基于光频率调制的光纤涡街流量计的研究

　　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.