ВИХРЕВОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2002 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения расходов жидкостей.

Известен вихревой волоконно-оптический расходомер, содержащий источник оптического излучения, световод, работающий в многомодовом режиме, фотоприемник и натяжитель. Натяжение световода осуществляется специальным устройством [1] - прототип.

Недостатком такого устройства является малая точность измерения массового расхода, что объясняется наличием только одного измерительного канала. Ограниченный диапазон измерений расходов связан с возникновением резонанса световода. В области резонанса световода точность измерения расхода мала. Малая точность измерения расхода в области резонанса световода обусловлена непостоянством числа Струхаля в области резонанса. Область резонанса световода, помещенного в поток, определяется как ν_к.р.≈ 1.3ν_н.р., где ν_н.р.- скорость потока, при которой возникают резонансные колебания световода, ν_к.р.- скорость потока, при которой колебания световода переходят опять в вынужденный режим. Величина резонансной зоны достаточно велика, и, таким образом, точное измерение расхода может быть обеспечено только до начала первой зоны резонанса. Натяжитель прототипа выполнен в виде плохообтекаемого тела, которое в потоке жидкости также совершает колебания, но с другой частотой, и тем самым модулирует оптический сигнал, т.е. вносит помехи.

Технический результат, создаваемый изобретением, - расширение диапазона измерения расходов жидкостей вихревым волоконно-оптическим расходомером; измерение массового расхода.

Указанный результат достигается тем, что вихревой волоконно-оптический расходомер, содержащий источник оптического излучения, световод, установленный на крепежном элементе в плоскости, перпендикулярной оси трубы, фотоприемник и блок обработки сигнала, снабжен дополнительным световодом, источником излучения, фотоприемниками и оптическими делителями для разделения излучения из центрального и трубчатого волноводов световодов, установленных на упомянутом крепежном элементе, имеющем в плане симметричный аэродинамический профиль, параллельно друг другу вне пограничного слоя крепежного элемента, при этом коэффициенты линейного расширения световодов и крепежного элемента равны, а длины, диаметры и силы натяжения световодов, выполненных одномодовыми, подобраны так, чтобы в измеряемом диапазоне расхода обеспечить перекрытие первой зоны резонанса световода.

На фиг.1 представлена блок-схема вихревого волоконно-оптического расходомера.

На фиг.2 представлен вид вихревого волоконно-оптического расходомера со стороны потока.

На фиг.3 представлен разрез фиг.2 по А-А.

На фиг.4 представлен разрез фиг.3 по В-В.

На фиг.5 представлено распределение показателей преломления в световоде и дополнительном световоде.

На фиг.6 представлена схема работы вихревого волоконно-оптического расходомера со световодом и дополнительным световодом.

1, 2 - одномодовые источники оптического излучения, 3 - световод, 4 - дополнительный световод. Световод 3 и дополнительный световод 4 выполнены одномодовыми в виде концентрически расположенных трубчатого и стержневого волноводов. Световод 3 состоит из связанных центрального (а) и трубчатого (б) волноводов. Центральный волновод предназначен для передачи энергии по волокну. Трубчатый волновод выполняет функцию отвода энергии из центрального волновода. Между центральным и трубчатым волноводами находится концентрический разделительный слой (в). Трубчатый волновод покрыт оболочкой (г) (фиг. 5). Дополнительный световод 4 имеет аналогичную структуру. Длины, диаметры, и силы натяжения световода 3 и дополнительного световода 4 подобраны так, что в измеряемом диапазоне расхода рабочие зоны дополнительного световода 4 перекрывают первую резонансную зону световода 3. 5, 6 - оптические делители, разделяющие оптическое излучение из центрального и трубчатого волноводов световода 3 и дополнительного световода 4. 7, 8, 9, 10 - фотоприемники, принимающие сигнал из выходов центрального волновода и трубчатого волновода световода 3, центрального волновода и трубчатого волновода дополнительного световода 4. Прием сигналов как с центрального, так и с трубчатого волноводов световода 3 и дополнительного световода 4 осуществляется для устранения влияния изменения мощности оптического излучения на точность измерения массового расхода. 11 - блок обработки сигнала. 12 - крепежный элемент, предназначенный для размещения световода 3 и дополнительного световода 4 в скоростном потоке жидкости в натянутом состоянии. Крепежный элемент 12 имеет коэффициент линейного расширения, одинаковый со световодом 3 и дополнительным световодом 4, для поддержания заданного натяжения световода 3 и дополнительного световода 4 при колебаниях температуры. Крепежный элемент 12 имеет имеющий в плане симметричный аэродинамический профиль обтекаемой конструкции (например, руль Жуковского). Крепежный элемент 12 устанавливается в трубу 13 консольно. Световод 3 и дополнительный световод 4 располагаются на крепежном элементе 12 в плоскости, перпендикулярной оси трубы 13, и параллельно друг другу. Световод 3 и дополнительный световод 4 располагаются между собой независимо друг от друга так, чтобы не оказывать влияния друг на друга. В потоке жидкости впереди крепежного элемента 12 образуется пограничный слой, в котором скорость потока жидкости отличается от скорости основного потока жидкости, поэтому необходимо располагать световод 3 и дополнительный световод 4 так, чтобы они находились вне пограничного слоя крепежного элемента 12 и их обтекание происходило со скоростью основного потока.

Вихревой волоконно-оптический расходомер работает следующим образом. Световой поток из одномодовых источников оптического излучения 1, 2 вводится в центральные волноводы световода 3 и дополнительного световода 4.

Световод 3 и дополнительный световод 4 под воздействием боковой периодической гидродинамической силы совершают колебания в плоскости, перпендикулярной направлению потока (вследствие срыва вихрей Кармана), и прогибаются вдоль потока под действием силы лобового сопротивления.

Частоты колебаний световода 3 и дополнительного световода 4 пропорциональны скорости потока. Это позволяет по частотам колебаний световода 3 и дополнительного световода 4 определить скорость потока и, следовательно, объемный расход измеряемой среды.

Частоты колебаний световода 3 f_с и дополнительного световода 4 f_дс являются функциями следующих параметров: скорости потока ν,, диаметра световода 3 d_c и дополнительного световода 4 d_дс соответственно.

где Sh - число Струхаля.

Сам крепежный элемент 12 не является источником колебаний и не вносит помех, так как выполнен в виде обтекаемого тела.

По силе лобового сопротивления световода 3 и дополнительного световода 4 определяют массовый расход измеряемой среды.

Сила лобового сопротивления F_c, действующая на световод 3, и сила лобового сопротивления F_дс, действующая на дополнительный световод 4, также зависят от скорости потока ν,, диаметра световода 3 d_c и дополнительного световода 4 d_дс соответственно, от амплитуды колебаний световода 3 А_с и дополнительного световода 4 А_дс, которые являются функциями натяжения Т_с, Т_дс для световода 3 и дополнительного световода 4 соответственно, а также от вязкости μ и плотности ρ измеряемой среды, вязкость и плотность являются функциями температуры t:
F_c= f_Fc(ν,d_c,μ(t),ρ(t),A_c(T_c)),
F_дс= f_Fдc(ν,d_дс,μ(t),ρ(t),A_дc(T_дc)).
При постоянной скорости потока величина удлинения световода 3 и дополнительного световода 4, вызванная силой лобового сопротивления, постоянна.

Таким образом, по частоте переменного натяжения (растяжения) световода 3 и дополнительного световода 4 определяется скорость потока или объемный расход, а по величине постоянного удлинения световода 3 и дополнительного световода 4 (для фиксированной скорости) определяется плотность, что позволяет определить массовый расход.

При воздействии потока на световод 3 и дополнительный световод 4 происходит их удлинение и в них изменяются условия распространения оптического излучения. Условия связи между центральным и трубчатым волноводами световода 3 и дополнительного световода 4 возникают при равенстве постоянных распространения оптического излучения β_Rc= β_Tc и β_Rдc= β_Tдc соответственно.

β_Rc= f_Rc(n_c1,n_c2,r_c1,λ_c),
β_Tc= f_Tc(n_c2,n_c3,n_c4,r_c2,r_c3,λ_c),
β_Rcд= f_Rcд(n_дc1,n_дc2,r_дc1,λ_дc),
β_Tдc= f_Tcд(n_дc2,n_дc3,n_дc4,r_дc2,r_дc3,λ_дc),
где n_с1, n_с2, n_с3, n_с4 и n_дс1, n_дс2, n_дс3, n_дс4 - показатели преломления центрального волновода, разделительного слоя, трубчатого волновода, оболочки световода 3 и дополнительного световода 4 соответственно;
r_с1, r_с2, r_с3 и r_дс1, r_дс2, r_дс3 - радиусы центрального волновода, разделительного слоя, трубчатого волновода световода 3 и дополнительного световода 4 соответственно; λ_c,λ_дc- длина волны излучения одномодовых оптических источников излучения 1 и 2 соответственно.

В результате механических деформаций, вызванных вибрацией световода 3 и дополнительного световода 4 и их растяжением под действием скоростного потока, изменяются параметры световода 3 и дополнительного световода 4, и, следовательно, происходит изменение условий связи между стержневым и трубчатым волноводами, что в свою очередь приводит к перекачке оптической энергии из одного волновода в другой. Таким образом, осуществляется модуляция сигнала.

Оптическое излучение из световода 3 и из дополнительного световода 4, промодулированное по частоте и амплитуде, поступает на делители 5 и 6 соответственно, которые разделяют сигналы от центрального и трубчатого волноводов световода 3 и дополнительного световода 4. Затем оптическое излучение поступает на фотоприемники 7 и 8, 9 и 10 от центрального волновода и трубчатого волновода световода 3, центрального волновода и трубчатого волновода дополнительного световода 4. Далее сигналы поступают в блок обработки 11. В блоке обработки 11 выделяется переменная составляющая сигнала, по частоте которой определяется объемный расход U_o и определяется постоянная составляющая сигнала, характеризующая плотность жидкости и позволяющая проводить измерение массового расхода U_m. Необходимость измерения сигнала как в центральном, так и в трубчатом волноводах обусловлена возможной нестабильностью мощности источника оптического излучения и потерь в волоконных световодах.

Принцип работы вихревого волоконно-оптического расходомера со световодом 3 и дополнительным световодом 4 представлен на фиг.6,
где резонансная зона,
рабочая зона.

При работе вихревого волоконно-оптического расходомера в диапазоне скоростей от 0 до v₁ расход измеряемой среды определяется по частотам колебания как световода 3, так и дополнительного световода 4, находящихся в рабочих зонах 14 и 15 соответственно. Так как измерение расхода происходит по частотам колебаний и световода 3 и дополнительного световода (4), то точность измерения расхода возрастает.

При работе вихревого волоконно-оптического расходомера в диапазоне скоростей от v₁ до v₂ расход измеряемой среды, определяется по частоте колебания только световода 3, так как дополнительный световод 4 находится в резонансе 16. В этом случае точность измерения такая же, как в вихревом волоконно-оптическом расходомере прототипа.

В диапазоне скоростей от v₂ до v₃ расход измеряемой среды определяется опять по частотам колебания световода 3 и дополнительного световода 4, находящихся в рабочих зонах 14 и 17 соответственно.

В диапазоне скоростей от v₃ до v₄ расход измеряемой среды определяется по частоте колебания только дополнительного световода 4, так как теперь световод 3 находится в резонансе 18.

В диапазоне скоростей от v₄ до v₅ расход измеряемой среды определяется по частотам колебания световода 3 и дополнительного световода 4, находящихся в рабочих зонах 19 и 17 соответственно.

В диапазоне скоростей от v₅ до v₆ расход измеряемой среды определяется по частоте колебания только световода 3, так как теперь дополнительный световод 4 находится в резонансе 20 и т.д.

Третья зона резонанса 21 дополнительного световода 4, как правило, накладывается на вторую зону резонанса 22 световода 3. Но уже перекрытие только одной (первой) зоны резонанса 18 световода 3 позволяет расширить диапазон измерения более чем в два раза.

Определение того, какой чувствительный волоконно-оптический элемент находится вне резонансной зоны, осуществляется следующим образом.

По частотам колебания основного и дополнительного ЧВОЭ по формуле определяются соответствующие им скорости потока ν_c,ν_cд:


где f_с и f_сд - частоты колебания световода и дополнительного световода соответственно,
d_c и d_сд - диаметры световода и дополнительного световода соответственно,
Sh - число Струхаля.

Если они равны, то световод и дополнительный световод находятся вне области резонанса, и скорость потока определена корректно.

Если скорости неравны ν_c≠ ν_cд, то это говорит о том, что или световод, или дополнительный световод находится в зоне резонанса. Для того, чтобы определить, световод или дополнительный световод находится в зоне резонанса, необходимо проверить числа Рейнольдса Re_c, Rе_сд. Если они больше 10³, то число Струхаля постоянно. Известно, что в зоне резонанса частота колебания световода и дополнительного световода увеличивается со скоростью потока значительно медленнее, чем вне ее. Поэтому частота колебания у световода или дополнительного световода, который находится в зоне резонанса, всегда будет меньше расчетного значения.

Если световоду или дополнительному световоду соответствует значение Re_c<10³, Rе_сд<10³, то число Струхаля непостоянно, и поэтому определить, световод или дополнительный световод находится в резонансной зоне, невозможно. Поэтому для нормальной работы предлагаемого расходомера необходимо выполнить условие: Re_c>10³, Re_cд>10³ в зоне резонанса. Это условие может быть обеспечено подбором диаметров световода и дополнительного световода.

Итак, использование предлагаемого устройства позволяет: расширить диапазон измерения расходов жидких сред более чем в два раза; увеличить долговечность световода 3 и дополнительного световода 4, за счет уменьшения их высокого начального натяжения [2, 3].

Кроме того, в прототипе возникают вибрации натяжителя, который выполнен в виде плохообтекаемого тела, и, следовательно, оптический сигнал модулируется паразитной частотой вибрации натяжителя, а также натяжение световода прототипа становится переменным, что также снижает точность измерения расхода - эти недостатки также устранены.

Изобретение может быть использовано для измерения объемного и массового расходов невязких сред: например воды, бензина, керосина и т.п.

Литература
1. UK Patent Application GB 2238380 A. Vortex shedding flowmeter. 29.05.1991.

2. Катсума И., Митсунага И., Кобуаши X., Ишида И. Динамическая усталость оптического волокна при воздействии периодически изменяющегося напряжения. Перевод // Ибараки Электрикал Коммуникэшен Лаборатори, NTT, Япония, 1983.

3. Katsyama J., Mitsunaga Y., Tanaka S. Lifetime design of optical cable for long-term practical use in field // Proc. VII Europ. Conf. Opt. Commun. Copenhagen, 1981. Р. 21-1 - 21-4.

Расходомер содержит два одномодовых источника оптического излучения, одномодовый световод и дополнительный световод, оптические делители, разделяющие оптическое излучение из центрального и трубчатого волноводов, и фотоприемники. Световоды установлены параллельно друг другу в плоскости, перпендикулярной к оси трубы, на хорошо обтекаемом крепежном элементе. Коэффициенты линейного расширения световодов и крепежного элемента равны, а длины, диаметры и силы натяжения световодов подобраны так, чтобы обеспечить перекрытие первой зоны резонанса световода в измеряемом диапазоне расходов. Изобретение обеспечивает расширение диапазона измерения жидкостей. 6 ил.

Вихревой волоконно-оптический расходомер, содержащий источник оптического излучения, световод, установленный на крепежном элементе в плоскости, перпендикулярной к оси трубы, фотоприемник и блок обработки сигнала, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным световодом, источником излучения, фотоприемниками и оптическими делителями для разделения излучения из центрального и трубчатого волноводов световодов, установленных на упомянутом крепежном элементе, имеющем в плане симметричный аэродинамический профиль, параллельно друг другу вне пограничного слоя крепежного элемента, при этом коэффициенты линейного расширения световодов и крепежного элемента равны, а длины, диаметры и силы натяжения световодов, выполненных одномодовыми, подобраны так, чтобы в измеряемом диапазоне расхода обеспечить перекрытие первой зоны резонанса световода.