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光纤速度式涡轮流量传感器


文章日期:2018-01-31|阅读数:


    介绍一种利用光学方法测量涡轮转速的光纤速度式涡轮流量传感器,指出该传感器具有信噪比高、量程比大等优点。详细介绍了该传感器的结构与工作原理,给出了标定结果。 
    在航空发动机试车台上进行的燃气涡轮运转试验中,涡轮刚起动时,燃油流量较小,加速过程中,燃油流量迅速增加。目前国内的试车台上,一般采用磁电式涡轮流量计,但其量程小,往往要用几只口径不同的流量计配合测量。流量小时,用小口径流量计;流量大时,用大口径流量计,需根据流量大小用阀门进行切换。而本文介绍的光纤速度式涡轮流量传感器由于其量程比大,测量范围宽,用一只传感器便可测量发动机试车时燃油变化的全过程,在航空发动机起动试验和性能试验中是一种理想的流量检测装置。

1、传感器结构设计:
   光纤速度式涡轮流量传感器的结构原理图如图1所示,当被测流体沿管道流过涡轮叶片时,涡轮叶片将产生旋转运动,当叶片顶端对准光纤端面时,光将发生反射,此时光电接收器将产生一个电脉冲信号,该信号的频率与被测流体的流量具有对应关系,因此,只要测出脉冲信号的频率,就可以求得流体的瞬时流量值,瞬时流量对时间进行积分可求得累积流量。
   图1b是传感器信号检出装置原理图,主要由光纤、发光光源、光电探测器及信号处理电路组成。光纤束设计成Y型结构,分为发送光纤束和接收光纤束。
  发送光纤束一端与光源藕合,并将光源射人其纤芯的光传播到涡轮叶片端面上。反射光由接收光纤拾取,并传播到光电探测器上,光电探测器将光信号转换为电信号输出。
图1光纤涡轮流量传感器结构框图

图1光纤涡轮流量传感器结构框图
  发送光纤束和接收光纤束在探头内部按同轴分布排列,中心圆内为发送光纤束,其周围为接收光纤束,该分布方式的特点是照射光集中,采光面积大。光纤采用芯径为50 lam的大数值孔径(NA = 0 . 602)多模阶跃型光纤,这样可尽量多收集反射光信号,以提高传感器的抗干扰能力。
    光电探测器输出的电信号一般比较微弱,必须进行放大和整形,***后变成与TIZ“电平兼容的频率信号,以便于后续电路处理。
   光纤速度式涡轮流量传感器可以设计成组合式和分离式两种结构,前者是光纤、光源、光电探测器和信号处理电路纳人传感器主体内;后者仅将光纤纳人其中,其余部分远离测试现场,中间通过光缆传输。

2、流量检测原理:
   光纤速度式涡轮流量传感器是应用流体动量矩原理实现流量测量的。由动量矩定理可知,当涡轮旋转时,它的运动方程为:
计算公式

式中:J为涡轮的转动惯量;dwldt为涡轮旋转角加速度;M:为推动涡轮旋转力矩; M为阻碍涡轮旋转的各种阻力矩。    假定流体沿着管道的轴线方向以速度。冲击涡轮叶片,使得涡轮以“二,的圆周速度旋转,即涡轮是处于对流体作相对运动状态,其运动示意图如图2所示。
图2涡轮运动示意图

图2涡轮运动示意图
  流体流动时推动涡轮旋转的驱动力矩为:,式中:B为叶片半径处的螺旋角wr2pqy  (2);r为涡轮的平均半径;,为涡轮旋转的角速度;}P为流体密度;A为流通截面积;q。为流体通过传感器的体积流量;B为与传感器结构尺寸、流体性质和流体运动状态有关的系数。    当传感器的结构确定下来后,式(2)中的有些参数
图3传感器标定特性曲线


图3传感器标定特性曲线
为常数,因此,驱动力矩Mr与体积流量q、有确定的对应关系。    在无阻力矩的理想情况下,并假定涡轮起动以后,管内流体的流量不随时间而变化,即作定常流动,则涡轮以稳定的角速度旋转,此时                dw                  dc将式(2)代入式即M,整理后可得(3)   月(4)    设涡轮的叶片数为Z,转速为n,则每旋转一周将产生Z个电脉冲信号,单位时间内产生的电脉冲数N为N二Zn二Z w=  7C rH(5)    从式(5)可知,传感器输出的电脉冲数N与流量qv有确定的对应关系,只要检测出电脉冲数N就可得到流量9;值。设K二BZtgBl2a rA为仪表常数,对于特定的涡轮,Z,B,r与A都为常数,所以K为一常量,则有:        N=殉。或q。二NlK          (6)    式(6)中的仪表常数K是在没有考虑阻力矩的情况下得到的,实际上涡轮在旋转时,除了受到驱动力矩的作用外,还同时要受到阻碍涡轮旋转的各种阻力矩。主要有流体粘滞磨擦力引起的粘滞磨擦阻力矩和由轴承引起的机械磨擦力矩。因此,传感器输出的电脉冲数N与流量9;不是严格的线性关系,特别是在小流量区域,由于驱动力矩较小,阻力矩的影响相对就比较大,传感器的非线性也比较明显。随着流量的增加,驱动力矩也增大,当驱动力矩增大到一定程度时,阻力矩可以忽略不计,这时N,q,基本成线性关系。

3、传感器标定结果:
   传感器在设计安装调试完成之后,在计量部门进行了标定,为了与口径为笋25~的电磁涡轮流量传感器进行比较,本文给出了与之口径一致,轴承和涡轮转子材料相同的光纤速度式涡轮流量传感器的标定结果。标定程序严格按照流量标定规程进行,标定介质为水,共进行了三个来回行程。标定结果见图3,其中图3a为9、一N关系曲线,图3b为9、一K关系曲线。
   由标定结果可知:光纤速度式涡轮流量传感器的可测量范围为0.29一12.60衬/h,量程比为43:1,在标定时,由于标定装置压力不够,流量只能做到12.60m3/h,不可能再上升,否则,流量测量上限还有可能提高。而相同口径的电磁涡轮流量传感器可测量范围为1.19一12.24时/h,量程比只有10:1,由此可见,光纤速度式流量传感器的测量死区大为减小。
   经对标定结果进行分析计算可知:传感器在全量程范围内的线性误差为0.83%,该数值有些偏大,但其重复性误差仅为0.25%,因此,可以很方便地利用非线
性修正的方法来减小线性误差。例如,采用三段线性插值方法,传感器的线性误差就可减到0.30%。

4、结论:
   光纤速度式涡轮流量传感器具有测量重复性好,量程比大,抗电磁干扰能力强和安全可靠等独特的优点,尤其是分离式光纤速度式涡轮流量传感器,测试现场不带电,在低粘度燃油及可燃性气体流量测量中是一种安全可靠的流量检测仪器。


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