一种光纤布喇格光栅涡街流量传感器

贾振安,王恒超,史小宇,高 宏,白 燕,樊 伟

(1.西安石油大学 理学院,陕西 西安 710065;2.陕西省油气资源光纤探测工程技术研究中心,陕西 西安 710065;3.陕西省油气井测控技术重点实验室,陕西 西安 710065;4.CNPC重点实验室——油藏光纤动态检测研究室,陕西 西安 710065)

0 引言

流量测量是现今工程领域中十分重要的一个环节,对流量传感器的准确度与稳定性有着极高的要求。卡门涡街现象是一种典型的流致振动现象[1],最初研究涡街现象的目的是为了防灾,如高层建筑、桥梁缆绳、钻井平台等的损毁或折断。但涡街现象存在两面性,利用涡街发生体下游的涡街信号作为重要测量参量设计的涡街流量计在流量测量领域占据一角。与此同时,涡街流量计以独特的设计思路和优点,在现今先进的工业生产中发挥着重要作用。

近年来,光纤布喇格光栅(FBG)作为光纤传感[2-4]领域中重要部件,利用光纤布喇格光栅具备灵敏度高,体积小和抗电磁干扰强等优良特点,可以用于多种流量测量方式[5],但大多数为靶式[6]、压差式[7]、涡轮式[8]和热式[9]等方法,缺少对涡街流量传感技术的研究。Shoichi Takashima等[10]介绍了一种双光纤光栅的互相关流量计,实验证明,该流量计在0～1.0 m/s内具有良好的线性关系。李红民等[11]设计了一种不受温度影响的光纤光栅涡街流量传感器,通过使用PIN光电探测器接受涡街流量传感器的光信号,并利用带通滤波器消除低频波动以解决光纤光栅温度交叉敏感问题。Dong H J等[12]将光纤布喇格光栅封装在圆柱发生体内,将涡街信号对发生体的谐振冲击转化为布喇格光栅轴向应变,从而探测流量。该流量计在检测油井流量时有较好的测量范围。赵栋等[13]提出了一种基于白光干涉原理的全光纤涡街流量测量方法,通过相位调制来检测涡街信号对光纤交替变化的横向作用力,从而得到涡街频率,进而对流量进行计量。仝克帅等[14]设计了一种基于旋涡发生体的FBG流量计,通过在涡街发生体内开设导压腔,且导压腔内部粘贴固定有悬臂梁上的FBG,将光栅波长漂移与悬臂梁自由端挠度联系起来,实现了对流体脉动式冲击的光学测量。刘月圆等[15]利用小波变换处理差压式涡街流量计的涡街信号,水流实验误差小于0.5%,为湿蒸汽计量提供了新思路。

FBG涡街流量传感器目前仍处在更深层次研究中,为了将光纤传感与涡街流量计相结合,本文设计了一种基于FBG的涡街流量传感器。该传感器通过弹簧钢片作为悬臂梁,将涡街信号转化为悬臂梁振动,同时作用于FBG,当不同流量经过传感器时,FBG中心波长移位频率不同,进而测量出涡街频率,通过涡街频率的大小反映了液体流量大小。

1 FBG涡街流量传感原理及传感器制作

1.1 FBG传感原理

FBG是一种纤芯折射率发生轴向周期性调制的无源光波导器件。由耦合模理论[16]可知,FBG中心反射波长λB取决于光纤栅距Λ和纤芯有效折射率neff,即:

λB=2Λ·neff

(1)

图1(a)为FBG在1 550 nm附近的反射光谱。作为光纤传感器件,FBG具有对温度ΔT和应变Δε同时敏感的属性,即

(2)

图1 光纤布喇格光栅特性分析

式中pe、α、ξ分别为弹光系数、热膨胀系数和热光系数。

通过监测布喇格中心波长λB漂移可以得到外界物理量。光栅的栅区长度L的选择对FBG传感性能测量十分重要,栅区长度L对反射率的影响如图1(b)所示。由图可见,L=10 mm的FBG综合性能最优。

1.2 涡街流量原理

图2为涡街信号产生及原理。在一定雷诺数下,当流体流过阻流体时,阻流体下游会交替产生周期性脉动旋涡,该旋涡称为卡门涡街,也称涡街信号,阻流体被称为涡街发生体[17]。本文选用三角柱型发生体。研究发现,其对应斯特劳哈尔数Sr为0.16。涡街产生的频率f与流体流速U1之间的关系为

(3)

图2 涡街信号产生及原理

式中:Sr为斯特劳哈尔数,与雷诺数有关;d为涡街发生体迎流面的宽度,三角柱发生体一般满足d/D=0.28,D为测量管径。

流速U1、管道截面面积S与流量Q之间的关系为

Q=S·U1

(4)

当旋涡稳定时,两列旋涡之间的距离h与同列中相邻两旋涡之间的距离H满足:

(5)

1.3 传感器测量原理与制作

图3为实验原理图。经上述分析可知,当涡街沿管道的轴向前进时,所产生的旋涡自旋方向相反,且在发生体下游产生垂直于流动方向的升力。旋涡是交替产生的,故升力也是交替变化的,能同时为悬臂梁提供受迫振动的驱动力,因此悬臂梁会产生受迫振动,振动方向与升力的方向一致。检测悬臂梁受迫振动的频率(即涡街产生的频率)可得到流量信息。

图3 实验原理图

根据振动力学,受迫振动方程可表示为

(6)

式中:E为杨氏模量;I为惯性矩;EI为常数0;ρ为密度;S为截面积;g为重力加速度。

在忽略扭转的情况下,式(6)中F(x,t)利用傅里叶变换可表示为

(7)

式中F,ω分别为受迫振动的最大振幅和圆频率。

联立式(2),忽略温度对FBG的影响,则FBG中波长漂移与F(x,t)的关系为

(8)

在F(x,t)周期性作用下,通过FBG中心波长的移位振动谱体现涡街信号的频率f。不同的流量流过涡街发生体,并在下游产生不同的涡街频率,通过封装在悬臂梁上的FBG来接收涡街信号。

传感器制作过程如图4所示。首先,悬臂梁选用厚度为0.1 mm的弹簧钢片,并将其加工成长为25 mm、宽为3 mm的矩形等强度悬臂梁,并进行除油、除锈处理,选择矩形等强度悬臂梁可以减小悬臂梁的共振频率;其次,本实验主要是考虑涡街信号的频率,对FBG的受力情况不做过多分析,故选用栅区长度L为10 mm的FBG,并对FBG施加一定的预应力后,固定在宽度3 mm的轴线中间位置,涂覆UV胶,并利用紫外线灯照射UV胶处。由于UV胶在使用时用量较少且胶结层较薄,可使FBG与弹簧钢片粘接牢固,并将涡街信号充分传递在FBG上,实验效果较好[18]。

图4 传感器实物图

2 实验验证

2.1 温度传感实验

温度传感实验系统如图5所示。系统由101-2AB电热鼓风干燥箱、MOI-OSSM-ATX-1光纤光栅动态解调仪和计算机组成。电热鼓风干燥箱测量温度的量程为0～400 ℃,分辨率为0.1 ℃。光纤光栅动态解调仪测试软件为ENLIGHT,采样频率最大为5 000 Hz,分辨率为1 pm。

图5 温度传感实验测试装置与响应曲线

本次温度传感测试为两组重复性实验。将传感器粘贴在电热鼓风干燥箱内,随着温度的升高,FBG中心波长发生红移,解调仪将中心波长与温度的变化规律输入计算机。本实验温度灵敏度测试范围为30～100 ℃,间隔10 ℃,分别做两组实验,每个测量点稳定保温5 min,得到FBG的中心波长与温度之间的拟合关系式为

(9)

响应曲线中温度灵敏度分别为17.8 pm/℃和17.6 pm/℃,且两次实验线性度均为0.999,这符合FBG温度传感原理。

2.2 流量传感实验

流量传感实验系统由SXL-1油气水三项流模拟装置、涡街流量计、MOI-OSSM-ATX-1光纤光栅动态解调仪、LPS-305数控式线性直流稳压电源(可提供±DC30 V)和计算机构成,如图6所示。其中SXL-1油气水三项流模拟装置配备两组不同管径的可旋转管道和DN25的直管段,可测量液体、气体流量,利用柱塞泵、齿轮泵提供流量输入,同时还配备流量温度计、耐震压力表等。涡街流量计选用型号为HYLUGB-DC-D25-J,且内置三角柱型涡街发生体,流量测量精度为1.5,适用温度为-30～250 ℃,液体测量范围为1.2～16 m3/h,气体测量范围为8～50 m3/h。

图6 流量实验装置

本实验选择在SXL-1油气水三项流模拟装置中DN25直管段进行测试,涡街流量计利用法兰对夹方式安装位置在DN25直管且保持上游10DN、下游5DN处,这符合涡街流量计安装要求,使流量输入能提供准确且稳定的涡街信号,同时利用LPS-305数控式线性直流稳压电源为涡街流量计提供稳定DC 24 V。流量传感测试介质为常温液态水。实验时将所制作的传感器利用环氧树脂胶水密封固定在涡街流量计下游,调节旋转管道并使其缓慢达到满管状态,保证流量测量回路的完整性。实验采用柱塞泵变频控制流量输入,通过解调仪实时监测。调节每个测量点后,水流稳定5 min,共计测试10个测量点,记录FBG波长与时间的关系。

流量实验测试时,FBG起始中心波长为1 554.089 nm,ENLIGHT采样频率设置为500 Hz。图7将10个测量点的FBG波长移位频率即涡街频率变化规律,时间轴的疏密程度反映了FBG波长移位频率。

图7 10次流量测量点中心波长变化图

由于涡街流量计自身的流量测量范围和实验条件的限制,流量测量量程为1 486.96～4 001.70 L/h。本实验利用涡街流量计提供的涡街频率作为参考,实验数据利用MATLAB做FFT处理。图8为两个极限测量点的时域、频域响应特性。

图8 两个极限测量点时频响应

图9为流量响应曲线。涡街频率分别由涡街流量计与MATLAB提供,二者得到的涡街频率具有很高的重合度,FBG得到涡街频率f与流量Q拟合曲线方程为

图9 流量响应曲线

f=0.018 95·Q+1.031 43

(10)

由式(10)可以得到FBG流量测量灵敏度为0.018 95 Hz/(L·h-1)。

实验测试中最大误差Δmax=1.048 75,非线性误差为2.23%,由此可以看出,该传感器具有较好的线性度和灵敏度。

本实验需要注意的是悬臂梁的选型。小口径测量中,若弹簧钢片太厚,则没有振动效果;若弹簧钢片太薄,则振动效果明显。但这种传感器属于微悬臂梁结构,加工困难,且对于水流量测量还需考虑防锈问题,因此要根据实际情况做防锈处理以及考虑FBG与弹簧钢片胶结层的耐用持久性。

3 结束语

本文提出了一种FBG涡街流量传感器,可应用于液体介质的流量测量。传感器将涡街信号作用在悬臂梁上并传递给FBG,其具有结构简单,成本低和准确度高的特点,且对光学测量涡街流量领域具有较高的研究价值。在实验条件允许的范围内,测试温度灵敏度为17 pm/℃、涡街流量灵敏度为0.018 95 Hz/(L·h-1),且线性度均在0.99以上,非线性误差为2.23%,流量测量量程为1 486.96～4 001.70 L/h。另外,对于悬臂梁的选型与FBG封装增敏方面仍是该传感领域的重点问题。未来研究应围绕对液体介质的温度与流量实现分布式光纤传感监测和FBG检测到的涡街信号后处理方面,以达到FBG涡街流量传感器的微型化、多参量化的发展。