煤气流量计的研究

摘  要： 研究出一种光纤传感器与电磁涡流传感器相结合的新型煤气流量计，并给出理论模型和实际系统结构。煤气流量计对旋涡发生体进行了*设计，即将光纤嵌入到旋涡发生体内部构成光纤式升力检测器。利用光纤的微弯损耗特性，检测出流体流经旋涡发生体时产生的变动升力大小，结合信号电极测量出的涡流频率，由单片机计算出流体质量流量。与其它煤气流量计相比，光纤式质量流量计结构简单，抗*力强。以水为被测对象的实验证明，其测量结果的相对误差左1%以内。

引言
      光纤技术在近20年获得了飞速发展，据不*统计，利用光纤可以测量70多个物理量。煤气流量传感器具有测量范围宽，度高，可以测量气体、液体和蒸汽的流量等，近年来发展迅速，*已达到全部流量仪表的8%左右。本文将光纤传感器和新型涡流传感器巧妙地结合起来，制成光纤式煤气流量计。设计思路是利用光纤传感器采集流体的变动升力，涡流传感器采集旋涡频率，通过双通道检测原理，zui终得到质量流量信号。由于光纤传感器具有不受电磁干扰、可挠曲、耐腐蚀等一系列特点，克服了传统流量计检测变动升力时的困难，所以光纤式质量流量计必将获得广泛应用。
1 测量机理
      光纤式煤气流量传感器的原理如图1所示。
 

在充满流体的管道中垂直于流体的流向上插入非线性物体（旋涡发生体）和信号电极，当流体的流速达到一定数值时，在旋涡发生体两侧会交替释放出两列规则排列的旋涡，单列旋涡的频率被测流体的平均流速存在如下的关系式：

式中v1为旋涡发生体和管道流通截面之间的平均流速，m/s；d为旋涡发生体迎流面的宽度，m；St为斯特劳哈尔数，无纲量，当雷诺数Re>5x103时，St为常数。
      当旋涡在发生体两侧形成以后，其流动由两部分组成，一方面平行于管道轴线运动；另一方面还在与管道轴线垂直的方向上振动。根据汤姆生定律：沿封闭流动流线上的环量不随时间而改变。当在旋涡发生体右（或左）下方产生一个旋涡以后，必须在其它地方产生一个相反的环量以使合环量为零，这个环量就是旋涡发生体周围的环流。根据茹科夫斯基升力定律：由于此环量的存在，会在旋涡发生体上产生一个升力，该升力垂直于轴线方向，故称之为横向升力，其大小为

 FLf为横向升力；CLf为横向升力系数（无纲量），只与旋涡发生体形状有关；ρ为被测流体密度，kg/m3；b为旋涡发生体在流动方向上的投影宽度，m；D为管道直径，m。
如将（2）式除以（1）式，则

其中±CLfbdD/2St=K为仪表系数。当一台仪表制造好后，为确定常数。
      从公式（3）可知，若同时能检测出升力FLf和旋涡频率f，并二者相除，则会得到质量流量。显然，问题关键是想办法检测出FLf和分得数值。
1.1 变动升力的检测
      由前式分析可知，当流体作用在旋涡发生体侧面时，会在发生体两侧产生一个横向升力。经过多方案对比实验，笔者zui终采用了梯形旋涡发生体、齿形膜片和光纤传感器一起感受横向升力的大小，光纤升力检测器（即实用的旋涡发生体）结构如图2所示。

光纤升力检测器是一种以光纤作为传感器的检测器。当横向升力作用在旋涡发生体两侧膜片时，膜片产生变形位移，挤压在旋涡发生体和膜片之间的光纤产生微弯效应，光纤受到弯曲引起弯曲损耗使光纤输出的光强度发生变化，从而测得横向升力的大小。
由光波动理论可推导出微弯损耗系数α的一阶表达式

中u（t）为随时间t变化的动态振幅，即光纤的波状弯曲幅度，受被测量控制；q为空间频率，如光纤微弯变形函数的微弯周期（空间波长）为Λ，那么Λ=2Π/q；K为比例系数；L为光纤产生微弯变形部位的长度；△β为光纤中光波传播常数差，对阶越光纤△β=2δ-1/2/r；δ为相对折射率差，δ=（n12- n22）/2n12等；n1、n2分别为光纤纤芯和包层的折射率。再经进一步运算可推导出光纤微弯损耗系数α为

式中B为振幅；α为振动在光纤上的传播速度；ω=2Πf（f 为涡流频率）。（5）式表明了光纤在升力作用下的受力情况。
1.2 旋涡频率的检测
      由前面的分析和公式（1）可知，检测出流体的振动频率即可求得旋涡分离频率f，从而得到流速值。图3是电磁法检测旋涡频率的原理图，由旋涡发生体、信号电极、*磁铁（选用稀土永磁材料钕铁硼（Nd-Fe-B））等部分组成。
流经旋涡发生体被发生体分离释放的带有旋涡的振动流体向下游流去，振动的流体作用于处在磁场中心的信号电极上，使信号电极产生同频率的振动。根据法拉第电磁感应定律：导体在磁场中运动切割磁力线，在导体两侧会产生感应电动势Ex
      Ex=Bdv2     （6）
式中 Ex为感应电动势；B为磁感应强度，T；d为信号电极直径，m；V2为信号电极运动速度，m/s。
      感应电动势Ex是一个交替变化的μV级信号。它的变化频率就等于旋涡的分离频率f，而f 正比于v1。由此可见，测出信号电极上感应电动势Ex的变化频率f，就可以测出其体积流量qv。
2 系统设计
      根据前面的分析，对光纤式煤气流量计进行了系统设计，如图4所示。它可分为光纤升力检测系统和电磁涡流频率检测系统两部分，其中光纤升力检测系统主要由半导体激光器、光纤升力检测器、光电检测器、放大器、A/D转换器、单片机等部分组成。

首先，半导体激光器发出0.85μm波长的激光，经过耦合接头进入光纤升力检测器。当被测流体经过旋涡发生体时，由于涡流在发生体两侧产生变动升力，升力作用在膜片上使光纤产生微弯变形，导致放大器接收到的光强度发生变化。然后，随流量变化的光强度经过光电检测器转换成电压由放大器放大，再经A/D转换进入单片机系统计算出变动升力的大小。同时，信号电极检测出旋涡频率，经放大器放大、滤波送入单片机，与获得的升力进行除法运算以显示质量流量的大小。
3 实验
      在完成系统软硬件设计的基础上，对所设计的40mm口径的煤气流量计在水实验装置上进行了实验。无论是电磁法检测旋涡频率f 的实验，得到电极振动频率阳流体体积流量qv的测量结果，还是光纤式升力检测系统的实验。从结果来看，信号电极振动频率，与水的体积流量qv存在很好的线性关系（见图5），理论公式和测量结果曲线之间*吻合，变动升力FLf和流量Kρv12 的结果均很理想。与标准流量计的测量结果进行对比，该流量计的相对误差小于1%。
4 结论
      本文论述了一种新型的煤气流量计，详细介绍了其测量原理，对主要的敏感元件进行了分析设计，给出了整个硬件系统的组成，完成了相关的实验检测。通过zui终实验得知，采用电磁法检测旋涡频率，结构简单可靠，测量精度高，抗振动干扰性能*。将光纤放在旋涡发生体中利用膜片感受升力大小的结构十分巧妙，不仅克服了传统涡流流量计测量变动升力时的困难，而且只需通过运算就解决了流体质量流量检测的问题。把光纤传感器与电磁涡流传感器相结合，通过双通道检测原理得到质量流量信号的测量方法，可以说在流体煤气流量测量领域开辟了一条新的途径，必将拥有广阔的前景。

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