CN111947722B - 体积及质量流量检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种体积及质量流量检测方法及装置，通过将带有金属涂敷层的布拉格光纤光栅与金属薄片制成振动温度复合传感器，并布置在管道中央进行流场的流速和流场温度的测量，从而得到体积流量和质量流量。本发明将涡激振动原理与光纤光栅传感技术结合可有效地简化流量计的结构和工艺，结构简单，安装方便，温度自补偿、灵敏度高、测量准确、可实现分布式测量。

Description

体积及质量流量检测方法及装置
技术领域
本发明涉及的是一种流体检测领域的技术，具体是一种体积及质量流量检测方法及装置。
背景技术
在工业生产和生活的很多领域，都需要对流体的流量进行监测。目前，常用的流量计有孔板流量、文丘里流量计、涡轮流量计和涡街流量计等。这些流量计大多是通过电传感器测得压差、转速或振动信号，再输入分析设备进行计算，最后得出流量数值。但是，电子类传感器存在密封性差、易漏电、易腐蚀、受电磁干扰等问题。光纤流量计具有抗电磁干扰、尺寸小和重量轻等优点，但光纤流量计是利用流量对光信号的强度和相位的调制而设计的，而相位受环境影响较大，实际应用中很难准确检测。上述的测量方法，仅限于体积流量的测量，因缺乏温度的值，不能得到质量流量值。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种体积及质量流量检测方法及装置，将涡激振动原理与光纤光栅传感技术结合可有效地简化流量计的结构和工艺，结构简单，安装方便，温度自补偿、灵敏度高、测量准确、可实现分布式测量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种体积及质量流量检测方法，通过将带有金属涂敷层的布拉格光纤光栅与金属薄片制成振动温度复合传感器，并布置在管道中央进行流场的流速和流场温度的测量，从而得到体积流量和质量流量。
所述的振动温度复合传感器包括：带有法兰的外壳和竖直设置于其内部的用以产生流致振动的金属薄片，其中：薄片的一侧设置两个串接的布拉格光纤光栅传感器，沿薄片中轴线对称布置。
所述的体积流量，通过以下方式得到：将振动温度复合传感器置入待测流管中，通过来流激发金属薄板产生振动，固定在金属薄板上的的光纤布拉格光栅随薄板产生振动，其中心波长发生周期性变化；输入的宽带光被两个光纤布拉格光栅依次反射，反射光中心波长随薄板振动发生变化，该中心波长的变化频率的峰值频率即为金属薄板振动的频率，根据涡激振动原理可以得到流体流速并计算获得体积流量，即
Figure GDA0004220016610000011
其中u为流速，h为结构特征尺寸，St为无量纲参数，f为结构振动频率，基于流速与结构振动频率呈线性关系，故通过对结构的振动频率测量即得到流速。
所述的质量流量，通过以下方式得到：当环境温度T或应力值P发生变化时，光纤布拉格光栅的中心波长λB会发生漂移，中心波长值λB与应力P和温度T的对应关系为：
Figure GDA0004220016610000021
Figure GDA0004220016610000022
其中：kP和kT分别代表光纤布拉格光栅的应变和温度响应系数，通过实验进行标定；通过对两个光纤布拉格光栅进行测量，得到/>
Figure GDA0004220016610000023
其中：kP1、kT1、kP2、kT2分别对应两个光纤布拉格光栅的应力和应变相应系数；对上述矩阵进行解耦得到温度值和应力值，进一步获得质量流量。
本发明涉及一种实现上述方法的体积及质量流量检测装置，包括：振动温度复合传感器和与之相连的光纤光栅解调分析仪和控制模块，其中：振动温度复合传感器中的两个布拉格光纤光栅采用不同的中心波长并通过光纤尾纤从引出孔引出后与光纤光栅解调分析仪以及控制模块相连以进行信号分析并得到体积流量和质量流量。
所述的外壳为中空的圆柱形结构与被测管道同尺寸，两端带有法兰盘可与被测管道连接。
所述的光纤光栅解调分析仪包括：与布拉格光纤光栅相连的通道、生成宽带信号源的光源模块、耦合信号的光耦合器模块、对布拉格光纤光栅输出信号进行检测的信号检测分析模块以及与控制模块连接的通道。
所述的金属薄板与布拉格光纤光栅在外壳中固定的位置为距上游截面10倍水力直径，距下游5倍水力直径，两端由法兰连接在待测管路中。
技术效果
本发明整体解决了现有技术无法对管道内流体温度和流量的同步测量。本发明通过将平板流致振动涡激振动原理与光纤布拉格光栅传感技术结合，同时测量管道内流体温度和流量并得到管道内流体的体积流量和质量流量，为工程中的流体参数检测测提供更优方案。
与现有技术相比，本发明采用具有抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、绝缘防爆的核心传感器光纤布拉格光栅；根据需求，结合波长编码和波分复用技术，可以实现组网远程分布式测量。光纤光栅结合金属薄板制成的传感器，轻便、体积小，对流场的扰动效应微弱，几乎不产生局部压降。
本发明采用双布拉格光纤光栅差动方法检测不锈钢薄板应变信号，获得流体流动速度和温度，从而分别得到流体体积流量和质量流量。此外，布拉格光纤光栅还具有波长编码和波分复用等特性，可实现组网远程分布式测量，并具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高等优点。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明内部光路示意图；
图3为本发明分析***示意图；
图中：光纤光栅流量计1、法兰盘10、螺纹孔11、管状外壳20、引出孔21、传递光纤30、布拉格光纤光栅31、金属薄板40、光源模块50、反射光51、信号检测分析模块60、光耦合器模块70、控制模块80、传递光缆90。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的振动温度复合传感器，包括：有螺纹孔11的用于与带测管道连接的法兰盘10，具有与待测管道尺寸相同的管状外壳20和竖直设置于其内部的用以产生流致振动的金属薄板40，其中：薄板一侧设有两个对称分布的布拉格光纤光栅31，通过激光焊接技术固定于金属薄板40中间位置沿管道直径方向设置的U型刻槽内，两个布拉格光纤光栅31采用不同的中心波长并通过传递光纤30从引出孔21引出后与包括光纤光栅解调分析仪相连并由数据处理装置进行信号分析，两个布拉格光纤光栅31串联连接，在引出孔21上通过密封垫进行密封。
如图2所示，所述的光纤光栅解调分析仪包括：发出宽带光信号的光源模块50，经由传递光纤30传递至光耦合器模块70，经过布拉格光纤光栅31对宽带光信号进行选择性透过，特定波长的光51反射回到光耦合器模块70并传递到信号检测分析模块60，得到反射光51波长的实时变化值。
如图3所示，为本实施例涉及的体积及质量流量检测装置，包括光纤光栅流量计1，通过传递光纤30与四通道光纤光栅解调分析仪70连接，对光信号进行检测分析将得到的中心波长值通过传递光缆90与控制模块80连接，经过数据处理得到体积流量值与质量流量值。
本实施例采用上述结构进行检测时，流体流经金属薄板会引起薄板的涡激振动，振动经薄板两侧表面的布拉格光纤光栅31检测，经光纤光栅分析***进行数据处理，经数据处理装置分析处理后得出涡激振动部分的振动频率，从而计算得出流体的体积流量；通过对两支光纤光栅的应变解调，可以获得流体的温度，计算得到流体的质量流量。
本实施例通过激光焊接技术将光纤布拉格光栅与金属薄片进行复合、封装。
本实施例创造性地将光纤布拉格光栅传感技术与金属平板涡激振动原理相结合，通过测得流体流动速度和温度，进而同时对流体的体积流量与质量流量进行测量。
与现有技术相比，本装置核心传感部分体积小，对流场扰动小，产生的局部压降小；本实施例可以得到流体的体积流量和质量流量，弥补了当前流量计无法同时测量体积流量与质量流量的不足；光纤布拉格光栅还具有波长编码和波分复用等特性，可实现组网远程分布式测量，并具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高等优点，可以更好的应用于工程测量。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种体积及质量流量检测装置，其特征在于，包括：振动温度复合传感器和与之相连的光纤光栅解调分析仪和控制模块，其中：振动温度复合传感器中的两个布拉格光纤光栅采用不同的中心波长并通过光纤尾纤从引出孔引出后与光纤光栅解调分析仪以及控制模块相连以进行信号分析并得到体积流量和质量流量；
所述的振动温度复合传感器包括：有螺纹孔的用于与带测管道连接的法兰盘，具有与待测管道尺寸相同的管状外壳和竖直设置于其内部的用以产生流致振动的金属薄板，其中：薄板一侧设有两个对称分布的布拉格光纤光栅传感器，通过激光焊接技术固定于金属薄板中间位置沿管道直径方向设置的U型刻槽内，两个布拉格光纤光栅采用不同的中心波长并通过光纤尾纤从引出孔引出后与包括光纤光栅解调分析仪相连并由数据处理装置进行信号分析，两个布拉格光纤光栅串联连接，在引出孔上通过密封垫进行密封；
所述的管状外壳为中空的圆柱形结构与被测管道同尺寸，两端带有法兰盘可与被测管道连接；
所述的体积及质量流量检测是指：通过将带有金属涂敷层的布拉格光纤光栅与金属薄片制成振动温度复合传感器，并布置在管道中央进行流场的流速和流场温度的测量，从而得到体积流量和质量流量；
所述的振动温度复合传感器包括：带有法兰的外壳和竖直设置于其内部的用以产生流致振动的金属薄片，其中：薄片的一侧设置两个串接的布拉格光纤光栅传感器，沿薄片中轴线对称布置；
所述的外壳为中空的圆柱形结构与被测管道同尺寸，两端带有法兰盘可与被测管道连接；
所述的光纤光栅解调分析仪包括：与布拉格光纤光栅相连的通道、生成宽带信号源的光源模块、耦合信号的光耦合器模块、对布拉格光纤光栅输出信号进行检测的信号检测分析模块以及与控制模块连接的通道；
所述的金属薄板与布拉格光纤光栅在外壳中固定的位置为距上游截面10倍水力直径，距下游5倍水力直径，两端由法兰连接在待测管路中；
所述的体积流量，通过以下方式得到：将振动温度复合传感器置入待测流管中，通过来流激发金属薄板产生振动，固定在金属薄板上的的光纤布拉格光栅随薄板产生振动，其中心波长发生周期性变化；输入的宽带光被两个光纤布拉格光栅依次反射，反射光中心波长随薄板振动发生变化，该中心波长的变化频率的峰值频率即为金属薄板振动的频率，根据涡激振动原理得到流体流速并计算获得体积流量，即
Figure FDA0004220016590000011
其中u为流速，h为结构特征尺寸，St为无量纲参数，f为结构振动频率，基于流速与结构振动频率呈线性关系，故通过对结构的振动频率测量即得到流速；
所述的质量流量，通过以下方式得到：当环境温度T或应力值P发生变化时，光纤布拉格光栅的中心波长λB会发生漂移，中心波长值λB与应力P和温度T的对应关系为：
Figure FDA0004220016590000021
Figure FDA0004220016590000022
其中：kP和kT分别代表光纤布拉格光栅的应变和温度响应系数，通过实验进行标定；通过对两个光纤布拉格光栅进行测量，得到/>
Figure FDA0004220016590000023
其中：kP1、kT1、kP2、kT2分别对应两个光纤布拉格光栅的应力和应变相应系数；对上述矩阵进行解耦得到温度值和应力值，进一步获得质量流量。/>
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