摘  要： 研究出一種光纖傳感器與電磁渦流傳感器相結(jié)合的新型煤氣流量計，并給出理論模型和實際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。煤氣流量計對旋渦發(fā)生體進(jìn)行了*設(shè)計，即將光纖嵌入到旋渦發(fā)生體內(nèi)部構(gòu)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(jīng)旋渦發(fā)生體時產(chǎn)生的變動升力大小，結(jié)合信號電極測量出的渦流頻率，由單片機計算出流體質(zhì)量流量。與其它煤氣流量計相比，光纖式質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)簡單，抗*力強。以水為被測對象的實驗證明，其測量結(jié)果的相對誤差左1%以內(nèi)。

引言
      光纖技術(shù)在近20年獲得了飛速發(fā)展，據(jù)不*統(tǒng)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(fā)展迅速，*已達(dá)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(jié)合起來，制成光纖式煤氣流量計。設(shè)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(zhì)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(tǒng)流量計檢測變動升力時的困難，所以光纖式質(zhì)量流量計必將獲得廣泛應(yīng)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(fā)生體）和信號電極，當(dāng)流體的流速達(dá)到一定數(shù)值時，在旋渦發(fā)生體兩側(cè)會交替釋放出兩列規(guī)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(guān)系式：

式中v1為旋渦發(fā)生體和管道流通截面之間的平均流速，m/s；d為旋渦發(fā)生體迎流面的寬度，m；St為斯特勞哈爾數(shù)，無綱量，當(dāng)雷諾數(shù)Re>5x103時，St為常數(shù)。
      當(dāng)旋渦在發(fā)生體兩側(cè)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(jù)湯姆生定律：沿封閉流動流線上的環(huán)量不隨時間而改變。當(dāng)在旋渦發(fā)生體右（或左）下方產(chǎn)生一個旋渦以后，必須在其它地方產(chǎn)生一個相反的環(huán)量以使合環(huán)量為零，這個環(huán)量就是旋渦發(fā)生體周圍的環(huán)流。根據(jù)茹科夫斯基升力定律：由于此環(huán)量的存在，會在旋渦發(fā)生體上產(chǎn)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(shù)（無綱量），只與旋渦發(fā)生體形狀有關(guān)；ρ為被測流體密度，kg/m3；b為旋渦發(fā)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(shù)。當(dāng)一臺儀表制造好后，為確定常數(shù)。
      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(zhì)量流量。顯然，問題關(guān)鍵是想辦法檢測出FLf和分得數(shù)值。
1.1 變動升力的檢測
      由前式分析可知，當(dāng)流體作用在旋渦發(fā)生體側(cè)面時，會在發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生一個橫向升力。經(jīng)過多方案對比實驗，筆者zui終采用了梯形旋渦發(fā)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(fā)生體）結(jié)構(gòu)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(dāng)橫向升力作用在旋渦發(fā)生體兩側(cè)膜片時，膜片產(chǎn)生變形位移，擠壓在旋渦發(fā)生體和膜片之間的光纖產(chǎn)生微彎效應(yīng)，光纖受到彎曲引起彎曲損耗使光纖輸出的光強度發(fā)生變化，從而測得橫向升力的大小。
由光波動理論可推導(dǎo)出微彎損耗系數(shù)α的一階表達(dá)式

中u（t）為隨時間t變化的動態(tài)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(shù)的微彎周期（空間波長）為Λ，那么Λ=2Π/q；K為比例系數(shù)；L為光纖產(chǎn)生微彎變形部位的長度；△β為光纖中光波傳播常數(shù)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(jīng)進(jìn)一步運算可推導(dǎo)出光纖微彎損耗系數(shù)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(fā)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(jīng)旋渦發(fā)生體被發(fā)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(chǎn)生同頻率的振動。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：導(dǎo)體在磁場中運動切割磁力線，在導(dǎo)體兩側(cè)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Ex
      Ex=Bdv2     （6）
式中 Ex為感應(yīng)電動勢；B為磁感應(yīng)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(yīng)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(yīng)電動勢Ex的變化頻率f，就可以測出其體積流量qv。
2 系統(tǒng)設(shè)計
      根據(jù)前面的分析，對光纖式煤氣流量計進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計，如圖4所示。它可分為光纖升力檢測系統(tǒng)和電磁渦流頻率檢測系統(tǒng)兩部分，其中光纖升力檢測系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體激光器、光纖升力檢測器、光電檢測器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機等部分組成。

首先，半導(dǎo)體激光器發(fā)出0.85μm波長的激光，經(jīng)過耦合接頭進(jìn)入光纖升力檢測器。當(dāng)被測流體經(jīng)過旋渦發(fā)生體時，由于渦流在發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生變動升力，升力作用在膜片上使光纖產(chǎn)生微彎變形，導(dǎo)致放大器接收到的光強度發(fā)生變化。然后，隨流量變化的光強度經(jīng)過光電檢測器轉(zhuǎn)換成電壓由放大器放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機系統(tǒng)計算出變動升力的大小。同時，信號電極檢測出旋渦頻率，經(jīng)放大器放大、濾波送入單片機，與獲得的升力進(jìn)行除法運算以顯示質(zhì)量流量的大小。
3 實驗
      在完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對所設(shè)計的40mm口徑的煤氣流量計在水實驗裝置上進(jìn)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(jié)果，還是光纖式升力檢測系統(tǒng)的實驗。從結(jié)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(guān)系（見圖5），理論公式和測量結(jié)果曲線之間*吻合，變動升力FLf和流量Kρv12 的結(jié)果均很理想。與標(biāo)準(zhǔn)流量計的測量結(jié)果進(jìn)行對比，該流量計的相對誤差小于1%。
4 結(jié)論
      本文論述了一種新型的煤氣流量計，詳細(xì)介紹了其測量原理，對主要的敏感元件進(jìn)行了分析設(shè)計，給出了整個硬件系統(tǒng)的組成，完成了相關(guān)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(jié)構(gòu)簡單可靠，測量精度高，抗振動干擾性能*。將光纖放在旋渦發(fā)生體中利用膜片感受升力大小的結(jié)構(gòu)十分巧妙，不僅克服了傳統(tǒng)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(zhì)量流量檢測的問題。把光纖傳感器與電磁渦流傳感器相結(jié)合，通過雙通道檢測原理得到質(zhì)量流量信號的測量方法，可以說在流體煤氣流量測量領(lǐng)域開辟了一條新的途徑，必將擁有廣闊的前景。

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