基于白光干涉原理的全光纤涡街流量测量方法

　　1　引　　言

　　涡街流量计是20世纪70年代以来发展比较迅速的一种流量(流速)测量方式,它具有结构简单、量程宽、测量准确等诸多特点,正日益成为流量测量的主要方式之一,有着广泛的应用范围和发展空间[1-5]。同期光纤技术也得到了迅猛发展和广泛应用,光纤技术的成功不仅在远程通信领域,而且在传感领域也引起了一场革命。光纤具有高灵敏度、几何形状灵活可变、尺寸小、环境适应性强等优点,是涡街传感元件的最佳选择,同时由于其具有无电磁辐射、本质安全的特性,尤其适用于石油、天然气等易燃易爆流体的传感领域。

　　将光纤传感理论与涡街流量测量理论相结合,利用光纤作为传感元件提取流量信息的研究近期也有一些报道,例如利用光纤的微弯损耗原理进行光强调制的方法,利用光纤光栅进行波长调制的方法,利用Michelson,Mach-Zehnder等传统干涉结构的相位调制方法等[6-13],由于光纤本身的纤细和高灵敏性,在基于这些方法的测量过程中经常受到温度起伏等外界环境的干扰。

　　文中将介绍一种基于白光干涉原理的全光纤涡街流量测量方法,该方法既保留了传统干涉型光纤传感技术高灵敏度的优点,同时又克服了常规光纤传感技术中易受温度起伏等静态、准静态环境干扰因素影响的缺点。基于该原理构建的涡街流量计,尤其适用于恶劣环境下的易燃易爆流体测量、以及信号的远程传输领域。

　　2　基本原理

　　把一个非流线型的物体放置于流体中,当达到一定的阈值时,就会产生卡门涡街效应:流体在该阻流体(非流线型物体)两侧交替地分离释放出两串规则的漩涡,在一定的流速范围内漩涡分离频率正比于流体的平均流速,通过采用各种形式的传感元件检测出漩涡频率就可以推算出流体的流量。

　　可以将光纤作为检测漩涡的传感元件,如图1所示,可以有两种方式:1)当把一根光纤垂直于流速方向置于流体中时,光纤本身可以同时作为阻流体和传感元件存在;2)在光纤前端放置另外一个更加有效的阻流体,例如三角棱柱体,光纤此时仅作为传感元件使用。在一个很宽的范围内(相对于不同阻流体的形状,大约雷诺数Re=102~106),顺着流体流速的方向,在阻流体后面交替产生漩涡流,这些漩涡将给予光纤一个交替变换的横向作用力。漩涡产生的频率f,即横向作用力交替变换的频率f,与流体的流速成正比,同时和阻流体的尺寸有关,可用式(1)来表示:

　　f=sv/d                     (1)

　　式中:s是斯特劳哈尔数,为一常数;v是平均流速;d是阻流体的横向尺寸。式(1)即是所有涡街类流量计工作的基本原理。因此,通过测量涡街效应生成漩涡的频率f就可求得流速v,再根据流体管道的尺寸,即可求得流体的在某段时间内的流量。