伴隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，工業(yè)發(fā)展對流體流量計(jì)量測試提出了越來越高的要求。特別是在注重節(jié)能、提高全社會經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量的今天，流體流量測量的重要性愈顯突出，作為測量對象的各種流體介質(zhì)，如水、蒸汽、熱水熱量、煤氣、天然氣、石油及其衍生制品等均是全社會的重要能源，而針對這項(xiàng)重要的工控參量的計(jì)量測試的研究及實(shí)施方案有許多種，最重要的就是測量用流量計(jì)測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、并具備符合工控現(xiàn)場對設(shè)備安全性能的相關(guān)要求[62]。
渦街流量計(jì)因其具有結(jié)構(gòu)簡單牢固、適用流體種類多、精度較高、線性測量范圍寬30∶1、壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展最為迅速。目前已成為通用的一類流量計(jì)。傳統(tǒng)的渦街流量傳感器大多采用電參數(shù)測量方式，然后進(jìn)行非電量轉(zhuǎn)換處理的，在很多工業(yè)現(xiàn)場必須針對其供電回路及其信號輸出回路進(jìn)行防爆及防止電火花產(chǎn)生，從而增加了成本和復(fù)雜程度，安全性和可靠性也面臨挑戰(zhàn)[63]。
李宏民等人[64]提出了一種基于光纖光柵技術(shù)的渦街流量傳感器，該傳感器是以光纖光柵作為一次檢測元件(探頭)的流體振蕩型流量測量傳感器。由于采用光纖光柵作為傳感元件，因此不僅具備天然的電絕緣性、抗電磁干擾等本質(zhì)安全特性，而且具有抗腐蝕和體積小等優(yōu)點(diǎn)。理論分析和試驗(yàn)表明這種制式的流量傳感器具有量程比寬、檢測精度高、線性度好、介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)和易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時準(zhǔn)分布檢測等特點(diǎn)，因而適用于石油、化工、冶金、核電廠等爆炸性高危險場合的各種液體、氣體的流量檢測。
1. 渦街流量傳感器測量原理
渦街流量傳感器利用的是流體力學(xué)中著名的“卡門渦街”原理[65]。在流動的流體中放置一根其軸線與流向垂直的非流線型柱體，如圖4.88所示，當(dāng)流體沿漩渦發(fā)生體繞行流過時，會在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生如圖4.88所示的兩列不對稱但有規(guī)律的交替漩渦列，這就是所謂的“卡門渦街”。渦街流量傳感器主要由兩個部分組成：漩渦發(fā)生體和探測器(探頭)。
被測流體經(jīng)過漩渦發(fā)生體時，當(dāng)流速超過一定閾值（一般稱之為流量下限）時，漩渦發(fā)生體的下游會產(chǎn)生兩列旋轉(zhuǎn)方向相反的并排漩渦。漩渦的產(chǎn)生頻率與流速成正比
其中f為漩渦頻率(Hz)；v為流體平均速度(m/s)；d為漩渦發(fā)生體迎流面特征寬度(m)；St為斯特羅哈數(shù)。根據(jù)雷諾數(shù)和漩渦發(fā)生體形狀的不同，St數(shù)值及雷諾數(shù)Re由漩渦發(fā)生體和管道直徑確定，其值均為常數(shù)。因此通過探測器檢測渦流頻率，即可求出流體平均速度。
圖4.89是光纖光柵渦街流量探測器的示意圖。通過將傳感光纖光柵置于漩渦發(fā)生體后，并與管道形成一個懸臂梁結(jié)構(gòu)來測量漩渦發(fā)生頻率。漩渦在行進(jìn)的過程中，會在漩渦發(fā)生體的下游產(chǎn)生一個垂直于管道軸線方向的升力，由于漩渦在漩渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生，而且旋轉(zhuǎn)方向相反，故作用于漩渦發(fā)生體上的升力也是交替變化的。從而為懸臂梁提供使其產(chǎn)生振動的策動力，因此懸臂梁就發(fā)生了垂直于軸線方向?qū)ΨQ的受迫振動。當(dāng)懸臂梁的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被測漩渦頻率時，交替作用在漩渦發(fā)生體上的升力的變化頻率等于漩渦的頻率，而升力變化頻率又與流體的振動頻率相同，所以可以通過檢測懸臂梁的振動頻率來探測漩渦的頻率，進(jìn)而由式(4.71)得到流體的流量。
根據(jù)振動力學(xué)，對于均質(zhì)、等橫截面、各向同性且服從Hooke定律的矩形直梁，其受迫振動微分方程為：
如圖4.90所示，渦街流量傳感器感測到的光信號通過PIN光電探測器接受，并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過帶通濾波器將溫度變化引起的超低頻波動信號濾除，從而使光纖光柵對溫度的交叉敏感問題得以消除。
如圖4.91所示為光纖光柵渦街流量傳感器測試原理框圖，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器進(jìn)入光纖光柵流量傳感器，返回的信號光與高雙折射光纖環(huán)鏡發(fā)生卷積作用[67]，經(jīng)過PIN光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號并濾波放大后，由計(jì)算機(jī)通過AD采集卡(DAQ2010)采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號處理與顯示。測試中，將光纖光柵流量傳感器安裝于動態(tài)容積法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中，根據(jù)流量傳感器的流量范圍，選擇了6個流量點(diǎn)。如圖5所示為系統(tǒng)的測試結(jié)果圖，橫軸為液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置所示流量，縱軸為采集到的信號脈沖數(shù)頻率。由圖可以看出，擬合曲線為Qv=93.226×f+149.688，線性度誤差0.42%，故該流量傳感器具有很好的線性度，測量精度達(dá)到±0.59%F.S.。
本節(jié)所介紹的光纖光柵流量傳感器是將光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)的渦街流量測量原理相結(jié)合，使流量傳感器采用FBG光纖光柵傳感器檢測漩渦頻率。同時，通過信號處理的方法，使得該FBG傳感器克服了傳統(tǒng)FBG傳感器對溫度交叉敏感的問題。由于該傳感系統(tǒng)具有本征安全、耐腐蝕體積小和溫度不敏感等優(yōu)點(diǎn)，因此適用于各種管道的流量監(jiān)測。但該系統(tǒng)還存在不足，如作為波長解調(diào)器件的高雙折射環(huán)鏡，容易受溫度等環(huán)境因素的影響，從而使得監(jiān)測結(jié)果受環(huán)境影響，但通過目前已有的各種補(bǔ)償措施可以大大降低它的干擾，而FBG傳感系統(tǒng)獨(dú)特的性能也必將極大地推動渦街流量傳感器開拓應(yīng)用。
