光纤式质量流量计的研究

　　引 言

　　光纤技术在近20年获得了飞速发展，据不完全统计，利用光纤可以测量70多个物理量。涡流流量传感器具有测量范围宽，精确度高，可以测量气体、液体和蒸汽的流量等，近年来发展迅速，市场占有率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，制成光纤式质量流量计。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，最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

　　光纤式质量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f与被测流体的平均流速v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>5×103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

式中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; 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

　　其中为仪表系数。当一台仪表制造好后，K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，并将二者相除，则会得到质量流量。显然，问题关键是想办法检测出FLf和f的数值。

　　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FLf。经过多方案对比实验，笔者最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。