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 理學院,陜西 西安 710065;2.陜西省油氣資源光纖探測工程技術研究中心,陜西 西安 710065;3.陜西省油氣井測控技術重點實驗室,陜西 西安 710065;4.CNPC重點實驗室——油藏光纖動態檢測研究室,陜西 西安 710065)

0 引言

流量測量是現今工程領域中十分重要的一個環節,對流量傳感器的準確度與穩定性有著極高的要求。卡門渦街現象是一種典型的流致振動現象[1],最初研究渦街現象的目的是為了防災,如高層建筑、橋梁纜繩、鉆井平臺等的損毀或折斷。但渦街現象存在兩面性,利用渦街發生體下游的渦街信號作為重要測量參量設計的渦街流量計在流量測量領域占據一角。與此同時,渦街流量計以獨特的設計思路和優點,在現今先進的工業生產中發揮著重要作用。

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等優良特點,可以用于多種流量測量方式[5],但大多數為靶式[6]、壓差式[7]、渦輪式[8]和熱式[9]等方法,缺少對渦街流量傳感技術的研究。Shoichi Takashima等[10]介紹了一種雙光纖光柵的互相關流量計,實驗證明,該流量計在0～1.0 m/s內具有良好的線性關系。李紅民等[11]設計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光電探測器接受渦街流量傳感器的光信號,并利用帶通濾波器消除低頻波動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生體內,將渦街信號對發生體的諧振沖擊轉化為布喇格光柵軸向應變,從而探測流量。該流量計在檢測油井流量時有較好的測量范圍。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量方法,通過相位調制來檢測渦街信號對光纖交替變化的橫向作用力,從而得到渦街頻率,進而對流量進行計量。仝克帥等[14]設計了一種基于旋渦發生體的FBG流量計,通過在渦街發生體內開設導壓腔,且導壓腔內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系起來,實現了對流體脈動式沖擊的光學測量。劉月圓等[15]利用小波變換處理差壓式渦街流量計的渦街信號,水流實驗誤差小于0.5%,為濕蒸汽計量提供了新思路。

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相結合,本文設計了一種基于FBG的渦街流量傳感器。該傳感器通過彈簧鋼片作為懸臂梁,將渦街信號轉化為懸臂梁振動,同時作用于FBG,當不同流量經過傳感器時,FBG中心波長移位頻率不同,進而測量出渦街頻率,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生軸向周期性調制的無源光波導器件。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具有對溫度ΔT和應變Δε同時敏感的屬性,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、熱膨脹系數和熱光系數。

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

1.2 渦街流量原理

圖2為渦街信號產生及原理。在一定雷諾數下,當流體流過阻流體時,阻流體下游會交替產生周期性脈動旋渦,該旋渦稱為卡門渦街,也稱渦街信號,阻流體被稱為渦街發生體[17]。本文選用三角柱型發生體。研究發現,其對應斯特勞哈爾數Sr為0.16。渦街產生的頻率f與流體流速U1之間的關系為

(3)

圖2 渦街信號產生及原理

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

流速U1、管道截面面積S與流量Q之間的關系為

Q=S·U1

(4)

當旋渦穩定時,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 傳感器測量原理與制作

圖3為實驗原理圖。經上述分析可知,當渦街沿管道的軸向前進時,所產生的旋渦自旋方向相反,且在發生體下游產生垂直于流動方向的升力。旋渦是交替產生的,故升力也是交替變化的,能同時為懸臂梁提供受迫振動的驅動力,因此懸臂梁會產生受迫振動,振動方向與升力的方向一致。檢測懸臂梁受迫振動的頻率(即渦街產生的頻率)可得到流量信息。

圖3 實驗原理圖

根據振動力學,受迫振動方程可表示為

(6)

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

在忽略扭轉的情況下,式(6)中F(x,t)利用傅里葉變換可表示為

(7)

式中F,ω分別為受迫振動的最大振幅和圓頻率。

聯立式(2),忽略溫度對FBG的影響,則FBG中波長漂移與F(x,t)的關系為

(8)

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

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的矩形等強度懸臂梁,并進行除油、除銹處理,選擇矩形等強度懸臂梁可以減小懸臂梁的共振頻率;其次,本實驗主要是考慮渦街信號的頻率,對FBG的受力情況不做過多分析,故選用柵區長度L為10 mm的FBG,并對FBG施加一定的預應力后,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膠在使用時用量較少且膠結層較薄,可使FBG與彈簧鋼片粘接牢固,并將渦街信號充分傳遞在FBG上,實驗效果較好[18]。

圖4 傳感器實物圖

2 實驗驗證

2.1 溫度傳感實驗

溫度傳感實驗系統如圖5所示。系統由101-2AB電熱鼓風干燥箱、MOI-OSSM-ATX-1光纖光柵動態解調儀和計算機組成。電熱鼓風干燥箱測量溫度的量程為0～400 ℃,分辨率為0.1 ℃。光纖光柵動態解調儀測試軟件為ENLIGHT,采樣頻率最大為5 000 Hz,分辨率為1 pm。

圖5 溫度傳感實驗測試裝置與響應曲線

本次溫度傳感測試為兩組重復性實驗。將傳感器粘貼在電熱鼓風干燥箱內,隨著溫度的升高,FBG中心波長發生紅移,解調儀將中心波長與溫度的變化規律輸入計算機。本實驗溫度靈敏度測試范圍為30～100 ℃,間隔10 ℃,分別做兩組實驗,每個測量點穩定保溫5 min,得到FBG的中心波長與溫度之間的擬合關系式為

(9)

響應曲線中溫度靈敏度分別為17.8 pm/℃和17.6 pm/℃,且兩次實驗線性度均為0.999,這符合FBG溫度傳感原理。

2.2 流量傳感實驗

流量傳感實驗系統由SXL-1油氣水三項流模擬裝置、渦街流量計、MOI-OSSM-ATX-1光纖光柵動態解調儀、LPS-305數控式線性直流穩壓電源(可提供±DC30 V)和計算機構成,如圖6所示。其中SXL-1油氣水三項流模擬裝置配備兩組不同管徑的可旋轉管道和DN25的直管段,可測量液體、氣體流量,利用柱塞泵、齒輪泵提供流量輸入,同時還配備流量溫度計、耐震壓力表等。渦街流量計選用型號為HYLUGB-DC-D25-J,且內置三角柱型渦街發生體,流量測量精度為1.5,適用溫度為-30～250 ℃,液體測量范圍為1.2～16 m3/h,氣體測量范圍為8～50 m3/h。

圖6 流量實驗裝置

本實驗選擇在SXL-1油氣水三項流模擬裝置中DN25直管段進行測試,渦街流量計利用法蘭對夾方式安裝位置在DN25直管且保持上游10DN、下游5DN處,這符合渦街流量計安裝要求,使流量輸入能提供準確且穩定的渦街信號,同時利用LPS-305數控式線性直流穩壓電源為渦街流量計提供穩定DC 24 V。流量傳感測試介質為常溫液態水。實驗時將所制作的傳感器利用環氧樹脂膠水密封固定在渦街流量計下游,調節旋轉管道并使其緩慢達到滿管狀態,保證流量測量回路的完整性。實驗采用柱塞泵變頻控制流量輸入,通過解調儀實時監測。調節每個測量點后,水流穩定5 min,共計測試10個測量點,記錄FBG波長與時間的關系。

流量實驗測試時,FBG起始中心波長為1 554.089 nm,ENLIGHT采樣頻率設置為500 Hz。圖7將10個測量點的FBG波長移位頻率即渦街頻率變化規律,時間軸的疏密程度反映了FBG波長移位頻率。

圖7 10次流量測量點中心波長變化圖

由于渦街流量計自身的流量測量范圍和實驗條件的限制,流量測量量程為1 486.96～4 001.70 L/h。本實驗利用渦街流量計提供的渦街頻率作為參考,實驗數據利用MATLAB做FFT處理。圖8為兩個極限測量點的時域、頻域響應特性。

圖8 兩個極限測量點時頻響應

圖9為流量響應曲線。渦街頻率分別由渦街流量計與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 流量響應曲線

f=0.018 95·Q+1.031 43

(10)

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

實驗測試中最大誤差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。

本實驗需要注意的是懸臂梁的選型。小口徑測量中,若彈簧鋼片太厚,則沒有振動效果;若彈簧鋼片太薄,則振動效果明顯。但這種傳感器屬于微懸臂梁結構,加工困難,且對于水流量測量還需考慮防銹問題,因此要根據實際情況做防銹處理以及考慮FBG與彈簧鋼片膠結層的耐用持久性。

3 結束語

本文提出了一種FBG渦街流量傳感器,可應用于液體介質的流量測量。傳感器將渦街信號作用在懸臂梁上并傳遞給FBG,其具有結構簡單,成本低和準確度高的特點,且對光學測量渦街流量領域具有較高的研究價值。在實驗條件允許的范圍內,測試溫度靈敏度為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%,流量測量量程為1 486.96～4 001.70 L/h。另外,對于懸臂梁的選型與FBG封裝增敏方面仍是該傳感領域的重點問題。未來研究應圍繞對液體介質的溫度與流量實現分布式光纖傳感監測和FBG檢測到的渦街信號后處理方面,以達到FBG渦街流量傳感器的微型化、多參量化的發展。