[發明專利]體積及質量流量檢測方法及裝置

有效

• 申請號: 202010776510.3
• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN111947722B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發明（設計）人: 龔圣捷;朱曄晨;張波濤;孫運達;李晗;王俊杰;尹令
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01F1/20
• 分類號: G01F1/20;G01F1/86
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種體積及質量流量檢測方法及裝置，通過將帶有金屬涂敷層的布拉格光纖光柵與金屬薄片制成振動溫度復合傳感器，并布置在管道中央進行流場的流速和流場溫度的測量，從而得到體積流量和質量流量。本發明將渦激振動原理與光纖光柵傳感技術結合可有效地簡化流量計的結構和工藝，結構簡單，安裝方便，溫度自補償、靈敏度高、測量準確、可實現分布式測量。

技術領域

本發明涉及的是一種流體檢測領域的技術，具體是一種體積及質量流量檢測方法及裝置。

背景技術

在工業生產和生活的很多領域，都需要對流體的流量進行監測。目前，常用的流量計有孔板流量、文丘里流量計、渦輪流量計和渦街流量計等。這些流量計大多是通過電傳感器測得壓差、轉速或振動信號，再輸入分析設備進行計算，最后得出流量數值。但是，電子類傳感器存在密封性差、易漏電、易腐蝕、受電磁干擾等問題。光纖流量計具有抗電磁干擾、尺寸小和重量輕等優點，但光纖流量計是利用流量對光信號的強度和相位的調制而設計的，而相位受環境影響較大，實際應用中很難準確檢測。上述的測量方法，僅限于體積流量的測量，因缺乏溫度的值，不能得到質量流量值。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種體積及質量流量檢測方法及裝置，將渦激振動原理與光纖光柵傳感技術結合可有效地簡化流量計的結構和工藝，結構簡單，安裝方便，溫度自補償、靈敏度高、測量準確、可實現分布式測量。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種體積及質量流量檢測方法，通過將帶有金屬涂敷層的布拉格光纖光柵與金屬薄片制成振動溫度復合傳感器，并布置在管道中央進行流場的流速和流場溫度的測量，從而得到體積流量和質量流量。

所述的振動溫度復合傳感器包括：帶有法蘭的外殼和豎直設置于其內部的用以產生流致振動的金屬薄片，其中：薄片的一側設置兩個串接的布拉格光纖光柵傳感器，沿薄片中軸線對稱布置。

所述的體積流量，通過以下方式得到：將振動溫度復合傳感器置入待測流管中，通過來流激發金屬薄板產生振動，固定在金屬薄板上的的光纖布拉格光柵隨薄板產生振動，其中心波長發生周期性變化；輸入的寬帶光被兩個光纖布拉格光柵依次反射，反射光中心波長隨薄板振動發生變化，該中心波長的變化頻率的峰值頻率即為金屬薄板振動的頻率，根據渦激振動原理可以得到流體流速并計算獲得體積流量，即其中u為流速，h為結構特征尺寸，St為無量綱參數，f為結構振動頻率，基于流速與結構振動頻率呈線性關系，故通過對結構的振動頻率測量即得到流速。

所述的質量流量，通過以下方式得到：當環境溫度T或應力值P發生變化時，光纖布拉格光柵的中心波長λ_B會發生漂移，中心波長值λ_B與應力P和溫度T的對應關系為：其中：k_P和k_T分別代表光纖布拉格光柵的應變和溫度響應系數，通過實驗進行標定；通過對兩個光纖布拉格光柵進行測量，得到其中：k_P1、k_T1、k_P2、k_T2分別對應兩個光纖布拉格光柵的應力和應變相應系數；對上述矩陣進行解耦得到溫度值和應力值，進一步獲得質量流量。

本發明涉及一種實現上述方法的體積及質量流量檢測裝置，包括：振動溫度復合傳感器和與之相連的光纖光柵解調分析儀和控制模塊，其中：振動溫度復合傳感器中的兩個布拉格光纖光柵采用不同的中心波長并通過光纖尾纖從引出孔引出后與光纖光柵解調分析儀以及控制模塊相連以進行信號分析并得到體積流量和質量流量。

所述的外殼為中空的圓柱形結構與被測管道同尺寸，兩端帶有法蘭盤可與被測管道連接。

所述的光纖光柵解調分析儀包括：與布拉格光纖光柵相連的通道、生成寬帶信號源的光源模塊、耦合信號的光耦合器模塊、對布拉格光纖光柵輸出信號進行檢測的信號檢測分析模塊以及與控制模塊連接的通道。