Патент на изобретение №2181878

(54) ВИХРЕВОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ РАСХОДОМЕР

(57) Реферат:

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.

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 _к.р. 1.3_н.р., где _н.р.– скорость потока, при которой возникают резонансные колебания световода, _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 ,, 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 ,, 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 и плотности измеряемой среды, вязкость и плотность являются функциями температуры t:
F_c= f_Fc(,d_c,(t),(t),A_c(T_c)),
F_дс= f_Fдc(,d_дс,(t),(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 _Rc= _Tc и _Rдc= _Tдc соответственно.

_Rc= f_Rc(n_c1,n_c2,r_c1,_c),
_Tc= f_Tc(n_c2,n_c3,n_c4,r_c2,r_c3,_c),
_Rcд= f_Rcд(n_дc1,n_дc2,r_дc1,_дc),
_Tдc= f_Tcд(n_дc2,n_дc3,n_дc4,r_дc2,r_дc3,_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; _c,_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 _c,_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 _{c 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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 26.12.2006

Извещение опубликовано: 20.01.2008 БИ: 02/2008