專利名稱：可同時測量溫度、密度的光纖渦街流量計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖渦街流量計，特別是一種可以同時測量流體溫度、密度、體積流量和質量流量的多功能光纖渦街流量計，屬流動測量及光纖傳感技術領域。
背景技術：
流量(包括體積流量和質量流量)是工業(yè)生產與控制以及人們日常生活中的一個重要參數(shù)。具有流量測量功能的儀表統(tǒng)稱為流量計。由于被檢測對象性質的不同以及檢測對象的多樣性和復雜性，流量的檢測原理和裝置也就不盡相同。較為常用的流量計有浮子流量計、差壓式流量計、容積式流量計、渦輪流量計、電磁流量計、渦街流量計、超聲流量計、 科里奧利流量計等。在這些種類的流量計中，因渦街流量計具有無運動部件、測量范圍寬、 精確度高、可以測量氣體、液體和蒸汽的流量等特點而得到迅速的發(fā)展和應用。渦街流量計的原理是，在流體中垂直于流動方向，插入一根非流線形狀物體，作為旋渦發(fā)生體，在一定的雷諾數(shù)范圍內旋渦發(fā)生體的后面產生一個規(guī)則的振蕩運動，即在旋渦發(fā)生體兩側將產生兩列旋渦，方向相反，交替出現(xiàn)的旋渦，即卡門渦街。在一定雷諾數(shù)范圍內，流量和渦街頻率成線性關系，渦街頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體及管道的形狀尺寸有關，只要測出渦街頻率即可得到體積流量。根據(jù)渦街頻率的檢測的方法不同，渦街流量計又可以分為熱敏式渦街流量計、電容式渦街流量計、應力式渦街流量計、超聲式渦街流量計等多種。盡管檢測渦街頻率的原理和方法不同，上述各種形式的渦街流量計都在渦街頻率的檢測部分存在電信號，因此在有強電磁場存在的場合會對渦街頻率的檢測產生干擾，影響渦街流量計的正常使用。另一方面，在很多實際應用中，需要對被測流體進行包括溫度、密度、體積流量和質量流量在內的多參數(shù)同時測量。現(xiàn)有的技術方法是增加相應的傳感器進行測量，比如，在渦街流量計中為得到流體的溫度信息，需要增加一個溫度傳感器。再如，由普通渦街流量計測得是流體的體積流量，只有同時測得流體密度才能計算出質量流量，此時就需要有密度傳感器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有渦街流量計渦街頻率檢測易受外界環(huán)境、特別是強電磁場干擾，而且只能完成體積流量單一參數(shù)測量的不足，而提供一種可以同時測量流體溫度、密度、體積流量和質量流量的多功能光纖渦街流量計。本發(fā)明所涉及的光纖渦街流量計采用雙光纖布拉格光柵差動方法檢測渦街頻率， 不僅具有波長編碼和波分復用等特性，還可以同時測量流體溫度、密度、體積流量和質量流量。此外，本發(fā)明所涉及的光纖渦街流量計還具有如下優(yōu)點，包括抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全、靈敏度高、重量輕、體積小、測量對象廣泛、便于多點復用和組網(wǎng)遠程測量等。本發(fā)明提供的可同時測量溫度、密度、體積流量和質量流量的光纖渦街流量計，包括，表體，表體內設置的渦街發(fā)生體，渦街發(fā)生體兩側放置的兩個光纖布拉格光柵，兩個光纖布拉格光柵分別經過傳輸光纖連接2x2光纖耦合器的兩個輸出端口， 2x2光纖耦合器的一個輸入端口連接寬帶光源，2x2光纖耦合器的另一個輸入端口依次連接波長解調器和計算機，所述的兩個光纖布拉格光柵的波長和帶寬滿足如下關系 A2 > \ + AA2
其中為、毛分別為兩個光纖布拉格光柵的中心波長，Al1、Δ^分別為3dB帶寬。所述的兩個光纖布拉格光柵按照差動方式分別固定在渦街發(fā)生體的兩側。也可以將兩個光纖布拉格光柵按照差動方式分別固定在渦街發(fā)生體下游設置的一個變形體的兩側，構成光纖渦街傳感器。本發(fā)明的測量過程及原理
1.將中心波長分別為為、毛，3dB帶寬分別為Δ^、Δ為的兩個光纖布拉格光柵分別固定在渦街發(fā)生體的兩側，所述光纖布拉格光柵的波長和帶寬滿足如下關系 4 >Λ1+Δ;Ι1 + δι2 ,安裝光纖布拉格光柵的渦街發(fā)生體置入待測管流中，來流作用在渦街發(fā)生體上而產生渦街，當渦街由渦街發(fā)生體脫落時，對其產生方向交替改變的作用力，使渦街發(fā)生體產生變形，固定在渦街發(fā)生體兩側的光纖布拉格光柵之一受拉應力，其反射光波長變大；另一光纖布拉格光柵受壓應力，反射光波長變??；輸入的寬帶光被兩個光纖布拉
格光柵依次反射，由波長解調器得到Λ、. 的動態(tài)變化值，并計算弋-為，由. - A變化頻率計算渦街頻率和被測流體的體積流量；由為-Λ變化幅度計算被測流體的密度和質量流量；由(Λ+ ^)/2計算被測流體的溫度；或是
2.將中心波長分別為Λ、弋，3dB帶寬分別為Δ為、Azl2的兩個光纖布拉格光柵分別固定在一個變形體的兩側，構成光纖渦街傳感器，所述光纖布拉格光柵的波長和帶寬滿足如下關系為-^+ΔΑ+Δ；^，將光纖渦街傳感器置入加有渦街發(fā)生體待測管流中，光纖渦街傳感器在渦街發(fā)生體的下游，來流作用在渦街發(fā)生體上而產生渦街，渦街作用在光纖渦街傳感器上，使之產生變形，固定在渦街傳感器兩側的光纖布拉格光柵之一受拉應力，其反射光波長變大，另一光纖布拉格光柵受壓應力，反射光波長變小；輸入的寬帶光被兩個光纖布
拉格光柵依次反射，由波長解調器得到A、Λ2的動態(tài)變化值，并計算. - A ,由·^ - A變化頻率計算渦街頻率和被測流體的體積流量；由. -為變化幅度計算被測流體的密度和質量流量；由(Λ+ ^)/2計算被測流體的溫度。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所涉及的光纖渦街流量計具有如下顯著的進步
1.采用雙光纖布拉格光柵差動方法，可以實現(xiàn)包括溫度、密度、體積流量和質量流量在內的多參數(shù)同時測量。2.采用全光纖設計可以實現(xiàn)測量現(xiàn)場無電信號，具有本征安全的特點，這對于易燃、易爆流體的測量是至關重要的。3.利用光纖布拉格光柵的波分復用特性，可以進行多點連網(wǎng)測量和遠程測量。


圖1為光纖渦街流量計結構示意圖。101為流量計表體；102為渦街發(fā)生體；103 為來流方向；104、105為光纖布拉格光柵；106為&2光纖耦合器；107、108為傳輸光纖；109 為波長解調器；110為計算機；111為寬帶光源。圖2為第一實施例中光纖渦街流量計水平剖面圖，其中兩個光纖布拉格光柵分別固定在渦街發(fā)生體的兩側。201為在渦街發(fā)生體下游產生的渦街。圖3為第二實施例中光纖渦街流量計水平剖面圖，其中兩個光纖布拉格光柵分別固定在一個變形體的兩側，而構成光纖渦街傳感器。301為渦街發(fā)生體；302為變形體。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明。本發(fā)明所涉及的光纖渦街流量計可以通過不同的形式加以實現(xiàn)?？梢詫㈦p光纖布拉格光柵固定在渦街發(fā)生體的兩側， 構成一種渦街發(fā)生體與渦街傳感器合一的復合結構。或是將雙光纖布拉格光柵固定在一個變形體的兩側，形成街發(fā)生體，加渦街傳感器的分體結構。實施例1 渦街發(fā)生體與渦街傳感器合一的復合結構
如附圖1所示，流量計表體101用不銹鋼加工而成，其內徑為25mm。渦街發(fā)生體102也由不銹鋼加工而成，形狀為圓柱形，直徑為6mm。光纖布拉格光柵104、105采用高壓載氫處理的SMM8標準單模光纖制成，光柵制作采用波長為M4nm倍頻Ar離子激光和相位模板， 光柵長度為5mm。光纖布拉格光柵104的中心波長分別為1550nm，3dB帶寬為0. 2nm。光纖布拉格光柵105的中心波長分別為1552nm，3dB帶寬為0. 2nm。在渦街發(fā)生體102的兩側用線切割加工出兩道0. 5mm寬和0. 5mm深的方槽，將光纖布拉格光柵104、105用強力防水粘接劑分別固定在渦街發(fā)生體102兩側的方槽內，光柵部分位于渦街發(fā)生體102端部20mm 處，附圖2為光纖渦街流量計水平剖面圖。由此制成渦街發(fā)生體與渦街傳感器合一的復合結構，將其置入流量計表體101 中，通過流量計表體101上的法蘭盤將帶有光纖布拉格光柵104、105的渦街發(fā)生體102固定并密封，構成光纖渦街流量計的表頭部分。寬帶光源112為普通市售的ASE光源模塊，其輸出光譜范圍為1520-1565 nm，輸出功率為5 mW。2x2光纖耦合器106是普通通信波段的3dB光纖耦合器，傳輸光纖107、108 為標準單模光纖。寬帶光源111的輸出與2x2光纖耦合器106的第一輸入端口相連，2x2光纖耦合器106的第一輸出端口和第二輸出端口分別通過傳輸光纖107和108與固定在渦街發(fā)生體102上的光纖布拉格光柵104、105相連；2x2光纖耦合器106的第二輸入端口與波長解調器109的輸入端口相連。波長解調器109為北京品傲光電公司的PIlOl光纖傳感解調儀，它通過網(wǎng)線與計算機110相連。當被測流體沿附圖中103所指示的方向流過光纖渦街流量計時，來流作用在渦街發(fā)生體102上而產生附圖2中所示的渦街201，當渦街由渦街發(fā)生體102脫落時，對其產生方向交替改變的作用力，使渦街發(fā)生體產生變形，固定在渦街發(fā)生體兩側的光纖布拉格光柵104、105之一受拉應力，其反射光波長變大；另一光纖布拉格光柵受壓應力，反射光波長
變??；輸入的寬帶光被兩個光纖布拉格光柵依次反射，由波長解調器109得到為、Λ2的動態(tài)變化值，計算機110計算毛-Λ。為-Α可由下式表示
H Jsm(2# + W) , f為渦街頻率。體積流量67 = ^rf，質量流量= ^mAJ ，流體的溫度T = KT{\ - , )/2 ,流體的密度P= Qm Zgir ,其中，& , Km , K7均為儀表系
數(shù)，由標定得到。計算機110根據(jù)儀表系數(shù)和所測得的渦街頻率f、A和(為+毛)/2計算得
到被測流體的體積流量、質量流量、密度和溫度。實施例2 渦街發(fā)生體加渦街傳感器的分體結構
如附圖1和附圖3所示，本發(fā)明的第二種實施方式與第一種實施方式的區(qū)別在于，將加有兩個光纖布拉格光柵的渦街傳感器與街發(fā)生體301分離，構成渦街發(fā)生體加渦街傳感器的分體結構。在此實施例中，將光纖布拉格光柵104、105用強力防水粘接劑分別固定在變形體302的兩側，由變形體302和光纖布拉格光柵104、105構成光纖渦街傳感器。街發(fā)生體301采用三角柱結構，來流方向寬度為本6mm。變形體302采用厚度為0. 5mm,寬度為本 5mm的不銹鋼片，光纖布拉格光柵104、105對稱固定在變形體302的兩個表面，如附圖3所示。本實施例中使用的流量計表體101、光纖器件和其它器件均與實施例1 一致，被測流體的體積流量、質量流量、密度和溫度的計算方法也與實施例1中的被測流體的體積流量、質量流量、密度和溫度的計算方法一致，在此不再另述。本領域的專業(yè)技術人員都清楚，本發(fā)明的思想可采用上面列舉的具體實施方式
以外的其它方式實現(xiàn)。
權利要求
1.一種可同時測量溫度、密度、體積流量和質量流量的光纖渦街流量計，包括，表體，表體內設置的渦街發(fā)生體，渦街發(fā)生體兩側放置的兩個光纖布拉格光柵，兩個光纖布拉格光柵分別經過傳輸光纖連接2x2光纖耦合器的兩個輸出端口，2x2光纖耦合器的一個輸入端口連接寬帶光源，2x2光纖耦合器的另一個輸入端口依次連接波長解調器和計算機，其特征在于所述的兩個光纖布拉格光柵的波長和帶寬滿足如下關系I2 > . +Azil + AA2其中為、弋分別為兩個光纖布拉格光柵的中心波長，ΔΛ、LA2分別為3dB帶寬。
2.根據(jù)權利要求1所述的可同時測量溫度、密度、體積流量和質量流量的光纖渦街流量計，其特征在于所述的放置于渦街發(fā)生體兩側的兩個光纖布拉格光柵之一受拉應力，其反射光波長變大，另一光纖布拉格光柵受壓應力，反射光波長變小，輸入的寬帶光被兩個光纖布拉格光柵依次反射，由波長解調器得到A、毛的動態(tài)變化值，并計算/ - Λ ,由冬-為變化頻率計算渦街頻率和被測流體的體積流量；由毛-Λ變化幅度計算被測流體的密度和質量流量；由(為+毛)/2計算被測流體的溫度。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的可同時測量溫度、密度、體積流量和質量流量的光纖渦街流量計，其特征在于兩個光纖布拉格光柵按照差動方式分別固定在渦街發(fā)生體的兩側。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的可同時測量溫度、密度、體積流量和質量流量的光纖渦街流量計，其特征在于將兩個光纖布拉格光柵按照差動方式分別固定在渦街發(fā)生體下游設置的一個變形體的兩側，構成光纖渦街傳感器。
全文摘要
可同時測量溫度、密度、體積流量和質量流量的光纖渦街流量計，包括表體，渦街發(fā)生體，兩個光纖布拉格光柵，兩個光纖布拉格光柵分別經過傳輸光纖連接2x2光纖耦合器的兩個輸出端口，2x2光纖耦合器的一個輸入端口連接寬帶光源，另一個輸入端口依次連接波長解調器和計算機，兩個光纖布拉格光柵的波長和帶寬滿足，、分別為兩個光纖布拉格光柵的中心波長，、分別為3dB帶寬。本發(fā)明采用雙光纖布拉格光柵差動方法檢測渦街頻率，不僅具有波長編碼和波分復用等特性，還可以同時測量流體溫度、密度、體積流量和質量流量。具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全、靈敏度高、重量輕、體積小、測量對象廣泛、便于多點復用和組網(wǎng)遠程測量等優(yōu)點。
文檔編號G01N9/32GK102279022SQ20111017392
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權日2011年6月27日
發(fā)明者李恩邦 申請人:天津工業(yè)大學