光纤法珀差压式流量传感器设计与实验研究.pdf

基于流体流动的节流原理，以孔板作为节流装置，支光纤法珀压力传感器作为差压信号测量装置，研制了 种高精度光纤流量传感器。通过孔板两端压力传感器的压力差来测量流量，在质量流量测量范围 内，得到关于流量和压差开方的线性方程，其线性拟合准确度达到 。研制的光纤流量传感器具有耐高温、抗电磁干扰、体积尺寸小巧、传感器端无源、测量精度高等优点。关键词：计量学；光纤流量传感器；节流原理；光纤法珀传感器；节流孔中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：；修回日期：引言飞行器是现代高新科技的集合体，在空间探测以及科技创新等领域都起到了至关重要的作用。冲压发动机是飞行器动力来源。长时间工作时，冲压发动机燃烧室壁面温度过高，会对发动机结构强度、飞行器性能产生重要影响。目前主要采用主动冷却的方式对燃烧室壁面进行冷却，即将飞行器携带的燃料先作为冷却剂，在喷入燃烧室前流经燃烧室壁面的冷却通道，吸收燃烧室热量，燃料裂解后喷入燃烧室燃烧，为飞行器提供飞行动力 。因此高温燃料流量的准确测量，对实现飞行器发动机高温流量分配控制，提高燃烧效率、精确控制发动机推力，提升发动机热防护能力都具有重要意义 。目前应用于化工领域的高温流量测量温度能够达到近 ，但冲压发动机工作时温度一般超过 ，且发动机管径较小，燃料流动过程中发生复杂的物理变化和化学裂解，因此传统的流量传感器难以达到相应要求 。常用的差压法结构相对简单可靠，但传统的压力传感器或差压传感器耐温低，测温前需要降温，导致结构复杂，且高压小流量的差压测量时准确度和测量速度也无法满足要求 。光纤传感器具有耐高温、抗电磁干扰、传感器无源、精度高、体积小等优点，非常适合高温恶劣环境下各种物理量的测量。最早使用光纤测量流量是在传统的涡轮流量计基础上进行改造，将电磁式的涡轮信号拾取器改为光纤式的 。后来陆续出现了用光纤迈克尔逊干涉仪测量压差 ，光纤光栅测量压差 ，光纤光栅测量振动 ，等技术方案。但这些方案中，存在着测量精度较低，耐高温性能差，抗干扰能力差的问题。本文通过采用 支光纤法珀压力传感器构成光纤压差传感器，结合孔板结构的节流装置，研制了 种高精度光纤流量传感器，有望解决现有光纤流量传感器存在的问题，为未来开展发动机高温流量测量提供了 种解决方案。工作原理 差压测流量原理对于定常流动，在取压孔所在的 个截面（截面 和 ）处满足质量守恒及能量守恒方程 。在充分紊流的理想情况下，流体流动连续性方程和伯努利方程分别为：（）（）式中：为流体密度，；为截面 处的管内径，；，分别为截面 ，处的流速，；为缩径孔倒角处内径，；，分别为截面 ，处的压力，；，为修正系数；为局部损失阻力系数。定义参数方程组：（）（）（）式中：为收缩系数；为缩径管段内径，；为截面比；为取压系数，表征实际值与测量值的偏差修正；，分别为截面 和 处的压力。由式（）、式（）和式（），可得：槡 槡 （槡）（）从式（）可以看出，在已知流体物性和孔板几何参数后，质量流量 与压差的平方根呈线性关系，只要测量出压差，就可以获得实时质量流量。孔板差压流量计的内部流场原理示意图如图 所示。单相流介质充满管道后，当流经缩径管段时，流束将受节流作用局部收缩，压能部分转变为动能同时形成流体加速带，从而缩径孔前后便产生了明显的压降值。初始流速越大，节流所产生的压降值也越大，故可以通过压降值的监测，结合式（）来测量流体流量的大小。光纤珐珀传感器测压力原理膜片式光纤法珀传感器的结构如图 所示。传感器的敏感元件是感压膜片，可由单晶硅 、二氧图 孔板差压流量计内部流场原理示意图 化硅 、聚合物等 材料制作而成。图 光纤珐珀传感器测压原理示意图 传感器受到外界压力 时，弹性膜片产生形变，弹性膜片变形量 （）与 的关系为 ：（）（）()（）式中：为形变处与弹性膜片中心的距离；为弹性膜片的有效半径；为弹性膜片材料的泊松比；为弹性膜片材料的弹性模量；为弹性膜片的厚度。当光纤珐珀压力传感器的感压膜片受到外界压力产生变形，会导致法珀腔绝对腔长随之变化。采用双峰测量方式 ，利用归一化干涉谱中 个相邻的干涉谱峰来求得光纤传感器腔长的绝对值，根据腔长变化值可以测量压力。流量传感器 节流装置采 用 和 进行非标孔板节流装置的结构优化设计。设计的差压流量计的结构如图 所示。在管道中间设置 个喇叭形的节流孔板。在节流孔板的上下游的管道壁上设计 个引压孔，引压孔的位置采用 和 方式。将光纤压力传感器分别安装在第 卷第 期张博等：光纤法珀差压式流量传感器设计与实验研究个引压孔上，分别测量节流孔板前后的压力，并计算出压差，由此计算出流量。图 孔板差压流量计机构模型图 设计带有节流孔板管道的传感器，如图 所示，主流管道内径为 ，节流孔直径 ，孔板厚度 ，节流孔厚度 ，斜角 。孔板的取压口分别布置在距孔板上游 和距孔板下游 处，取压口直径为 。为了将节流孔板的前后压力引出，在上下游的取压口分别焊接 根引压管，在引压管的末端安装光纤法珀压力传感器。结构材料为 不锈钢。图 节流装置图 光纤压力传感器光纤压力传感器使用法珀腔结构，光纤采用耐高温的蓝宝石光纤，感压膜片采用单晶硅片。硅片与带有中心圆槽的 玻璃块通过阳极键合结合在一起，将光纤放入光纤毛细管中并且固定，最后将光纤毛细管插入 玻璃块的中心圆槽中，硅片的内表面与光纤端面一起构成法珀腔的 个反射面。光纤端面与硅片之间的距离即为腔长，通过调整光纤毛细管的位置即可改变腔长。传感器的具体参数如下：压力敏感硅膜片边长为 ，外部腐蚀出直径为 的圆形槽，玻璃块边长为 ，厚度为 ，中心圆槽的直径为 。当压力作用在硅膜表面使其发生形变时，法珀腔的腔长发生变化，使干涉信号的光谱发生变化，通过光纤白光干涉解调技术可获得腔长 ，从而得到压力值。压力标定光纤法珀压力传感器制作完成后，用白光干涉测量技术获得的是传感器的法珀腔长，进一步对传感器进行校准，从而获得压力和腔长之间的关系。制作了 支光纤法珀压力传感器，分别进行压力标定，标定的结果如图 所示。图 压力传感器标定结果 传感器 和传感器 的标定结果如图所示，传感器 在 ，范围内，腔长 压力的线性拟合结果为：，拟合结果的 值为 ；传感器 在 ，范围内，腔长 压力的线性拟合结果为：，拟合结果的 值为 。因此，传感器 的压力 腔长灵敏度为 ，传感器 的压力 腔长灵敏度为 。根据初始腔长和压力传感器的灵敏度，就可以通过测量法珀腔的绝对腔长值获得上下游引压孔截面的压力。试验验证光纤差压流量计测试实验示意图和实物图如图所示。流体进入管道后先经过阀门 ，经过 个高精度 科 里 奥 利 质 量 流 量 计 流 量 计（型 号 是 ），进入研制的差压式光纤流量计，经过阀门 流出。科里奥利质量流量计和光纤差压流量计串联，具有相同得流量。科里奥利质量流量计的准确度等级为 级，以科里奥利质量流量计的示值作为评估光纤差压流量计的性能指标 。差压流量计的节流孔板前后连接 根引压管，光纤压力传感器安装在引压管上。在没有流体经过管道时，传感器 和 的初始腔长分别为 和 。由于校准计量学报 年 月图 试验原理图和试验实物图 用的科里奥利质量流量计（科氏流量计）的测量范围是 ，因此实验时将流量逐渐增加，流量从 增加到约 ，用光纤白光干涉测量仪测量出 支压力传感器的腔长与流量的关系如图 所示。位于节流孔板上游的传感器 的腔长从 增加到 ，位于节流孔板下游的传感器 的腔长从 增加到 。图 传感器腔长与流量的关系 由校准后的传感器的灵敏度系数，得到 支压力传感器的测量压力与流量的关系，如图 所示。支压力传感器的压差与流量的关系如图 所示，二次曲线拟合后的拟合精度达到 。验证了孔板压差与流量之间存在二次函数关系。支压力传感器压差的平方根与流量关系如图 所示，可见压差的平方根与流量成线性关系，线性拟合精度为 ，灵敏度系数为 槡 （），与式（）所描述的压差的平方根与流量成线性关系完全吻合。图 压力与流量的关系 图 压差与流量的关系 图 压差平方根与流量的关系 结论基于蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器和设计的非标孔板节流装置，研制了一款高精度光纤差压流量传感器。）设计研制的 管道内径，节流孔直径的节流装置在量程 范围内可以产生稳定的压差，适用于微小流量的测量；第 卷第 期张博等：光纤法珀差压式流量传感器设计与实验研究）光纤珐珀差压流量传感器在测量范围 时，线性拟合准确度达到 ，质量流量测量的灵敏度为槡 （）。光纤珐珀差压流量传感器在高温流量测量领域展现出良好的应用前景，在此基础上发展高精度的温度修正，有望实现飞行器高温燃料流量测量的工程应用。参考文献 ，：姜俞光热裂解型碳氢燃料并联通道流量分配及偏差抑制研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，严俊杰超临界压力流体湍流换热机理及热裂解研究 北京：清华大学，纪纲，武因超流量仪表的现状与发展趋势 自动化仪表，（）：，（）：姚骏，张承燕光纤流量传感器的进展 传感器技术，（）：，（）：宫继刚，代志勇，邓胜强，等高温压差型光纤流量传感器 测井技术，（）：，（）：王宏亮，陈娇敏压差式光纤 光栅流量传感器 仪表技术与传感器，（）：，（）：刘小会，刘素香，尚盈，等基于管壁振动频率特性的光纤流量监测系统 光学仪器，（）：，（）：陈基亮，孔德明，郝虎，等一种石油生产多分相检测新型光纤传感器 计量学报，（）：，（）：谢代梁，葛慎，胡朋兵，等有源光纤式流量传感器的研究进展 中国计量学院学报，（）：，（）：张兆顺，崔桂香流体力学 版北京：清华大学出版社，（）：，（）：，（）：王婷婷光纤法珀压力传感系统研究 北京：华北电力大学（北京），李丽慧，朱永，王宁，等多通道光纤法 珀解调系统分析与实验 光子学报，（）：，（）：，（），（）：，（）：第一作者：张博（），河北保定人，北京振兴计量测试研究所工程师，主要从事流量计量方面的研究。：计量学报 年 月