[发明专利]具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装

摘要

本发明提出一种具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，其包括与被测管道固接的对接管道和法兰；安装于对接管道内部用以流速测量的扇式叶片；传感器封装的隔离箱以及安装于其内部的传力轴、套管、钢丝；安装于隔离箱内部用于感受钢丝拉力的梁以及粘贴于梁上侧表面的光纤光栅；安装于对接管道外侧，用于保护光纤光栅的保护罩。本发明适用于对易燃易爆流体传输的管道进行内部流速测量，采用隔离设计，降低了流体介质对传感器封装内部元件的腐蚀，从而延长了传感器使用寿命；该传感器将两根光纤光栅串联在一起，其中一根用于感知流体流速，另一根用于管道内部流体温度自补偿，从而降低温度变化对流速测量精度的影响。

主权项

一种具备温度自补偿功能的扇式光纤光栅流速传感器封装，其特征在于：包括与被测液体管道固接的对接管道(10)和法兰(11)；安装于对接管道内部的用以感知液体流速的扇式叶片(1)；隔离箱(8)；安装于所述隔离箱(8)内部的传力轴(2)、固定配置于所述传力轴(2)上的套管(3)、钢丝(4)；安装于隔离箱(8)上表面的用以感受钢丝(4)拉力和梁(5)；固定于梁(5)上表面的光纤光栅；安装于对接管道(10)外侧的用于保护所述光纤光栅的保护罩(9)；所述扇式叶片(1)位于隔离箱(8)的外侧，所述传力轴(2)的一端延伸出所述隔离箱(8)外侧用于固定扇式叶片(1)，另一端在该传力轴(2)穿过隔离箱(8)的内部空间后通过轴承固定于隔离箱(8)上，所述钢丝(4)的一端固定连接于所述套管(3)，所述钢丝(4)的另一端固定于梁(5)的下表面中间位置，当液体以速度V流过扇形叶片(1)时，根据流体力学液体在叶片上产生摩擦阻力Ff，在摩擦阻力作用下使得叶片旋转，其旋转扭矩为T1：Ff=Cf·ρ·V22·B·L]]>T1=n·v2·sinθ·cos2θ·ρ·θ1·R33]]>其中，Cf流体粘性的无因次阻力系数；B为叶片宽度；L为叶片沿流体运动方向的长度；n为扇形的叶片数；v为流体的流速；θ为叶片的偏角；θ1为叶片的圆心角；ρ为流体的密度；R为叶片的半径；叶片的旋转扭矩通过传力轴(2)使其套管(3)的钢丝(4)产生拉力F1，拉力F1作用于传力轴的力矩为T2，则最终T1和T2将达到力矩平衡：T2＝F1·dT1＝T2式中d为套管(3)的半径，钢丝上的拉力F1作用于L两端固定的梁(5)的中点，使梁产生挠度变化，则其微应变为：ϵ=3·F·L2·b·h2·E]]>式中F为作用于梁上的力，L、b、h分别为梁的长度、宽度、厚度；E为铸钢的弹性模量；当梁上的光纤Bragg光栅应力发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光栅Bragg信号的波长偏移，通过监测Bragg波长移动情况，可获得待测物理量的变化情况，光纤光栅的中心波长与应变的关系：ΔλBλB=(1-Pe)Δϵ=Kϵ·Δϵ]]>式中Pe为光纤材料的弹光系数；Kε是光纤Bragg光栅的应变响应系数；Δε为应变变化量；由以上各式可以得出流体的流速V与光纤Bragg光栅中心波长偏移ΔλB的数学模型，即：ΔλB=n·v2·sinθ·cos2θ·ρ·θ1·R3·L·(1-p)·λB2·d·b·h2·E]]>根据已建立的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅的中心波长的偏移计算出对应的流体的流速V，从而实现对管道内部流体流速的实时测量。