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双光纤传感器涡轮流量计的研究应用

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1.引言
涡轮流量计在工业上已有五十多年的历史,它是通过内磁式传感器检测涡轮的转速而实现流量测量,是一种用途广泛的流量测量仪表[3]。随着光纤传感器技术的发展,本文将反射型光纤传感器与传统的涡轮流量测量原理相结合,试制了具有双光纤传感器的涡轮流量计,与传统的内磁式涡轮流量计相比,设计上使流量计具备了正反流量测量的性能:在检测原理上,光纤传感器克服了内磁式传感器磁性引力带来的影响;实验结果表明有效地扩大了涡轮流量计的量程比。
 
2.双光纤传感器涡轮流量计结构
设计一对反射型光纤传感器及光电转换电路检测涡轮叶片的旋转,并对涡轮叶片进行改进使其叶片端面适宜反射光线(图1)。
反射型光纤传感器应用多模玻璃光纤,单根芯纤直径200μm,数值孔径为0.3,由两根光纤组成,包括光发射纤和光接受纤,检测端固化在一铝合金护套内可替代内磁式传感器安装在涡轮流量计上。
为了提高反射型光纤传感器的信噪比,保证接受反射信号的分辨率,光电转换器中的光源发射电路设计为10~12kHz的调制光输出,通过发射纤经涡轮叶片反射从接受纤接受调制光的反射信号,经滤波后转换为流量脉冲信号,信号响应时间小于0.2ms,检测距离lmm。

3.双光纤传感器涡轮流量计双向流量测量原理
传统的内磁式传感器受其结构限制对涡轮流量计只能检测叶片的转速,由于反射型光纤传感器体积细小,因而将两个反射型光纤传感器并列装配在涡轮流量计上,这样两个传感器可检测同一涡轮叶片不同位置的反射信号,而两个传感器信号互不干扰(图2、3)。
光纤传感器输出的流量信号为:
f10=f10
f20=f10+Φ
Q=(f10或f20)/K
式中f10——1号光纤传感器输出信号
Φ—f20与f10的相位差
f20—2号光纤传感器输出信号
K—流量系数
传感器输出的f10信号和f20信号经信号相位鉴别电路[1]后可输出流量计正向流动计量信号f和反向流动计量信号f,同时也可输出流量脉冲信号f和流向状态信号D。
对于正向流动:D=1,0<Φ<90°,对于反向流动:D=0,Φ>90°。
 
4.反射型光纤传感器及流量计的测试
4.1反射型光纤传感器响应
应用直流电机及标准转速计对反射型光纤传感器和内磁式传感器测试结果表明:反射型光纤传感器信
号特性:1Hz~6kHz:内磁式传感器信号特性:30Hz~1.2kHz,在低转速区有明显的漏脉冲(图4)。
4.2双光纤传感器涡轮流量计双向流量测量
当流量计正向安装时,光电转换电路输出:
Q10=f10/K; Q20=0;Q0=f10K; D=1。
当流量计反向安装时,光电转换电路输出:
Q10=0;Q20=f20/K; Q0=f20/K; D=0。
4.3双光纤传感器涡轮流量计流量测量量程比
应用反射型光纤传感器和内磁式传感器分别组合同一口径为50mm的涡轮流量计,应用压缩空气测试流量信号输出特性表明:
反射型光纤传感器输出信号范围:2~6.4Hz,换算流量量程可达0.3~120m3/,在不考虑涡轮粘度产生的阻力矩情况下,量程比达1:400。
内磁式传感器有效信号范围:41Hz~1.1kH2,换算流量量程可达1.1~60m3h,在不考虑涡轮粘度产生的阻力矩情况下,量程比:1:60。
 
5.结束语
应用双光纤传感器涡轮流量计可双向流量测量,两个流量信号经鉴别电路实现了双向流动的检测。
对于单向流量测量,也可通过流量计算机的算法消除因水击产生的脉动流造成涡轮往复震动而引起的计量误差,如下式:
Q=(∑f1D=1)-∑f2(D=0))/K
试验证明双光纤传感器涡轮流量计可接受频率为1Hz~6kHz的涡轮信号,量程比为1:400,全量程误
差为±1个脉冲;而内磁式传感器涡轮流量计量程比为1:60。这主要是由于光纤传感器不存在内磁式传感器在低流速时与涡轮叶片产生磁阻而引起的误差,也克服了内磁式传感器在高流量区信号产生饱和的问题。
光纤传感器的调制光参数还可以随总体设计的要求变化,应用于不同的场合,为涡轮的设计创造了方便条件。
由于光纤传感器具有本质防爆、无电气信号直接与流量计接触的特点,因而适宜煤气、轻质油料等透明介质的流量测量。