一種應變式光纖流量計的製作方法
2023-05-07 17:54:21 1
專利名稱：一種應變式光纖流量計的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及流量計，特別涉及一種應變式光纖流量計。
背景技術：
傳統的渦街流量計均是利用卡門渦街方式產生測量信號，然後再利用超聲法、壓電晶體等法將這些信號採集和提取出來(渦流檢波)。根據卡門渦街原理，形狀為梯形的旋渦發生體位於被檢測介質的流通通道中。當流體(包括氣、液)與旋渦發生體相遇時，會生成渦流，這些渦流在旋渦發生體兩側交替產生時，會產生一個與流向方向垂直的交變升力作用在檢測信號的測量體上，應力的變化頻率與旋渦分離體的頻率相同。渦街流量傳感器就是利用這種原理進行汽體、液體液量測量的。
當已穩定的旋渦列滿足公式h＝1.3d時，一列旋渦的頻率f與流速V和旋渦發生體迎面寬度d有如公式(1)所示的關係f＝SrV/d (1)其中；f旋渦頻率；Sr斯特羅哈爾數(對一定旋渦體是常數)；V流體平均流速；D旋渦體迎面寬度。
該旋渦頻率f與流速V和體積量成正比。傳統的渦街流量傳感器，無論是利用壓電晶體信號檢測法、還是利用超聲檢測法都可以確定被測介質的流速和體積流量。
但是，傳統的渦街流量傳感器存在以下缺點抗震性差、下限頻率差、抗電磁幹擾性差等。
實用新型內容鑑於現有技術中存在的問題，本實用新型提供一種應變式光纖流量計。
本發明提供一種應變式光纖流量計，包括壓力和溫度傳感器，用於檢測被測流體的壓力和溫度信號，然後通過相應的光電和電光接口電路傳送至放大器中進行放大；其中，還包括光纖流速傳感器，用於檢測被測流體的流速信號，並將該信號通過與該光纖流速傳感器相應的光電及電光接口電路送入放大器進行放大；模擬/數字轉換及模擬開關傳感器，用於接收放大器傳送的放大信號，並將該信號轉換為數位訊號，送至數據處理單元中；數據處理單元，接收所述數位訊號並進行流量的計算，並將計算出的結果送入顯示器中進行顯示。
還包括一鍵盤，與所述數據處理單元連接，用於輸入被測流體的種類。
所述光纖流速傳感器由光纖應變片製成；其中，所述光纖應變片由特種光纖製成，該特種光纖採用手刻酸蝕法、直接加工法、光刻酸蝕法或熱刻酸蝕法製成。
所述手刻酸蝕法是指將光纖固定在刻尺上，在放大鏡的作用下，採用刀片按照所需圖樣去除光纖表面的塑料外套，形成所需的損傷圖形。
所述直接加工法是指採用離子束或電子束直接轟擊光纖包層表面形成所需的損傷圖形。
所述光刻酸蝕法是指先在去除塗敷層的裸光纖上塗上一層薄的紫外固化環氧樹脂，然後覆蓋上光掩膜置於強紫外光場單曝光，從而光掩膜上刻著的設計圖樣就寫在了環氧樹脂上；清洗掉未爆光的樹脂後，置入氫氟酸溶液中腐蝕去除未受環氧樹脂保護的那部分光纖包層，到規定時間取出光纖清洗，形成所設計的損傷型光纖。
所述熱刻酸蝕法是指利用加熱的刀片周期性的去除光纖表面的塑料外套，浸入氫氟酸溶液中，形成所需的損傷圖形段；未熱刻的部位保留塑料外套保持光纖免受損傷腐蝕，形成非刻紋段；然後，去除表面殘餘的塑料外套形成所需的損傷圖形。
與所述光纖流速傳感器相應的光電接口電路由光橋電路和放大電路構成。
與所述光纖流速傳感器相應的光電接口電路由光橋和電橋構成。
本實用新型的應變式光纖流量計利用經過處理的光纖製造成光纖傳感器安裝在傳統的卡門渦街體上，形成新一代的光纖渦街流量計。而利用光纖應變片式的光纖流量計則具有如下的特點安全性好、無電火花、可測易燃、易爆的液體或氣體；可靠性好、沒有任何可動部件和聯接環節、誤差小；由於光纖是由玻璃或塑料製成，在加上外面可以被覆上各種保護層，因而不怕液體或氣體的腐蝕；結構簡單、性能良好；不受強電磁埸、大電流和高溫的影響；對被測液體或氣體的流阻很小；抗震性好及下限頻響好等特點。
圖1為本實用新型的應變式光纖流量計工作原理示意圖；圖2為本實用新型最佳實施例的應變式光纖流量計的組成結構示意圖；圖3A為本實用新型彎曲光纖的處理示意圖；圖3B為本實用新型彎曲光纖的彎曲特性示意圖；圖4為本實用新型光纖結構示意圖；圖5為本實用新型光橋電路和放大電路工作原理圖示意圖；圖6為本實用新型差動光橋放大電路的示意圖；圖7為本實用新型光源電路原理圖。
具體實施方式
本實用新型為一種應變式光纖流量計。如圖1所示，為本實用新型應變式光纖流量計工作原理示意圖。如圖所示，應變式光纖流量計的基本工作原理是利用經過處理的特種光纖製造成光纖傳感器安裝在傳統的卡門渦街體上，形成新一代的光纖渦街流量計。
如圖2所示，為本實用新型最佳實施例的應變式光纖流量計的組成結構示意圖。如圖2所示，該流量計包括光纖壓力傳感器和光纖溫度傳感器及其相應的光電及電光接口電路、光纖流速傳感器及其相應光電及電光接口電路、放大器、信號採集單元、數據處理單元、顯示器和鍵盤。其中，光纖壓力傳感器和光纖溫度傳感器，用於檢測被測流體的壓力和溫度信號，然後通過光電及電光接口電路送至放大器中進行放大；光纖流速傳感器，用於檢測被測流體的流速信號，並將該信號通過相應的光電及電光接口電路送入放大器進行放大；模擬/數字轉換及模擬開關傳感器，用於接收放大器傳送的放大信號，並將該信號轉換為數位訊號，送至DSP數據處理器中；數據處理單元，接收所述數位訊號並進行流量的計算，並將計算出的結果送入顯示器中進行顯示；其中，本實施例中數據處理單元為DSP數據處理器，顯示器為液晶數字顯示器。
另外，DSP數據處理器還與一鍵盤連接，該鍵盤用於輸入被測流體的種類；DSP數據處理器還包括一輸出接口，用於接入用戶設備。該接口採用RS485。
DSP數據處理器還可連接一存儲器，用於存儲測出的數據。
其中，DSP數據處理器可以按照氣態方程進行溫度和壓力補償，並自動進行壓縮因子修正，其處理後的數據為標準狀態下的流量值。其中的氣態方程式如下Qn＝Zn/Zg(Pg+Pa)/PnTn/TgQg式中Qn標準狀態下的體積流量(m3/h)；Qg未修正的體積流量(m3/h)；Pg流量計中壓力檢測點的表壓(kPa)；Pa當地大氣壓(kPa)；
Tg介質的絕對溫度(273.15+t)k；T被測介質的攝氏溫度(℃)；Zn標準狀態下的壓縮係數；Zg工作狀態下的壓縮係數；Tn標準狀態下的絕對溫度(293.15k)；Pn標準大氣壓(101.325kPa)。
注對於天然氣Zn/Zg＝Fz2，Fz稱超縮因子，按中國天然氣總公司的標準SY/T6143-1996中的公式進行計算。
本實施例中，所述光纖流速傳感器由光纖應變片製成。光纖應變片是由特種光纖製成，其中，特種光纖採用手刻酸蝕法、直接加工法、光刻酸蝕法或熱刻酸蝕法製成。其中，手刻酸蝕法是指將光纖固定在刻尺上，在放大鏡的作用下，採用刀片按照所需圖樣去除光纖表面的塑料外套，形成所需的損傷圖形。
直接加工法是指採用離子束或電子束直接轟擊光纖包層表面形成所需的損傷圖形。
光刻酸蝕法是指先在去除塗敷層的裸光纖上塗上一層薄的紫外固化環氧樹脂，然後覆蓋上光掩膜置於強紫外光場單曝光，從而光掩膜上刻著的設計圖樣就寫在了環氧樹脂上；清洗掉未爆光的樹脂後，置入氫氟酸溶液中腐蝕去除未受環氧樹脂保護的那部分光纖包層，到規定時間取出光纖清洗，形成所設計的損傷型光纖。
熱刻酸蝕法是指利用加熱的刀片周期性的去除光纖表面的塑料外套，浸入氫氟酸溶液中，形成所需的損傷圖形段；未熱刻的部位保留塑料外套保持光纖免受損傷腐蝕，形成非刻紋段；然後，去除表面殘餘的塑料外套形成所需的損傷圖形。
圖3A為本實用新型彎曲光纖的處理示意圖；圖3B為本實用新型彎曲光纖的彎曲特性示意圖；結合附圖對光纖應變片的工作原理進行說明。
在光纖內，光是在芯線和包層的界面上反覆進行全反射傳播的。但是若要通過彎曲、變形和溫度等外來刺激使光強產生變化，就必須採用某些方法衰減在光纖內部傳輸的光。也就是說，必須在光纖上加上外來刺激，使它產生模式變換，從波導路向外部產生光散射。只把未進行損傷處理的光纖進行彎曲，也能多少產生這種現象，但非常不靈敏。
然而本實用新型中把光纖的包層或纖芯的一部分去掉(這就叫做損傷處理)，通過彎曲試圖提高向外部的光散射。
光纖應變式傳感器是將光纖單側進行處理以使其光通量產生損失並與其局部彎曲量成正比。損失的光，被光纖的外包層吸收以避免與外部環境光線相互作用。對於一個標準的光纖傳感器，處理過的區域很少，位於靠近微型光纖環路的頂端。這樣就在結構的頂端點造成靈敏區並且由於環路的幾何形狀而產生較大的光通量。此結構比其它微彎曲光纖傳感器的形狀更易定型。對於彎曲來講，這種結構比之未處理的光纖大約要靈敏數千倍。光纖應變片的基本工作原理圖如圖3A和圖3B所示。
從圖3B可看出，此結構的光強度輸出量與彎曲量成很好的線性關係，並且具有雙向特性，當光纖應變片平直時(就是在沒有受到外力的作用時)其輸出量位於線性段的中心點，應變片向上彎曲時輸出量增大，向下彎曲時輸出量減少。
本實施例中，將光纖應變片組合成光橋(光纖應變橋)，形成流速傳感器，並安裝於渦街體的前端1cm處，以檢測由渦街體產生的渦街力。如圖4所示，為光纖應變橋的結構示意圖。
由於旋渦交替的產生渦街力作用在光纖應變橋上，使光纖應變片的傳光特性發生變化，其傳光特性的變化頻率與旋渦產生的頻率相同，因而將光信號轉換成電信號，其電信號的頻率經過運算後得到要測量的流量(包括各種氣、液體)。
以下對光纖應變橋的工作原理進行說明。
使用光橋技術以獲得穩定、補償的測量。兩個光纖環路在相對的方向上處理，這樣在同樣的彎曲下，其中之一的輸出增加，而另一個則減少，兩個光橋的輸出均被放大然後做模擬加、減，差值即是彎曲量的輸出信號。在光橋線路中，如光源，光探測器以及光纖環路的參數選擇相同，也即是選擇一致，則兩個信號之合在控制環路中保持恆定。由於採用了這種技術，因此補償了所有通常情況下的摸式改變，如光源老化，溫度變化，引線彎曲等，保證只有彎曲信號輸出。
其中，光電接口電路可由光橋電路和放大電路構成。如圖5所示，為光橋電路和放大電路工作原理圖。如圖5所示，假定選擇LED1和LED2特性相同或者相接近。並調整兩隻三級管T1和T2的工作電流相同，以及選擇探測器PIN1和PIN2的特性相似。從中可看出對於兩隻光敏三級管PIN1和PIN2無光照時，其輸出的光電壓均相等。即V1＝V2時，則輸出V0＝0。
當光敏三級管PIN1光照增加，而光敏三級管PIN2的光照減少時，即V1＝+、V2＝-則電信號輸出V0＝+，信號增加。
當光敏三級管PIN1光照減小，而光敏三級管PIN2的光照增加時，即V1＝-、V2＝+則電信號輸出V0＝-，信號減小。
由此形成差動電橋輸出信號。從電路圖中分析，所設計的電路圖，形成差動放大器，而在光橋的設計上也形成差動的光信號。因此該測量系統的靈敏度是特別高的。
由於光纖應變元件已經設計成差動光橋，故從光纖應變片元件的輸出光信號已是差動信號，這在前面已經分析過，由於採用差動光橋信號，故而已經克服了許多光纖元器件所帶來的誤差信號，提高了光路的測量精度，穩定度和靈敏度。
如圖6所示，為差動放大器的電路示意圖。即光電接口電路由光橋和電橋構成，其工作原理如圖所示，此處不再贅述。
如圖7所示，為光源電路原理圖，即電光接口電路。由於控制三級管T2的基級電壓的恆定，所以使得光電流恆定，因而發光管的光發射功率為穩定的光功率。
溫度和壓力傳感器及其相應當光電/電光接口電路可採用現有技術完成。
上述實施例僅用於說明本實用新型，而非用於限定本實用新型。
權利要求1.一種應變式光纖流量計，包括壓力和溫度傳感器，用於檢測被測流體的壓力和溫度信號，然後通過相應的光電和電光接口電路傳送至放大器中進行放大；其特徵在於，還包括光纖流速傳感器，用於檢測被測流體的流速信號，並將該信號通過與該光纖流速傳感器相應的光電及電光接口電路送入放大器進行放大；模擬/數字轉換及模擬開關傳感器，用於接收放大器傳送的放大信號，並將該信號轉換為數位訊號，送至數據處理單元中；數據處理單元，接收所述數位訊號並進行流量的計算，並將計算出的結果送入顯示器中進行顯示。
2.根據權利要求1所述的應變式光纖流量計，其特徵在於，還包括一鍵盤，與所述數據處理單元連接，用於輸入被測流體的種類。
3.根據權利要求1所述的應變式光纖應流量計，其特徵在於，所述光纖流速傳感器由光纖應變片製成；其中，所述光纖應變片由特種光纖製成，該特種光纖採用手刻酸蝕法、直接加工法、光刻酸蝕法或熱刻酸蝕法製成。
4.根據權利要求3所述的應變式光纖流量計，其特徵在於，所述手刻酸蝕法是指將光纖固定在刻尺上，在放大鏡的作用下，採用刀片按照所需圖樣去除光纖表面的塑料外套，形成所需的損傷圖形。
5.根據權利要求3所述的應變式光纖流量計，其特徵在於，所述直接加工法是指採用離子束或電子束直接轟擊光纖包層表面形成所需的損傷圖形。
6.根據權利要求3所述的應變式光纖流量計，其特徵在於，所述光刻酸蝕法是指先在去除塗敷層的裸光纖上塗上一層薄的紫外固化環氧樹脂，然後覆蓋上光掩膜置於強紫外光場單曝光，從而光掩膜上刻著的設計圖樣就寫在了環氧樹脂上；清洗掉未爆光的樹脂後，置入氫氟酸溶液中腐蝕去除未受環氧樹脂保護的那部分光纖包層，到規定時間取出光纖清洗，形成所設計的損傷型光纖。
7.根據權利要求3所述的應變式光纖流量計，其特徵在於，所述熱刻酸蝕法是指利用加熱的刀片周期性的去除光纖表面的塑料外套，浸入氫氟酸溶液中，形成所需的損傷圖形段；未熱刻的部位保留塑料外套保持光纖免受損傷腐蝕，形成非刻紋段；然後，去除表面殘餘的塑料外套形成所需的損傷圖形。
8.根據權利要求1所述的應變式光纖流量計，其特徵在於，與所述光纖流速傳感器相應的光電接口電路由光橋電路和放大電路構成。
9.根據權利要求1所述的應變式光纖流量計，其特徵在於，與所述光纖流速傳感器相應的光電接口電路由光橋和電橋構成。
專利摘要本實用新型提供一種應變式光纖流量計，包括壓力和溫度傳感器，用於檢測被測流體的壓力和溫度信號，通過相應的光電和電光接口電路傳送至放大器中進行放大；還包括光纖流速傳感器，用於檢測被測流體的流速信號，並將該信號通過與該光纖流速傳感器相應的光電及電光接口電路進入放大器進行放大；模擬／數字轉換及模擬開關傳感器；數據處理單元，接收所述數位訊號並進行流量的計算，並將計算出的結果送入顯示器中進行顯示。本實用新型安全性好、可測易燃、易爆的液體或氣體；可靠性好、誤差小；由於光纖是由玻璃或塑料製成，在加上外面可以被覆上各種保護層，因而不怕液體或氣體的腐蝕；抗震性好及下限頻響好。
文檔編號G08C23/06GK2839976SQ200520016948
公開日2006年11月22日 申請日期2005年4月21日 優先權日2005年4月21日
發明者劉瑞復 申請人:劉瑞復