雙光纖傳感器渦輪流量計的研究應(yīng)用

雙光纖傳感器渦輪流量計的研究應(yīng)用

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1　引　言 渦輪流量計在工業(yè)上已有五十多年的歷史，它是通過內(nèi)磁式傳感器檢測渦輪的轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)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(shù)的發(fā)展，本文將反射型光纖傳感器與傳統(tǒng)的渦輪流量測量原理相結(jié)合，試制了具有雙光纖傳感器的渦輪流量計，與傳統(tǒng)的內(nèi)磁式渦輪流量計相比，設(shè)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(nèi)磁式傳感器磁性引力帶來的影響；實驗結(jié)果表明有效地擴(kuò)大了渦輪流量計的量程比。 2　雙光纖傳感器渦輪流量計結(jié)構(gòu) 設(shè)計一對反射型光纖傳感器及光電轉(zhuǎn)換電路檢測渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)，并對渦輪葉片進(jìn)行改進(jìn)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(yīng)用多模玻璃光纖，單根芯纖直徑200μm，數(shù)值孔徑為0.3，由兩根光纖組成，包括光發(fā)射纖和光接受纖，檢測端固化在一鋁合金護(hù)套內(nèi)可替代內(nèi)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(zhuǎn)換器中的光源發(fā)射電路設(shè)計為10～12kHz的調(diào)制光輸出，通過發(fā)射纖經(jīng)渦輪葉片反射從接受纖接受調(diào)制光的反射信號，經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)換為流量脈沖信號，信號響應(yīng)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(tǒng)的內(nèi)磁式傳感器受其結(jié)構(gòu)限制對渦輪流量計只能檢測葉片的轉(zhuǎn)速，由于反射型光纖傳感器體積細(xì)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(shù) 傳感器輸出的f10信號和f20信號經(jīng)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(tài)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(yīng) 應(yīng)用直流電機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速計對反射型光纖傳感器和內(nèi)磁式傳感器測試結(jié)果表明：反射型光纖傳感器信號特性：1Hz～6kHz；內(nèi)磁式傳感器信號特性：30Hz～1.2kHz，在低轉(zhuǎn)速區(qū)有明顯的漏脈沖(圖4)。 (a) (b) 圖4　兩種傳感器的響應(yīng)特性 4.2　雙光纖傳感器渦輪流量計雙向流量測量 當(dāng)流量計正向安裝時，光電轉(zhuǎn)換電路輸出： Q10＝f10/K;Q20＝0；Q0＝f10/K;D＝1。 當(dāng)流量計反向安裝時，光電轉(zhuǎn)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(yīng)用反射型光纖傳感器和內(nèi)磁式傳感器分別組合同一口徑為50mm的渦輪流量計，應(yīng)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(dá)0.3～120m3/h，在不考慮渦輪粘度產(chǎn)生的阻力矩情況下，量程比達(dá)1∶400。 內(nèi)磁式傳感器有效信號范圍：41Hz～1.1kHz，換算流量量程可達(dá)1.1～60m3/h，在不考慮渦輪粘度產(chǎn)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(jié)束語 應(yīng)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(jīng)鑒別電路實現(xiàn)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(jī)的算法消除因水擊產(chǎn)生的脈動流造成渦輪往復(fù)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(nèi)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(nèi)磁式傳感器在低流速時與渦輪葉片產(chǎn)生磁阻而引起的誤差，也克服了內(nèi)磁式傳感器在高流量區(qū)信號產(chǎn)生飽和的問題。光纖傳感器的調(diào)制光參數(shù)還可以隨總體設(shè)計的要求變化，應(yīng)用于不同的場合，為渦輪的設(shè)計創(chuàng)造了方便條件。 由于光纖傳感器具有本質(zhì)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(zhì)油料等透明介質(zhì)的流量測量。