摘  要： 研究出一種光纖傳感器與電磁渦流傳感器相結合的新型煤氣流量計，并給出理論模型和實際系統結構。煤氣流量計對旋渦發生體進行了*設計，即將光纖嵌入到旋渦發生體內部構成光纖式升力檢測器。利用光纖的微彎損耗特性，檢測出流體流經旋渦發生體時產生的變動升力大小，結合信號電極測量出的渦流頻率，由單片機計算出流體質量流量。與其它煤氣流量計相比，光纖式質量流量計結構簡單，抗*力強。以水為被測對象的實驗證明，其測量結果的相對誤差左1%以內。

引言
      光纖技術在近20年獲得了飛速發展，據不*統計，利用光纖可以測量70多個物理量。煤氣流量傳感器具有測量范圍寬，度高，可以測量氣體、液體和蒸汽的流量等，近年來發展迅速，*已達到全部流量儀表的8%左右。本文將光纖傳感器和新型渦流傳感器巧妙地結合起來，制成光纖式煤氣流量計。設計思路是利用光纖傳感器采集流體的變動升力，渦流傳感器采集旋渦頻率，通過雙通道檢測原理，zui終得到質量流量信號。由于光纖傳感器具有不受電磁干擾、可撓曲、耐腐蝕等一系列特點，克服了傳統流量計檢測變動升力時的困難，所以光纖式質量流量計必將獲得廣泛應用。
1 測量機理
      光纖式煤氣流量傳感器的原理如圖1所示。
 

在充滿流體的管道中垂直于流體的流向上插入非線性物體（旋渦發生體）和信號電極，當流體的流速達到一定數值時，在旋渦發生體兩側會交替釋放出兩列規則排列的旋渦，單列旋渦的頻率被測流體的平均流速存在如下的關系式：

式中v1為旋渦發生體和管道流通截面之間的平均流速，m/s；d為旋渦發生體迎流面的寬度，m；St為斯特勞哈爾數，無綱量，當雷諾數Re>5x103時，St為常數。
      當旋渦在發生體兩側形成以后，其流動由兩部分組成，一方面平行于管道軸線運動；另一方面還在與管道軸線垂直的方向上振動。根據湯姆生定律：沿封閉流動流線上的環量不隨時間而改變。當在旋渦發生體右（或左）下方產生一個旋渦以后，必須在其它地方產生一個相反的環量以使合環量為零，這個環量就是旋渦發生體周圍的環流。根據茹科夫斯基升力定律：由于此環量的存在，會在旋渦發生體上產生一個升力，該升力垂直于軸線方向，故稱之為橫向升力，其大小為

 FLf為橫向升力；CLf為橫向升力系數（無綱量），只與旋渦發生體形狀有關；ρ為被測流體密度，kg/m3；b為旋渦發生體在流動方向上的投影寬度，m；D為管道直徑，m。
如將（2）式除以（1）式，則

其中±CLfbdD/2St=K為儀表系數。當一臺儀表制造好后，為確定常數。
      從公式（3）可知，若同時能檢測出升力FLf和旋渦頻率f，并二者相除，則會得到質量流量。顯然，問題關鍵是想辦法檢測出FLf和分得數值。
1.1 變動升力的檢測
      由前式分析可知，當流體作用在旋渦發生體側面時，會在發生體兩側產生一個橫向升力。經過多方案對比實驗，筆者zui終采用了梯形旋渦發生體、齒形膜片和光纖傳感器一起感受橫向升力的大小，光纖升力檢測器（即實用的旋渦發生體）結構如圖2所示。

光纖升力檢測器是一種以光纖作為傳感器的檢測器。當橫向升力作用在旋渦發生體兩側膜片時，膜片產生變形位移，擠壓在旋渦發生體和膜片之間的光纖產生微彎效應，光纖受到彎曲引起彎曲損耗使光纖輸出的光強度發生變化，從而測得橫向升力的大小。
由光波動理論可推導出微彎損耗系數α的一階表達式

中u（t）為隨時間t變化的動態振幅，即光纖的波狀彎曲幅度，受被測量控制；q為空間頻率，如光纖微彎變形函數的微彎周期（空間波長）為Λ，那么Λ=2Π/q；K為比例系數；L為光纖產生微彎變形部位的長度；△β為光纖中光波傳播常數差，對階越光纖△β=2δ-1/2/r；δ為相對折射率差，δ=（n12- n22）/2n12等；n1、n2分別為光纖纖芯和包層的折射率。再經進一步運算可推導出光纖微彎損耗系數α為

式中B為振幅；α為振動在光纖上的傳播速度；ω=2Πf（f 為渦流頻率）。（5）式表明了光纖在升力作用下的受力情況。
1.2 旋渦頻率的檢測
      由前面的分析和公式（1）可知，檢測出流體的振動頻率即可求得旋渦分離頻率f，從而得到流速值。圖3是電磁法檢測旋渦頻率的原理圖，由旋渦發生體、信號電極、*磁鐵（選用稀土永磁材料釹鐵硼（Nd-Fe-B））等部分組成。
流經旋渦發生體被發生體分離釋放的帶有旋渦的振動流體向下游流去，振動的流體作用于處在磁場中心的信號電極上，使信號電極產生同頻率的振動。根據法拉第電磁感應定律：導體在磁場中運動切割磁力線，在導體兩側會產生感應電動勢Ex
      Ex=Bdv2     （6）
式中 Ex為感應電動勢；B為磁感應強度，T；d為信號電極直徑，m；V2為信號電極運動速度，m/s。
      感應電動勢Ex是一個交替變化的μV級信號。它的變化頻率就等于旋渦的分離頻率f，而f 正比于v1。由此可見，測出信號電極上感應電動勢Ex的變化頻率f，就可以測出其體積流量qv。
2 系統設計
      根據前面的分析，對光纖式煤氣流量計進行了系統設計，如圖4所示。它可分為光纖升力檢測系統和電磁渦流頻率檢測系統兩部分，其中光纖升力檢測系統主要由半導體激光器、光纖升力檢測器、光電檢測器、放大器、A/D轉換器、單片機等部分組成。

首先，半導體激光器發出0.85μm波長的激光，經過耦合接頭進入光纖升力檢測器。當被測流體經過旋渦發生體時，由于渦流在發生體兩側產生變動升力，升力作用在膜片上使光纖產生微彎變形，導致放大器接收到的光強度發生變化。然后，隨流量變化的光強度經過光電檢測器轉換成電壓由放大器放大，再經A/D轉換進入單片機系統計算出變動升力的大小。同時，信號電極檢測出旋渦頻率，經放大器放大、濾波送入單片機，與獲得的升力進行除法運算以顯示質量流量的大小。
3 實驗
      在完成系統軟硬件設計的基礎上，對所設計的40mm口徑的煤氣流量計在水實驗裝置上進行了實驗。無論是電磁法檢測旋渦頻率f 的實驗，得到電極振動頻率陽流體體積流量qv的測量結果，還是光纖式升力檢測系統的實驗。從結果來看，信號電極振動頻率，與水的體積流量qv存在很好的線性關系（見圖5），理論公式和測量結果曲線之間*吻合，變動升力FLf和流量Kρv12 的結果均很理想。與標準流量計的測量結果進行對比，該流量計的相對誤差小于1%。
4 結論
      本文論述了一種新型的煤氣流量計，詳細介紹了其測量原理，對主要的敏感元件進行了分析設計，給出了整個硬件系統的組成，完成了相關的實驗檢測。通過zui終實驗得知，采用電磁法檢測旋渦頻率，結構簡單可靠，測量精度高，抗振動干擾性能*。將光纖放在旋渦發生體中利用膜片感受升力大小的結構十分巧妙，不僅克服了傳統渦流流量計測量變動升力時的困難，而且只需通過運算就解決了流體質量流量檢測的問題。把光纖傳感器與電磁渦流傳感器相結合，通過雙通道檢測原理得到質量流量信號的測量方法，可以說在流體煤氣流量測量領域開辟了一條新的途徑，必將擁有廣闊的前景。

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