1引言

渦輪流量計(jì)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(cè)渦輪的轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量，是一種用途廣泛的流量測(cè)量?jī)x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(cè)量原理相結(jié)合，試制了具有雙光纖傳感器的渦輪流量計(jì)，與傳統(tǒng)的內(nèi)磁式渦輪流量計(jì)相比，設(shè)計(jì)上使流量計(jì)具備了正反流量測(cè)量的性能；在檢測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有效地?cái)U(kuò)大了渦輪流量計(jì)的量程比。

2雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)一對(duì)反射型光纖傳感器及光電轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)，并對(duì)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(jì)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(cè)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(jì)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(hào)的分辨率，光電轉(zhuǎn)換器中的光源發(fā)射電路設(shè)計(jì)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(hào)，經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)換為流量脈沖信號(hào)，信號(hào)響應(yīng)時(shí)間小于0.2ms，檢測(cè)距離1mm。

3雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)雙向流量測(cè)量原理

傳統(tǒng)的內(nèi)磁式傳感器受其結(jié)構(gòu)限制對(duì)渦輪流量計(jì)只能檢測(cè)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(gè)反射型光纖傳感器并列裝配在渦輪流量計(jì)上，這樣兩個(gè)傳感器可檢測(cè)同一渦輪葉片不同位置的反射信號(hào)，而兩個(gè)傳感器信號(hào)互不干擾(圖2、3)。

圖2雙向流量測(cè)量原理圖圖3光纖傳感器輸出信號(hào)示意圖

光纖傳感器輸出的流量信號(hào)為：

f10＝f10
f20＝f10+Φ
Q＝(f10或f20)/K

式中f10——1號(hào)光纖傳感器輸出信號(hào)
Φ——f20與f10的相位差
f20——2號(hào)光纖傳感器輸出信號(hào)
K——流量系數(shù)

傳感器輸出的f10信號(hào)和f20信號(hào)經(jīng)信號(hào)相位鑒別電路［1］后可輸出流量計(jì)正向流動(dòng)計(jì)量信號(hào)f1和反向流動(dòng)計(jì)量信號(hào)f2，同時(shí)也可輸出流量脈沖信號(hào)f和流向狀態(tài)信號(hào)D。

對(duì)于正向流動(dòng)：D＝1，0＜Φ＜90°，對(duì)于反向流動(dòng)：D＝0，Φ＞90°。

4反射型光纖傳感器及流量計(jì)的測(cè)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(jì)對(duì)反射型光纖傳感器和內(nèi)磁式傳感器測(cè)試結(jié)果表明：反射型光纖傳感器信號(hào)特性：1Hz～6kHz；內(nèi)磁式傳感器信號(hào)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(jì)雙向流量測(cè)量

當(dāng)流量計(jì)正向安裝時(shí)，光電轉(zhuǎn)換電路輸出：

Q10＝f10/K;Q20＝0；Q0＝f10/K;D＝1。

當(dāng)流量計(jì)反向安裝時(shí)，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(jì)流量測(cè)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(jì)，應(yīng)用壓縮空氣測(cè)試流量信號(hào)輸出特性表明：

反射型光纖傳感器輸出信號(hào)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(hào)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(dòng)方向檢測(cè)電路示意圖

5結(jié)束語

應(yīng)用雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)可雙向流量測(cè)量，兩個(gè)流量信號(hào)經(jīng)鑒別電路實(shí)現(xiàn)了雙向流動(dòng)的檢測(cè)。

對(duì)于單向流量測(cè)量，也可通過流量計(jì)算機(jī)的算法消除因水擊產(chǎn)生的脈動(dòng)流造成渦輪往復(fù)震動(dòng)而引起的計(jì)量誤差，如下式：

Q＝(∑f1(D＝1)-∑f2(D＝0))/K

試驗(yàn)證明雙光纖傳感器渦輪流量計(jì)可接受頻率為1Hz～6kHz的渦輪信號(hào)，量程比為1∶400，全量程誤差為±1個(gè)脈沖；而內(nèi)磁式傳感器渦輪流量計(jì)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(shí)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(hào)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(jì)的要求變化，應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，為渦輪的設(shè)計(jì)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(hào)直接與流量計(jì)接觸的特點(diǎn)，因而適宜煤氣、輕質(zhì)油料等透明介質(zhì)的流量測(cè)量。