雙光纖傳感器渦輪流量計的研究應用

雙光纖傳感器渦輪流量計的研究應用

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1　引　言 渦輪流量計在工業上已有五十多年的歷史，它是通過內磁式傳感器檢測渦輪的轉速而實現流量測量，是一種用途廣泛的流量測量儀表［3］。隨著光纖傳感器技術的發展，本文將反射型光纖傳感器與傳統的渦輪流量測量原理相結合，試制了具有雙光纖傳感器的渦輪流量計，與傳統的內磁式渦輪流量計相比，設計上使流量計具備了正反流量測量的性能；在檢測原理上，光纖傳感器克服了內磁式傳感器磁性引力帶來的影響；實驗結果表明有效地擴大了渦輪流量計的量程比。 2　雙光纖傳感器渦輪流量計結構 設計一對反射型光纖傳感器及光電轉換電路檢測渦輪葉片的旋轉，并對渦輪葉片進行改進使其葉片端面適宜反射光線(圖1)。 圖1　光纖渦輪流量計示意圖 反射型光纖傳感器應用多模玻璃光纖，單根芯纖直徑200μm，數值孔徑為0.3，由兩根光纖組成，包括光發射纖和光接受纖，檢測端固化在一鋁合金護套內可替代內磁式傳感器安裝在渦輪流量計上［1］［5］。為了提高反射型光纖傳感器的信噪比，保證接受反射信號的分辨率，光電轉換器中的光源發射電路設計為10～12kHz的調制光輸出，通過發射纖經渦輪葉片反射從接受纖接受調制光的反射信號，經濾波后轉換為流量脈沖信號，信號響應時間小于0.2ms，檢測距離1mm。 3　雙光纖傳感器渦輪流量計雙向流量測量原理 傳統的內磁式傳感器受其結構限制對渦輪流量計只能檢測葉片的轉速，由于反射型光纖傳感器體積細小，因而將兩個反射型光纖傳感器并列裝配在渦輪流量計上，這樣兩個傳感器可檢測同一渦輪葉片不同位置的反射信號，而兩個傳感器信號互不干擾(圖2、3)。 圖2　雙向流量測量原理圖　圖3　光纖傳感器輸出信號示意圖 光纖傳感器輸出的流量信號為： f10＝f10 f20＝f10+Φ Q＝(f10或f20)/K 式中　f10——1號光纖傳感器輸出信號 Φ——f20與f10的相位差 f20——2號光纖傳感器輸出信號 K——流量系數 傳感器輸出的f10信號和f20信號經信號相位鑒別電路［1］后可輸出流量計正向流動計量信號f1和反向流動計量信號f2，同時也可輸出流量脈沖信號f和流向狀態信號D。 對于正向流動：D＝1，0＜Φ＜90°，對于反向流動：D＝0，Φ＞90°。 4　反射型光纖傳感器及流量計的測試 4.1　反射型光纖傳感器響應 應用直流電機及標準轉速計對反射型光纖傳感器和內磁式傳感器測試結果表明：反射型光纖傳感器信號特性：1Hz～6kHz；內磁式傳感器信號特性：30Hz～1.2kHz，在低轉速區有明顯的漏脈沖(圖4)。 (a) (b) 圖4　兩種傳感器的響應特性 4.2　雙光纖傳感器渦輪流量計雙向流量測量 當流量計正向安裝時，光電轉換電路輸出： Q10＝f10/K;Q20＝0；Q0＝f10/K;D＝1。 當流量計反向安裝時，光電轉換電路輸出： Q10＝0；Q20＝f20/K;Q0＝f20/K;D＝0。 4.3　雙光纖傳感器渦輪流量計流量測量量程比［2］［4］ 應用反射型光纖傳感器和內磁式傳感器分別組合同一口徑為50mm的渦輪流量計，應用壓縮空氣測試流量信號輸出特性表明： 反射型光纖傳感器輸出信號范圍：2～6.4Hz，換算流量量程可達0.3～120m3/h，在不考慮渦輪粘度產生的阻力矩情況下，量程比達1∶400。 內磁式傳感器有效信號范圍：41Hz～1.1kHz，換算流量量程可達1.1～60m3/h，在不考慮渦輪粘度產生的阻力矩情況下，量程比：1∶60。 圖5　流動方向檢測電路示意圖 5　結束語 應用雙光纖傳感器渦輪流量計可雙向流量測量，兩個流量信號經鑒別電路實現了雙向流動的檢測。 對于單向流量測量，也可通過流量計算機的算法消除因水擊產生的脈動流造成渦輪往復震動而引起的計量誤差，如下式： Q＝(∑f1(D＝1)-∑f2(D＝0))/K 試驗證明雙光纖傳感器渦輪流量計可接受頻率為1Hz～6kHz的渦輪信號，量程比為1∶400，全量程誤差為±1個脈沖；而內磁式傳感器渦輪流量計量程比為1∶60。這主要是由于光纖傳感器不存在內磁式傳感器在低流速時與渦輪葉片產生磁阻而引起的誤差，也克服了內磁式傳感器在高流量區信號產生飽和的問題。光纖傳感器的調制光參數還可以隨總體設計的要求變化，應用于不同的場合，為渦輪的設計創造了方便條件。 由于光纖傳感器具有本質防爆、無電氣信號直接與流量計接觸的特點，因而適宜煤氣、輕質油料等透明介質的流量測量。