一種改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)，由外殼1、前導(dǎo)流元件2、前軸承3、旋轉(zhuǎn)渦輪4、后軸承5、光纖6、后導(dǎo)流元件7組成。通過設(shè)計(jì)渦輪流量計(jì)的旋轉(zhuǎn)渦輪葉片12螺旋升角β為45°，前導(dǎo)流元件葉片10螺旋升角θ為45°，有效地增加旋轉(zhuǎn)渦輪4的驅(qū)動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)始動(dòng)流量的降低、量程比的拓寬和靈敏度的提高。另外，將光纖6密封于后導(dǎo)流元件葉片16內(nèi)部，有效地避免流體對(duì)光纖探頭端面8的污染，使流量計(jì)能長期可靠運(yùn)行。對(duì)旋轉(zhuǎn)軸14末端2 mm區(qū)域進(jìn)行削平、鍍銀膜和開孔處理得到通孔11和旋轉(zhuǎn)軸鍍銀膜面13，提供不同的反射率，將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖變化的光信號(hào)，通過測(cè)量反射光脈沖頻率實(shí)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量。
【專利說明】
一種改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的一種改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)，屬于流量計(jì) 量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 渦輪流量計(jì)因其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜，被廣泛地用在石油、醫(yī)藥、化工等領(lǐng) 域，可實(shí)現(xiàn)水、油、酒類等管道的流量測(cè)量。同時(shí)，它又具有高精度、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，可在航 天等高科技領(lǐng)域中做校正元件。但渦輪流量計(jì)受量程比限制，存在較大死區(qū)，限制了其使用 范圍。因此，降低始動(dòng)流量，擴(kuò)大線性工作區(qū)，將是渦輪流量計(jì)提高性能，擴(kuò)大應(yīng)用范疇的重 要措施。（文獻(xiàn)1:謝勝秋，張世榮，黃書旺，"渦輪流量計(jì)始動(dòng)流量的分析"，傳感器技術(shù)， 2001，20(2): 22-23)。
[0003] 按信號(hào)檢測(cè)方式，渦輪流量計(jì)主要分為電磁式和光纖式的。光纖式渦輪流量計(jì)由 于采用光纖進(jìn)行檢測(cè)和傳輸，能有效地提高抗干擾能力，同時(shí)消除傳統(tǒng)電磁式渦輪流量計(jì) 磁阻力矩帶來的影響(文獻(xiàn)2:張曉鐘，薛水發(fā)，奚曉春，"應(yīng)用雙光纖傳感器的渦輪流量計(jì)結(jié) 構(gòu)、特性及試驗(yàn)研究"，儀器儀表學(xué)報(bào)，1999,20(1): 106-109)。傳統(tǒng)的光纖式渦輪流量計(jì)， 光纖探頭端面直接與流體接觸，易受流體污染而無法正常使用，降低了生產(chǎn)效率，增加了企 業(yè)的生產(chǎn)成本投入(文獻(xiàn)3:杜玉環(huán)，郭迎清，薛海東，張小棟，丁毅，"雙圈同軸式光纖潤輪流 量計(jì)的智能化設(shè)計(jì)"，智能儀器與傳感技術(shù)，2015,23(10): 3563-3566)。
[0004] 本發(fā)明基于傳統(tǒng)渦輪測(cè)量原理，結(jié)合光纖傳感器設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型渦輪流量計(jì)。 通過對(duì)導(dǎo)流片進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使在相同來流情況下渦輪葉片獲得最大驅(qū)動(dòng)力矩，同時(shí)將光 纖置于后導(dǎo)流元件內(nèi)部測(cè)量渦輪轉(zhuǎn)速，避免流體對(duì)光纖探頭端面的污染，同時(shí)避免電磁式 渦輪流量計(jì)在渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁阻力矩的引入，降低了傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的始動(dòng)流量，拓寬了傳 統(tǒng)渦輪流量計(jì)的量程比并提高了傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] ( - )要解決的技術(shù)問題 本發(fā)明的目的在于滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中中小流量測(cè)量場(chǎng)合的需要，降低傳統(tǒng)渦輪流量 計(jì)的始動(dòng)流量，拓寬其量程比和提高其靈敏度，以及解決傳統(tǒng)光纖渦輪流量計(jì)光纖探頭端 面防污染問題，提出了一種改進(jìn)型的渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)。
[0006] (二)技術(shù)方案 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)，由外殼1、前導(dǎo)流元 件2、前軸承3、旋轉(zhuǎn)渦輪4、后軸承5、光纖6、后導(dǎo)流元件7組成。在旋轉(zhuǎn)渦輪葉片12螺旋升角β 固定的情況下，使前導(dǎo)流元件葉片10具有一定的螺旋升角Θ，以提高旋轉(zhuǎn)渦輪4的驅(qū)動(dòng)力矩， 從而降低傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的始動(dòng)流量，提高傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的量程比和靈敏度。為實(shí)現(xiàn)光 纖探頭端面8防污染，將光纖6密封于后導(dǎo)流元件葉片16內(nèi)部，避免流體與光纖探頭端面8接 觸。
[0007] 上述方案中，所述的旋轉(zhuǎn)渦輪葉片12的螺旋升角β為45°，前導(dǎo)流元件葉片10螺旋 升角Θ為45°，流體經(jīng)過使流體能垂直作用于旋轉(zhuǎn)渦輪葉片12上，有效地增加旋轉(zhuǎn)渦輪4的驅(qū) 動(dòng)力矩，以實(shí)現(xiàn)始動(dòng)流量的降低、量程比的拓寬和靈敏度的提高。
[0008] 上述方案中，所述的光纖探頭端面8由直徑為250 μπι的光纖6端面切平做成，光纖6 由外殼1沿后導(dǎo)流元件葉片16內(nèi)光纖固定孔17穿入至距離旋轉(zhuǎn)軸鍍銀膜面13正上方I mm 處，并用環(huán)氧樹脂膠固定。將距離旋轉(zhuǎn)軸14末端2 mm區(qū)域削成一個(gè)邊長為2 mm的正方體， 選取正方體與旋轉(zhuǎn)軸14平行的一個(gè)面，在該面的中心處開一個(gè)通孔11，其直徑為0.5 mm;再 選取正方體中垂直于旋轉(zhuǎn)軸開孔面C，并平行于旋轉(zhuǎn)軸14的中軸線的兩個(gè)平面進(jìn)行鍍銀膜 處理得到旋轉(zhuǎn)軸鍍銀膜面13;當(dāng)通孔11旋轉(zhuǎn)到光纖探頭正上方時(shí)，反射光強(qiáng)為最小，當(dāng)旋轉(zhuǎn) 軸鍍銀膜面13旋轉(zhuǎn)到光纖探頭正上方時(shí)，反射光強(qiáng)最大，通過測(cè)量反射光脈沖頻率實(shí)現(xiàn)渦 輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量。
[0009] (三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果： 1)該改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)能有效提高傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)力矩，降低傳統(tǒng)渦輪 流量計(jì)的始動(dòng)流量，提高傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的量程比和測(cè)量靈敏度，滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中中 小流量測(cè)量場(chǎng)合的需要。
[0010] 2)該改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)將光纖密封于后導(dǎo)流元件內(nèi)部，能有效解決傳統(tǒng)光 纖渦輪流量計(jì)光纖探頭端面防污染問題，提高流量計(jì)的使用壽命、降低成本。
【附圖說明】
[0011] 以下各圖渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)均與【具體實(shí)施方式】中相同： 圖1為改進(jìn)光纖渦輪流量計(jì)的整體結(jié)構(gòu)示意圖及其剖面圖。其中，圖中序號(hào)如下：1-外 殼、2_前導(dǎo)流兀件、3_前軸承、4_旋轉(zhuǎn)禍輪、5_后軸承、6_光纖、7_后導(dǎo)流兀件、8_光纖探頭端 面、A-流體入口、B-流體出口； 圖2為前導(dǎo)流元件示意圖。其中，圖中序號(hào)如下：9-前軸承安裝孔，Θ-前導(dǎo)流元件葉片 螺旋升角、10-前導(dǎo)流元件葉片； 圖3為旋轉(zhuǎn)渦輪葉片示意圖。其中，圖中序號(hào)如下：11_通孔、12-旋轉(zhuǎn)渦輪葉片、β-旋轉(zhuǎn) 渦輪葉片螺旋升角、13-旋轉(zhuǎn)軸鍍銀膜面、14-旋轉(zhuǎn)軸、C-旋轉(zhuǎn)軸開孔面； 圖4為后導(dǎo)流元件示意圖。其中，圖中序號(hào)如下：15-后軸承安裝孔、16-后導(dǎo)流元件葉 片、17-光纖固定孔； 圖5為改進(jìn)光纖渦輪流量計(jì)的速度矢量三角形示意圖。V-進(jìn)入流量計(jì)前流體速度方向， V'-旋轉(zhuǎn)渦輪后流體速度方向，rco-旋轉(zhuǎn)渦輪角速度方向，U-為旋轉(zhuǎn)渦輪葉片方向； 圖6為角度系數(shù)G(0)與前導(dǎo)流元件葉片螺旋升角邱勺關(guān)系曲線。 具體實(shí)施方案
[0012] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參 照附圖，對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、原理以及優(yōu)化過程作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1、圖2、圖3、圖 4所示，一種改進(jìn)光纖渦輪流量計(jì)，包括外殼1，置于外殼1內(nèi)的前導(dǎo)流元件2、前軸承3、旋轉(zhuǎn) 渦輪4、后軸承5、光纖6、后導(dǎo)流元件7。前導(dǎo)流元件2對(duì)流體起導(dǎo)向作用，使流體能夠垂直作 用于旋轉(zhuǎn)渦輪葉片12上，使旋轉(zhuǎn)渦輪4能夠獲得最大驅(qū)動(dòng)力矩。后導(dǎo)流元件7起整流作用，減 少經(jīng)過旋轉(zhuǎn)渦輪4后的旋轉(zhuǎn)流體對(duì)安裝于后面管道中器件的影響。前軸承3和后軸承5的內(nèi) 圈安裝于旋轉(zhuǎn)渦輪4的旋轉(zhuǎn)軸14上，外圈分別安裝于前導(dǎo)流元件軸承安裝孔9和后導(dǎo)流元件 軸承安裝孔15內(nèi)，前導(dǎo)流元件2和后導(dǎo)流元件7同時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)渦輪4起支撐作用。光纖6由外殼1 沿后導(dǎo)流元件葉片16內(nèi)光纖固定孔17穿入至距離旋轉(zhuǎn)軸鍍銀膜面13正上方I mm處，并用 環(huán)氧樹脂膠固定。如圖3所示，將距離旋轉(zhuǎn)軸14末端2 mm區(qū)域削成一個(gè)邊長為2 mm的正方 體，選取正方體與旋轉(zhuǎn)軸14平行的一個(gè)面，在該面的中心處開一個(gè)通孔11，其直徑為0.5 mm;再選取正方體中垂直于旋轉(zhuǎn)軸開孔面C，并平行于旋轉(zhuǎn)軸14的中軸線的兩個(gè)平面進(jìn)行鍍 銀膜處理得到旋轉(zhuǎn)軸鍍銀膜面13。當(dāng)通孔11旋轉(zhuǎn)到光纖探頭端面8正上方時(shí)，反射光強(qiáng)為最 小，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸鍍銀膜面13旋轉(zhuǎn)到光纖探頭端面8正上方時(shí)，反射光強(qiáng)最大，通過測(cè)量反射光 脈沖頻率實(shí)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量。
[0013] 如圖5所示，在純軸向來流的條件下，流體首先經(jīng)過前導(dǎo)流元件，由于導(dǎo)流元件具 有一定的偏角，流過導(dǎo)流元件的流體速度方向發(fā)生改變，變?yōu)榕c前導(dǎo)流元件葉片的螺旋升 角座。接著流體沖擊旋轉(zhuǎn)渦輪，旋轉(zhuǎn)渦輪受力旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度與管道平均流速成正比，由光 纖檢測(cè)裝置測(cè)出。最后流體經(jīng)后導(dǎo)流元件的作用，速度方向恢復(fù)到最初的軸線方向。
[0014] 在平衡狀態(tài)時(shí)，即渦輪處于勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)與阻力矩相等，取為
(1)
[0015] 沿葉片高度方向，葉片微元面上受到的力矩為：
(2) 為作用在旋轉(zhuǎn)渦輪葉片半徑為r處的作用力。
[0016] 此外，由動(dòng)量定理可知：
(3) 式中#為流體密度，#為旋轉(zhuǎn)渦輪螺旋升角，ω為旋轉(zhuǎn)渦輪角速度。
[0017] 從旋轉(zhuǎn)渦輪葉片輪殼半徑Γ1到葉片頂端半徑^對(duì)式(3)積分，得到旋轉(zhuǎn)渦輪驅(qū)動(dòng)力 矩：
則反射光脈沖頻率可表示為： (6) 式中，f為反射光脈沖頻率。
[0018] 因此體積流量可表示為:為Qv:
(7) 式中，Qv為體積流量，A為管道截面積。
[0019] 根據(jù)式（5)、（6)和(7)，體積流量可表示為：
當(dāng)流量到達(dá)始動(dòng)流量時(shí)，旋轉(zhuǎn)渦輪啟動(dòng)。此時(shí)，它們的角速度很小，所以忽略流體阻力 矩等其它阻力矩的影響，只考慮軸承阻力矩羚。因此，始動(dòng)流量Qvs可以表示為：
(9) 設(shè)旋轉(zhuǎn)渦輪旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生光脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)為Z，流量計(jì)的靈敏度可表示為：
(10) 定義角度系數(shù)G(0)為：
(11) 對(duì)角度系數(shù)σ(巧求導(dǎo)，得：
(12) (13) 由高等數(shù)學(xué)極值定理可知，在其他參數(shù)確定的情況下及旋轉(zhuǎn)渦輪葉片螺旋升角β確定 的情況下，前導(dǎo)流元件葉片螺旋升角沒=p時(shí)，取極大值。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)渦輪獲得最 大驅(qū)動(dòng)力矩，始動(dòng)流量取得最小值，流量計(jì)靈敏度取得最大值。
[0020] 如圖6所示，旋轉(zhuǎn)渦輪葉片螺旋升角β等于45°，當(dāng)前導(dǎo)流元件葉片的螺旋升角5 等于45°時(shí)，角度系數(shù)G(0)取得最大值。由式(4)、（9)和（10)可知，在其它條件固定的情況下 (?、:τι、Γ2、.總、V、ω、ζ固定），旋轉(zhuǎn)禍輪葉片螺旋升角β等于45°，當(dāng)前導(dǎo)流元件葉片的螺旋 升角6等于45°時(shí)，始動(dòng)流量取得最小值，流量計(jì)靈敏度取得最大值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)，包括外殼1，前導(dǎo)流元件2、前軸承3、旋轉(zhuǎn)渦輪4、后軸承 5、光纖6、后導(dǎo)流元件7,其特征在于:旋轉(zhuǎn)渦輪葉片12的螺旋升角β為45°，前導(dǎo)流元件葉片 10具有一定的螺旋升角，有效地增加旋轉(zhuǎn)渦輪4的驅(qū)動(dòng)力矩;將光纖6密封于后導(dǎo)流元件葉 片16內(nèi)部，并對(duì)旋轉(zhuǎn)軸14的末端2 mm區(qū)域進(jìn)行削平、開孔和鍍銀膜處理，提供不同的反射 率，通過測(cè)量反射光脈沖頻率實(shí)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量。2. 如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)，其特征在于:前導(dǎo)流元件葉片10螺 旋升角Θ為45°，使流體能垂直作用于旋轉(zhuǎn)渦輪葉片12上，以實(shí)現(xiàn)始動(dòng)流量的降低、量程比的 拓寬和靈敏度的提高。3. 如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)，其特征在于:在距離流體出口B 30 mm處開一個(gè)1.2 mm直徑通孔17,將直徑為250 μπι的光纖6置于通孔17中，并用環(huán)氧樹脂膠進(jìn) 行固定，光纖探頭端面8距離旋轉(zhuǎn)軸鍍銀膜面13正上方1 mm，且前軸承3和后軸承5均采用 防水密封軸承，避免光纖探頭端面8與流體接觸而受到污染。4. 如權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)型光纖渦輪流量計(jì)，其特征在于:將距離旋轉(zhuǎn)軸14的末 端2 mm的區(qū)域削成一個(gè)邊長為2 mm的正方體，選取正方體與旋轉(zhuǎn)軸14的中軸線平行的一個(gè) 面，在該面的中心處開一個(gè)通孔11，其直徑為0.5 mm;再選取正方體中垂直于旋轉(zhuǎn)軸開孔面 C，并平行于旋轉(zhuǎn)軸14的中軸線的兩個(gè)平面進(jìn)行鍍銀膜處理得到旋轉(zhuǎn)軸鍍銀膜面13;當(dāng)通孔 11旋轉(zhuǎn)到光纖探頭端面8正上方時(shí)，反射光強(qiáng)為最小，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸鍍銀膜面13旋轉(zhuǎn)到光纖探頭 端面8正上方時(shí)，反射光強(qiáng)最大，通過測(cè)量反射光脈沖頻率實(shí)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量。
【文檔編號(hào)】G01F1/10GK105841755SQ201610271414
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月28日
【發(fā)明人】呂日清, 顧亞飛, 趙勇, 王孟軍, 楊華麗, 楊洋
【申請(qǐng)人】東北大學(xué), 承德熱河克羅尼儀表有限公司, 承德石油高等?？茖W(xué)校