双光纤传感器涡轮流量计的研究应用

1引言

涡轮流量计在工业上已有五十多年的历史，它是通过内磁式传感器检测涡轮的转速而实现流量测量，是一种用途广泛的流量测量仪表［3］。随着光纤传感器技术的发展，本文将反射型光纤传感器与传统的涡轮流量测量原理相结合，试制了具有双光纤传感器的涡轮流量计，与传统的内磁式涡轮流量计相比，设计上使流量计具备了正反流量测量的性能；在检测原理上，光纤传感器克服了内磁式传感器磁性引力带来的影响；实验结果表明有效地扩大了涡轮流量计的量程比。

2双光纤传感器涡轮流量计结构

设计一对反射型光纤传感器及光电转换电路检测涡轮叶片的旋转，并对涡轮叶片进行改进使其叶片端面适宜反射光线(图1)。

图1光纤涡轮流量计示意图

反射型光纤传感器应用多模玻璃光纤，单根芯纤直径200μm，数值孔径为0.3，由两根光纤组成，包括光发射纤和光接受纤，检测端固化在一铝合金护套内可替代内磁式传感器安装在涡轮流量计上［1］［5］。为了提高反射型光纤传感器的信噪比，保证接受反射信号的分辨率，光电转换器中的光源发射电路设计为10～12kHz的调制光输出，通过发射纤经涡轮叶片反射从接受纤接受调制光的反射信号，经滤波后转换为流量脉冲信号，信号响应时间小于0.2ms，检测距离1mm。

3双光纤传感器涡轮流量计双向流量测量原理

传统的内磁式传感器受其结构限制对涡轮流量计只能检测叶片的转速，由于反射型光纤传感器体积细小，因而将两个反射型光纤传感器并列装配在涡轮流量计上，这样两个传感器可检测同一涡轮叶片不同位置的反射信号，而两个传感器信号互不干扰(图2、3)。

图2双向流量测量原理图图3光纤传感器输出信号示意图

光纤传感器输出的流量信号为：

f10＝f10
f20＝f10+Φ
Q＝(f10或f20)/K

式中f10——1号光纤传感器输出信号
Φ——f20与f10的相位差
f20——2号光纤传感器输出信号
K——流量系数

传感器输出的f10信号和f20信号经信号相位鉴别电路［1］后可输出流量计正向流动计量信号f1和反向流动计量信号f2，同时也可输出流量脉冲信号f和流向状态信号D。

对于正向流动：D＝1，0＜Φ＜90°，对于反向流动：D＝0，Φ＞90°。

4反射型光纤传感器及流量计的测试

4.1反射型光纤传感器响应

应用直流电机及标准转速计对反射型光纤传感器和内磁式传感器测试结果表明：反射型光纤传感器信号特性：1Hz～6kHz；内磁式传感器信号特性：30Hz～1.2kHz，在低转速区有明显的漏脉冲(图4)。