional vortex flowmeter and the modern optical fiber sensor technology , and a new optical2fiber vortex flowmeter is designed based on the light2frequency modulation principle . This flowmeter has so many characteristics such as the high precision , the quickly responding , the safe reliability under the flammable explosive environment . Then it introduced the improvement sensor structure and the hardware com2 position. It has overcome many insufficiencies of the traditional flowmeter. The feasibility and the validity of this method have been proved through the experiment . Key words :vortex folwmeter ; optical2fiber ; light2f requency modulation ; vortex shedder EEACC :7230E 基于光频率调制的光纤涡街流量计的研究 王玉田 3 ,林晓琳 ,杨　妮 (燕山大学电气工程学院 ,河北 ,秦皇岛 066004) 收稿日期 :2006205217 　　修改日期 :2006208204摘 　要 :随着工业的发展 ,有时要在易燃易爆环境下对流体进行监测. 光纤中由于没有电流的流动 ,因此光纤涡街流量计在易燃易爆的环境下体现了其不可替代的优势. 将传统的涡街流量计和现代的光纤传感技术相结合 ,设计了一种基于光频率调制原理的新型光纤涡街流量计. 该流量计具有精度高、响应快、在易燃易爆环境下具有安全可靠等特点. 对传感器结构和硬件组成进行了设计 ,克服了传统流量计的诸多不足. 并通过实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了该方法的可行性和有效性.关键词 :涡街流量计 ;光纤 ;光频率调制 ;涡街发生体中图分类号 :TP212 　　 文献标识码 :A 　　文章编号 :100421699( 2007) 0420790204　　随着物流和能流计量重要性的日益提高 ,对流量计的需求也迅速增长. 涡街流量计是利用流体在特定条件下流动时产生震荡 ,且震荡频率与流量成正比规律来测定流量的. 随着人们对光纤性能的深入研究 ,光纤传感器已经成为了最有前途的高新技术产业之一. 本文研究的光纤涡街流量计是振动体式涡街流量计的一种 ,使流量计采用光纤检测涡街频率. 由于光纤传感器具有抗电磁干扰、抗环境噪声、在易燃易爆环境下安全可靠、灵敏度高等特点 ,其独特的性能和灵活性克服了传统涡街流量计的诸多缺点 . 1 　基本原理被测流体经过旋涡发生体时 ,当流速增加到一定程度条件下 ,旋涡发生体的下游会产生两列旋转方向相反的并排旋涡.旋涡的释放频率与流速成正比f = St vb (1)其中 : f 为旋涡频率 ; v 为流体平均速度 ; St 为斯特罗哈尔数 ; b为旋涡发生体迎流面特征宽度. 旋涡发生体的迎流面特征宽度 b与管道宽度 D 和柱体迎流 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 速面宽度 d之间的关系可以 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为 b = (1 - 4 dπD) d. 当雷诺数 Re 在 2 ×104 ～ 7 ×106 的范围内 ,旋涡发 生体和管径尺寸确定以后 , St 值是一常数. 将式 (1) 整理得到 v = b St f (2) 设旋涡发生体与管道之间的流通面积是 s ,则流经管 道的流体的体积流量是 qv = sv (3) 将式 (2) 式代入式 (3) 式并整理得 qv = sbSt f = kf (4) 对于口径已经确定的流量计 , s , b均为确定值 ,当流 体的雷诺数Re 在2 ×104 ～7 ×106 的范围内 ,旋涡的 频率 f 和流量 qv 成正比 ,只要检测出旋涡的频率数就 可以知道被测流体的体积流量的大小[2 ] (参见图 1) . 图 1 　涡街流量计原理图 光纤涡街传感器的基本原理是旋涡作用于传 感光纤 ,进而对光纤输出光强进行调制 . 本设计将 传感光纤置于旋涡发生体后 ,用测量旋涡频率 . 旋 涡的发生会在旋涡发生体上产生一个垂直于管道 轴线方向的升力 , 由于旋涡在旋涡发生体两侧交 替发生 ,而且旋转方向相反 ,故作用于旋涡发生体 上的升力也是交替变化的 . 流体受到旋涡发生体 的反作用力 , 产生垂直于轴线方向上的振动 . 可 见 ,交替作用在旋涡发生体上的升力的变化频率 等于旋涡的频率 , 而升力变化频率又与流体的振 动频率相同 ,所以流体的振动频率就是旋涡的频 率 . 振动的旋涡序列在向下游移动的过程中作用 于被放置在旋涡发生体后的光纤之上 , 使之产生 频率相同的振动 [ 3 ] . 当光纤受到弯曲震动的时候 , 就会发生微弯损耗 . 由于光纤微弯损耗的存在 ,光 纤的输出光强受到调制 . 光强的变化与变形函数 有关 . 在光纤涡街流量计中 ,光纤的变形函数是与 旋涡频率相对应的周期函数 . 因此 ,光强的变化频 率也就是涡街的频率 . 2 　光纤涡街流量计系统设计 本文设计的涡街流量计由传感器和转换器两部 分组成. 传感部分包括 :旋涡发生体、检测元件、安装 架和法兰等. 转换器包括 :前置放大器、滤波整形电 路、单片机系统等. 2 . 1 　涡街发生体的设计 涡街发生体是涡街流量计的核心部件 ,与仪表 的特性密切相关. 为了产生强烈和稳定的涡街 ,并在 较宽的雷诺数范围内具有恒定的斯特劳哈尔数 ,以 保证仪表正常线性输出 ,涡街发生体具有一定的尺 寸、形状要求. 同时为了保证仪表运行的稳定性和寿 命 ,涡街发生体的自振应远离涡街的振动频率 ,以免 共振. 在设计结构时必须考虑涡街发生体柱体长度 方向上的旋涡同步分离的特性 ,才能保证旋涡的稳 定性. 实际上在管道的三维空间中 ,涡街发生体所产 生的是两列平行的柱状旋涡. 在有限流场中 ,由于管 道壁及端部效应 ,流速分布不均匀. 在圆形管道中 , 流速分布是一个旋转抛物面. 如在管道中插入一根 与流向垂直的柱体 ,则沿该柱体不同高度上的流速 是不同的 ,在柱体中间处流速最快 ,越靠近两端即管 壁 ,流速越慢. 因此旋涡分离的频率也不相同 ,柱体 中间部分分离频率高而两端低 ,也就是说漩涡分离 沿着柱长分层进行 ,层与层之间的旋涡相互制约 ,从 而难以建立稳定、规则的涡街. 因此要想产生稳定的 涡街 ,必须削弱管壁对旋涡的影响 ,对涡街发生体的 形状进行要求. 本文设计的光纤涡街流量计的涡街发生体在三 角柱的基础上做了改进. 采用具有棱边的梯形柱 ,并 将涡街发生体的迎流面和背面设计成和梯形具有外 接圆的圆柱面. 在直径为 40 mm 的管道中 ,本设计 的涡街发生体的形状如图 2 所示. 此涡街发生体的 尺寸如下 :三角形横截面的顶角θ= 19°, b = 14 . 78 mm , d = 11 . 2 mm , c = 1 . 45 mm , m = 2 . 02 mm , 此数据基本与经验值相符. 图 2 　涡街发生体 (平面图) 本文设计的光纤涡街流量计的传感光纤采用多 模光纤 ,考虑到第一列涡街产生的位置 ,将光纤置于 发生体后 10～15 cm[2 ] (见图 3) . 考虑到需要光源的能量比较大 ,以及光源与光纤 的高耦合性能 ,光纤传感器的光源采用方向性强、相 干性好、高亮度的激光管 ,波长为 0. 85μm. 光纤末端 用光电管接收经过调制的光信号 ,将光信号转换为电 信号 , 以便后续的转换显示电路进行进一步的处理. 197第 4 期 王玉田 ,林晓琳等 :基于光频率调制的光纤涡街流量计的研究 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 1.光纤 Y型分路器 ;2. 涡街发生体 ;3.传感光纤 ;4. 固定反光镜 图 3 　光纤流量传感器结构 2 . 2 　硬件电路设计 光纤涡街流量计的硬件电路主要包括 :光电检 测电路、放大 - 滤波 - 整形电路等. 在试验中 ,可构建用于模拟振动信号产生的模 型. 将光纤固定于振动架上 ,使用压电陶瓷作为振动 源 ,通过高压放大器驱动压电陶瓷 ,使固定架做周期 振动 ,从而模拟光纤的震动过程 ,实现光强的调制. 如图 4 所示. 图 4 　振动信号产生过程模型示意 2. 2. 1 　隔直放大电路 本设计采用隔直放大电路如图 5 所示. 选用的 PIN 管具有负极性 ,实现对原有信号进行反向放大. 图 5 　隔直放大电路 2. 2. 2 　低通滤波放大电路 因为光信号转换后所成的电信号及其微弱 ,可 以对信号进行二次放大. 本设计采用通用放大器 741 对信号进行二次放大. 而由于受到流体自身性 质的限制 ,流量计所测的有效频率信号是不超过 400 Hz 的低频信号 ,因而要滤去高频信号. 图 6 　低通滤波电路 2. 2. 3 　波形转换电路 整形电路通过 CJ 3011 精密电压比较器 ,将前 面的正弦信号通过比较转换成方波信号 ,实现 T TL 电平输出. 本设计中采用射极跟随电路 ,使信号具有 更强的驱动能力 (见图 7) . 图 7 　波形变换电路 由射极跟随电路输出的信号 ,进入单片机 ,进行 信号处理 (见图 8) . 图 8 　射极跟随器 3 　待测频率范围的估算和实验数据 前文理论分析得知 ,涡街的振动频率与光纤中光 强变化的频率相同. 由流体力学知 ,当雷诺数在 2 × 104～7 ×106范围内 ,St≈0. 20 ,我们可以估算涡街信 号的产生频率范围 ,这也是光强信号的频率范围. 需 要扩展下限流量时 ,按试验曲线可下延至 Re = 5 × 103 ,在 Re = 5 ×103 ～2 ×104 范围内 St 虽然不是常 数 ,但 Re 与 St 有对应数据 ,从而可以根据式 (4)求出 qv 与 f 之间的关系 ,因此可以进行测量. 故 Re ≥5 × 103 为流量计的可能测量范围.在此范围内 ,若非线性 误差允许时 ,也可以将 St 视为常数进行测量. 图 9 　St 与 Re 关系 由流体力学公式有 Re = v0 D υ (5) v0 ———管道内液体的平均流速 ; D ———管道直径 ;υ———液体的运动粘度. 根据流动的连续性原理 ,即伯努力方程 Fv = F0 v0 (6) 式中 : v0 ———管道内液体的平均流速 ; F0 ———漩涡发生体两侧的流通面积 ; v ———漩涡发生体两侧的流速 ; F ———管道流 297 传 　感 　技 　术 　学　报 2007 年 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 通面积. 将式 (5) 与 (6) 联立可得 v = F0 F Re ·υ D (7) 根据工程生产中的实际情况和具体要求 ,设计中 取 D = 40 mm , d = 11. 2 mm . d为涡街发生体迎流面 宽度 , 得 F =πD 2 4 = 1 256. 64 mm 2 , F0 = F - D ×d = 808. 64 mm .已知工业中常见流体在 20 ℃时的运动粘 度分别为 :石油为 8. 4 ×10 - 6 (m2 ·s - 1 ) ,水为 1. 007 × 10 - 6 (m2 ·s - 1 ) ,以水为例由式 (6) . (7)求得不同雷诺 数所对应的流速. Re = 5 ×103 时 , vmin = 0. 081 6 m/ s , f min = 1. 446 Hz. Re = 7 ×106 时 , vmax = 113. 40 m/ s ,但 是考虑到实际液体的平均流速 v0 一般不超过 20 m/ s , 则待测的频率极限为 357. 14 Hz. 实验中 ,以水为测量 对象 ,口径为 40 mm的管道中 ,光纤涡街流量计的信号 频率 和流体体积流量 qv 的实验结果如表所示. 表 1 　实验数据 频率 / Hz 理论值 / m3 ·h - 1 测量值 / m3 ·h - 1 相对误差 / % 14. 710 0 1. 543 1 1. 53 0. 86 35. 220 0 3. 694 7 3. 72 0. 68 51. 130 0 5. 363 7 5. 39 0. 50 73. 340 0 7. 693 6 7. 63 0. 83 90. 660 0 9. 510 5 9. 48 0. 32 110. 630 0 11. 605 4 11. 73 1. 06 131. 970 0 13. 844 1 13. 79 0. 39 154. 820 0 16. 241 1 16. 33 0. 54 172. 390 0 18. 084 2 18. 17 0. 47 192. 760 0 20. 221 1 20. 07 0. 75 208. 360 0 21. 857 6 21. 94 0. 38 225. 640 0 23. 670 3 23. 76 0. 39 243. 530 0 25. 547 0 25. 40 0. 57 267. 310 0 28. 041 6 28. 15 0. 39 　　从实验结果(图 10)来看 ,光信号的频率与流体的体 积流量之间存在着良好的线性关系 ,误差均在 1 %左右. 图 10 　实验数据图 4 　局限性 任何仪表都不是十全十美的 ,光纤涡街流量计 也不例外. 它的局限性主要体现在以下几个方面 :首 先是管道振动对其造成的影响. 管道振动对旋涡的 稳定分离和光纤敏感元件的振动都产了不同程度的 影响. 其次由于流体自身的性质 ,涡街流量计对于低 流速、低雷诺数流体的测量难以更好的实现. 第三 , 在测量静压低、高饱和蒸汽压液体是 ,要防止产生气 穴现象. 目前混相流和脉动流对涡街流量计的影响 尚在探索阶段 . 5 　结　论 本文设计的光纤涡街流量计是传统的涡街流量 计和现代光纤传感技术相结合的产物. 该设计结构 合理 ,电路简单、可靠. 由于光纤的引入 ,满足了易燃 易爆的环境下对流体进行监测的要求. 参考文献 : [ 1 ] 　姜德生. 我国光纤传感器的发展与产业化[J ] . 世界仪表与自 动化 ,2002 ,1 : 12215. 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