一种高灵敏度光纤流量计

　　1　引　　言

　　随着工业生产自动化程度要求越来越高,流量的测量及控制也日趋重要。众所周知,流量的测量方法非常多,例如:超声波流量计,差压式流量计,阿牛巴管流量计,涡轮流量计等等,归纳起来不下几十种。之所以有这么多的流量计应用于检测领域,原因有两个:一是工业生产中对流量这一工业参数测量的面广;第二个原因就是各种流量计有各自的适应范围,如测量精度、　　量程、成本以及流体粘度等。因为上述原因,国内外对流量计的研究从未间断过。本文介绍一种利用光导纤制作的流量测量系统,这种流量测量系统由于被调制的信号是光信号,因此有较高的灵敏度,适合于对流量的精确测量和控制,并且测量范围大,受流体性质影响较小。

　　2　光纤流量传感器的基本原理

　　流量是指单位时间内流体流过管道某截面的体积或质量。前者称体积流量,后者称质量流量。

　　当流体均匀流动时,式(1)才可写成:

　　在AF为常数情况下,只要测出截面上的平均流速,即可知体积流量qv。皮托管式流量计是测出管道内某一点处的全压和静压,由公式:

　　从式(3)可知,只要测出全压和静压的差值就可以方便地得到管道内任一点处的流速。但是流体在管道中流动时某一截面上各部分流速是不相等的。如管壁与管中心。而测量流量只有在流速均等时式(1)才可写成式(2)的形式。即测出了平均流速才可知流量的值。所以皮托管式流量计所存在的问题就是式 (3)的速度不能代表平均流速。通过式(3)的速度计算出的流量存在着一定的误差。

　　为了解决皮托管流量计存在的问题,人们一直在寻找流体在管道某截面上的一点,这一点流体的速度恰好为平均流速。这一寻找过程还在进行之中,也同时产生了一些争论。实际的解决方法是在测量元件上产生了一种场速管(阿牛巴管)式流量计,可以测截面上4个点的全压,而得平均全压(4个点的),所以计算的流速近似代表截面的平均流速。很显然,阿牛巴管流量　　计比皮托管流量计更先进了一些,但它所测出的流量仍有很大的近似性。

　　本文所介绍的光纤流量传感器就是针对上述问题而设计的,如图1所示。

　　单模光纤能够敏感压力、温度等参量[1]。压力的变化引起光相位发生变化。考虑到一般的单模光纤制作的传感器的精度受光纤中模式耦合噪声的影响,选用高双折射光纤(保偏光纤)作为流量测量的敏感元件。从图1可看到,敏感光纤置于截面的直径上。敏感全压的点沿着整个直径。所以保偏光纤敏感的压力信号应是截面上全压头的均值。通过对全压、静压的测量,可以得到截面上流体的平均流速,从而得到较精确的流量值。