一種光纖布喇格光柵渦街流量傳感器

賈振安,王恒超,史小宇,高 宏,白 燕,樊 偉

(1.西安石油大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710065;2.陜西省油氣資源光纖探測(cè)工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710065;3.陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065;4.CNPC重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——油藏光纖動(dòng)態(tài)檢測(cè)研究室,陜西 西安 710065)

0 引言

流量測(cè)量是現(xiàn)今工程領(lǐng)域中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié),對(duì)流量傳感器的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性有著極高的要求?？ㄩT渦街現(xiàn)象是一種典型的流致振動(dòng)現(xiàn)象[1],最初研究渦街現(xiàn)象的目的是為了防災(zāi),如高層建筑、橋梁纜繩、鉆井平臺(tái)等的損毀或折斷。但渦街現(xiàn)象存在兩面性,利用渦街發(fā)生體下游的渦街信號(hào)作為重要測(cè)量參量設(shè)計(jì)的渦街流量計(jì)在流量測(cè)量領(lǐng)域占據(jù)一角。與此同時(shí),渦街流量計(jì)以獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路和優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)今先進(jìn)的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。

近年來,光纖布喇格光柵(FBG)作為光纖傳感[2-4]領(lǐng)域中重要部件,利用光纖布喇格光柵具備靈敏度高,體積小和抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)良特點(diǎn),可以用于多種流量測(cè)量方式[5],但大多數(shù)為靶式[6]、壓差式[7]、渦輪式[8]和熱式[9]等方法,缺少對(duì)渦街流量傳感技術(shù)的研究。Shoichi Takashima等[10]介紹了一種雙光纖光柵的互相關(guān)流量計(jì),實(shí)驗(yàn)證明,該流量計(jì)在0～1.0 m/s內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。李紅民等[11]設(shè)計(jì)了一種不受溫度影響的光纖光柵渦街流量傳感器,通過使用PIN光電探測(cè)器接受渦街流量傳感器的光信號(hào),并利用帶通濾波器消除低頻波動(dòng)以解決光纖光柵溫度交叉敏感問題。Dong H J等[12]將光纖布喇格光柵封裝在圓柱發(fā)生體內(nèi),將渦街信號(hào)對(duì)發(fā)生體的諧振沖擊轉(zhuǎn)化為布喇格光柵軸向應(yīng)變,從而探測(cè)流量。該流量計(jì)在檢測(cè)油井流量時(shí)有較好的測(cè)量范圍。趙棟等[13]提出了一種基于白光干涉原理的全光纖渦街流量測(cè)量方法,通過相位調(diào)制來檢測(cè)渦街信號(hào)對(duì)光纖交替變化的橫向作用力,從而得到渦街頻率,進(jìn)而對(duì)流量進(jìn)行計(jì)量。仝克帥等[14]設(shè)計(jì)了一種基于旋渦發(fā)生體的FBG流量計(jì),通過在渦街發(fā)生體內(nèi)開設(shè)導(dǎo)壓腔,且導(dǎo)壓腔內(nèi)部粘貼固定有懸臂梁上的FBG,將光柵波長漂移與懸臂梁自由端撓度聯(lián)系起來,實(shí)現(xiàn)了對(duì)流體脈動(dòng)式?jīng)_擊的光學(xué)測(cè)量。劉月圓等[15]利用小波變換處理差壓式渦街流量計(jì)的渦街信號(hào),水流實(shí)驗(yàn)誤差小于0.5%,為濕蒸汽計(jì)量提供了新思路。

FBG渦街流量傳感器目前仍處在更深層次研究中,為了將光纖傳感與渦街流量計(jì)相結(jié)合,本文設(shè)計(jì)了一種基于FBG的渦街流量傳感器。該傳感器通過彈簧鋼片作為懸臂梁,將渦街信號(hào)轉(zhuǎn)化為懸臂梁振動(dòng),同時(shí)作用于FBG,當(dāng)不同流量經(jīng)過傳感器時(shí),FBG中心波長移位頻率不同,進(jìn)而測(cè)量出渦街頻率,通過渦街頻率的大小反映了液體流量大小。

1 FBG渦街流量傳感原理及傳感器制作

1.1 FBG傳感原理

FBG是一種纖芯折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制的無源光波導(dǎo)器件。由耦合模理論[16]可知,FBG中心反射波長λB取決于光纖柵距Λ和纖芯有效折射率neff,即:

λB=2Λ·neff

(1)

圖1(a)為FBG在1 550 nm附近的反射光譜。作為光纖傳感器件,FBG具有對(duì)溫度ΔT和應(yīng)變?chǔ)う磐瑫r(shí)敏感的屬性,即

(2)

圖1 光纖布喇格光柵特性分析

式中pe、α、ξ分別為彈光系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。

通過監(jiān)測(cè)布喇格中心波長λB漂移可以得到外界物理量。光柵的柵區(qū)長度L的選擇對(duì)FBG傳感性能測(cè)量十分重要,柵區(qū)長度L對(duì)反射率的影響如圖1(b)所示。由圖可見,L=10 mm的FBG綜合性能最優(yōu)。

1.2 渦街流量原理

圖2為渦街信號(hào)產(chǎn)生及原理。在一定雷諾數(shù)下,當(dāng)流體流過阻流體時(shí),阻流體下游會(huì)交替產(chǎn)生周期性脈動(dòng)旋渦,該旋渦稱為卡門渦街,也稱渦街信號(hào),阻流體被稱為渦街發(fā)生體[17]。本文選用三角柱型發(fā)生體。研究發(fā)現(xiàn),其對(duì)應(yīng)斯特勞哈爾數(shù)Sr為0.16。渦街產(chǎn)生的頻率f與流體流速U1之間的關(guān)系為

(3)

圖2 渦街信號(hào)產(chǎn)生及原理

式中:Sr為斯特勞哈爾數(shù),與雷諾數(shù)有關(guān);d為渦街發(fā)生體迎流面的寬度,三角柱發(fā)生體一般滿足d/D=0.28,D為測(cè)量管徑。

流速U1、管道截面面積S與流量Q之間的關(guān)系為

Q=S·U1

(4)

當(dāng)旋渦穩(wěn)定時(shí),兩列旋渦之間的距離h與同列中相鄰兩旋渦之間的距離H滿足:

(5)

1.3 傳感器測(cè)量原理與制作

圖3為實(shí)驗(yàn)原理圖。經(jīng)上述分析可知,當(dāng)渦街沿管道的軸向前進(jìn)時(shí),所產(chǎn)生的旋渦自旋方向相反,且在發(fā)生體下游產(chǎn)生垂直于流動(dòng)方向的升力。旋渦是交替產(chǎn)生的,故升力也是交替變化的,能同時(shí)為懸臂梁提供受迫振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力,因此懸臂梁會(huì)產(chǎn)生受迫振動(dòng),振動(dòng)方向與升力的方向一致。檢測(cè)懸臂梁受迫振動(dòng)的頻率(即渦街產(chǎn)生的頻率)可得到流量信息。

圖3 實(shí)驗(yàn)原理圖

根據(jù)振動(dòng)力學(xué),受迫振動(dòng)方程可表示為

(6)

式中:E為楊氏模量;I為慣性矩;EI為常數(shù)0;ρ為密度;S為截面積;g為重力加速度。

在忽略扭轉(zhuǎn)的情況下,式(6)中F(x,t)利用傅里葉變換可表示為

(7)

式中F,ω分別為受迫振動(dòng)的最大振幅和圓頻率。

聯(lián)立式(2),忽略溫度對(duì)FBG的影響,則FBG中波長漂移與F(x,t)的關(guān)系為

(8)

在F(x,t)周期性作用下,通過FBG中心波長的移位振動(dòng)譜體現(xiàn)渦街信號(hào)的頻率f。不同的流量流過渦街發(fā)生體,并在下游產(chǎn)生不同的渦街頻率,通過封裝在懸臂梁上的FBG來接收渦街信號(hào)。

傳感器制作過程如圖4所示。首先,懸臂梁選用厚度為0.1 mm的彈簧鋼片,并將其加工成長為25 mm、寬為3 mm的矩形等強(qiáng)度懸臂梁,并進(jìn)行除油、除銹處理,選擇矩形等強(qiáng)度懸臂梁可以減小懸臂梁的共振頻率;其次,本實(shí)驗(yàn)主要是考慮渦街信號(hào)的頻率,對(duì)FBG的受力情況不做過多分析,故選用柵區(qū)長度L為10 mm的FBG,并對(duì)FBG施加一定的預(yù)應(yīng)力后,固定在寬度3 mm的軸線中間位置,涂覆UV膠,并利用紫外線燈照射UV膠處。由于UV膠在使用時(shí)用量較少且膠結(jié)層較薄,可使FBG與彈簧鋼片粘接牢固,并將渦街信號(hào)充分傳遞在FBG上,實(shí)驗(yàn)效果較好[18]。

圖4 傳感器實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 溫度傳感實(shí)驗(yàn)

溫度傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。系統(tǒng)由101-2AB電熱鼓風(fēng)干燥箱、MOI-OSSM-ATX-1光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)組成。電熱鼓風(fēng)干燥箱測(cè)量溫度的量程為0～400 ℃,分辨率為0.1 ℃。光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)儀測(cè)試軟件為ENLIGHT,采樣頻率最大為5 000 Hz,分辨率為1 pm。

圖5 溫度傳感實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置與響應(yīng)曲線

本次溫度傳感測(cè)試為兩組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。將傳感器粘貼在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),隨著溫度的升高,FBG中心波長發(fā)生紅移,解調(diào)儀將中心波長與溫度的變化規(guī)律輸入計(jì)算機(jī)。本實(shí)驗(yàn)溫度靈敏度測(cè)試范圍為30～100 ℃,間隔10 ℃,分別做兩組實(shí)驗(yàn),每個(gè)測(cè)量點(diǎn)穩(wěn)定保溫5 min,得到FBG的中心波長與溫度之間的擬合關(guān)系式為

(9)

響應(yīng)曲線中溫度靈敏度分別為17.8 pm/℃和17.6 pm/℃,且兩次實(shí)驗(yàn)線性度均為0.999,這符合FBG溫度傳感原理。

2.2 流量傳感實(shí)驗(yàn)

流量傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由SXL-1油氣水三項(xiàng)流模擬裝置、渦街流量計(jì)、MOI-OSSM-ATX-1光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)儀、LPS-305數(shù)控式線性直流穩(wěn)壓電源(可提供±DC30 V)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成,如圖6所示。其中SXL-1油氣水三項(xiàng)流模擬裝置配備兩組不同管徑的可旋轉(zhuǎn)管道和DN25的直管段,可測(cè)量液體、氣體流量,利用柱塞泵、齒輪泵提供流量輸入,同時(shí)還配備流量溫度計(jì)、耐震壓力表等。渦街流量計(jì)選用型號(hào)為HYLUGB-DC-D25-J,且內(nèi)置三角柱型渦街發(fā)生體,流量測(cè)量精度為1.5,適用溫度為-30～250 ℃,液體測(cè)量范圍為1.2～16 m3/h,氣體測(cè)量范圍為8～50 m3/h。

圖6 流量實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)選擇在SXL-1油氣水三項(xiàng)流模擬裝置中DN25直管段進(jìn)行測(cè)試,渦街流量計(jì)利用法蘭對(duì)夾方式安裝位置在DN25直管且保持上游10DN、下游5DN處,這符合渦街流量計(jì)安裝要求,使流量輸入能提供準(zhǔn)確且穩(wěn)定的渦街信號(hào),同時(shí)利用LPS-305數(shù)控式線性直流穩(wěn)壓電源為渦街流量計(jì)提供穩(wěn)定DC 24 V。流量傳感測(cè)試介質(zhì)為常溫液態(tài)水。實(shí)驗(yàn)時(shí)將所制作的傳感器利用環(huán)氧樹脂膠水密封固定在渦街流量計(jì)下游,調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)管道并使其緩慢達(dá)到滿管狀態(tài),保證流量測(cè)量回路的完整性。實(shí)驗(yàn)采用柱塞泵變頻控制流量輸入,通過解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。調(diào)節(jié)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)后,水流穩(wěn)定5 min,共計(jì)測(cè)試10個(gè)測(cè)量點(diǎn),記錄FBG波長與時(shí)間的關(guān)系。

流量實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),FBG起始中心波長為1 554.089 nm,ENLIGHT采樣頻率設(shè)置為500 Hz。圖7將10個(gè)測(cè)量點(diǎn)的FBG波長移位頻率即渦街頻率變化規(guī)律,時(shí)間軸的疏密程度反映了FBG波長移位頻率。

圖7 10次流量測(cè)量點(diǎn)中心波長變化圖

由于渦街流量計(jì)自身的流量測(cè)量范圍和實(shí)驗(yàn)條件的限制,流量測(cè)量量程為1 486.96～4 001.70 L/h。本實(shí)驗(yàn)利用渦街流量計(jì)提供的渦街頻率作為參考,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用MATLAB做FFT處理。圖8為兩個(gè)極限測(cè)量點(diǎn)的時(shí)域、頻域響應(yīng)特性。

圖8 兩個(gè)極限測(cè)量點(diǎn)時(shí)頻響應(yīng)

圖9為流量響應(yīng)曲線。渦街頻率分別由渦街流量計(jì)與MATLAB提供,二者得到的渦街頻率具有很高的重合度,FBG得到渦街頻率f與流量Q擬合曲線方程為

圖9 流量響應(yīng)曲線

f=0.018 95·Q+1.031 43

(10)

由式(10)可以得到FBG流量測(cè)量靈敏度為0.018 95 Hz/(L·h-1)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試中最大誤差Δmax=1.048 75,非線性誤差為2.23%,由此可以看出,該傳感器具有較好的線性度和靈敏度。

本實(shí)驗(yàn)需要注意的是懸臂梁的選型。小口徑測(cè)量中,若彈簧鋼片太厚,則沒有振動(dòng)效果;若彈簧鋼片太薄,則振動(dòng)效果明顯。但這種傳感器屬于微懸臂梁結(jié)構(gòu),加工困難,且對(duì)于水流量測(cè)量還需考慮防銹問題,因此要根據(jù)實(shí)際情況做防銹處理以及考慮FBG與彈簧鋼片膠結(jié)層的耐用持久性。

3 結(jié)束語

本文提出了一種FBG渦街流量傳感器,可應(yīng)用于液體介質(zhì)的流量測(cè)量。傳感器將渦街信號(hào)作用在懸臂梁上并傳遞給FBG,其具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低和準(zhǔn)確度高的特點(diǎn),且對(duì)光學(xué)測(cè)量渦街流量領(lǐng)域具有較高的研究價(jià)值。在實(shí)驗(yàn)條件允許的范圍內(nèi),測(cè)試溫度靈敏度為17 pm/℃、渦街流量靈敏度為0.018 95 Hz/(L·h-1),且線性度均在0.99以上,非線性誤差為2.23%,流量測(cè)量量程為1 486.96～4 001.70 L/h。另外,對(duì)于懸臂梁的選型與FBG封裝增敏方面仍是該傳感領(lǐng)域的重點(diǎn)問題。未來研究應(yīng)圍繞對(duì)液體介質(zhì)的溫度與流量實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)和FBG檢測(cè)到的渦街信號(hào)后處理方面,以達(dá)到FBG渦街流量傳感器的微型化、多參量化的發(fā)展。