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
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
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
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H= 19°, b = 14. 78mm , d = 11. 2 mm, c = 1. 45 mm, m = 2. 02 mm ,此数据基本与经验值相符.
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. 85 Lm. 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.
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.
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.
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.
2. 2. 3 波形转换电路
整形电路通过CJ3011 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TT L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) .
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) .
3 待测频率范围的估算和实验数据
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.
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: 12-15.
[ 2] 王兴才. 涡街流量计的原理及其应用[ J] . 工业仪表与自动化装置, 1994, 5: 38-40.
[ 3] 王波, 莫德举. 光纤流量计的研制[ J ] . 北京化工大学学报,2004, 31( 2) : 86-90.
[ 4] Amad-i E chendu J E, H eng jun Zhu. S ignal Analysis Applied t oVort ex Flowment er[ J] . IEEE Transact ions on Inst rum ent ati onan d M easurement , 1996, 41( 6) : 1001-1004.
[ 5] Gam bling W A, M at sum ura H, Ragdale. Cur vature an d Microbending Losses in Singl e- mode Opt ical fib er [ J ] . Opt ical an dQuantum Elect roNIcs , 1979, 11: 62- 65.
[ 6] 张振东, 宗凤英. 光纤卡门涡街智能流量计[ J] . 工业计算机控制, 1994, 4: 30-31.
[ 7 ] Meng jianbo. Adapt ive Frequency M easurm ent For Vort exFlowmen ter Signal[ J] . 832- 835.
[ 8] 周晓军, 刘文达. 光纤流量计的稳定性分析[ J] . 电子科技大学学报; 1994, 1( 23) : 62-65.
[ 9] 姜仲霞, 姜川涛, 刘桂芳. 涡街流量计[ M] . 中国石化出版社;2006, 37-40.
