明渠流量计的研究与应用

明渠流量计的研究与应用
作  者： 荣宁 李川 于立新 贾莹
摘  要： 研制了一种新型的菱形结构光纤Bragg光栅应变传感器。采用有限元方法分析了该结构的力学性能。将该传感器与巴歇尔槽联合使用，用于液体流量的实时在线监测，实验研究了这种封装形式的应变特性。采用光纤布拉格光栅网络分析仪，测量了菱形应变化传感器的波长和应变变化量，测得其应变系数为630.45mm/nm，且线性度达到0.9998。
关键字： 光纤布拉格光栅（FBG） 应变传感器 流量计
0 引言

    目前井下排水流量测定方法一般为人工通过流量表测量获得。由于井下田间复杂多变，检测误差相对很大，不能累计流量读数，不能实现地面总控室的实时监测与报警处理。为此，设计研制了基于光纤Bragg光栅应变传感器的明渠流量计。

    1 光纤光栅原理

    光纤Bragg光栅传感器基于光栅周期和有效折射率受外界条件影响而使反射波长漂移的原理进行传感测量。温度导致反射波长变化是由于光纤的线性膨胀效应和热光效应，应力影响反射波长变化是由于光栅的弹光效应和光栅周期变化。

    当一束宽光谱光经过光纤Bragg光栅时，被光栅反射回一单色光λB，相当于一个窄带的反射镜。反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期和纤芯有效折射率n_eff有关。当光纤光栅受应变和周围的温度发生变化时，将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率n_eff变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂移λB，通过监测Bragg波长λB的变化情况，即可获得测点上光纤光栅的应变和周围温度的变化状况。光纤光栅波长漂移λB应变和温度变化的关系为

   （1）

    式中：第一项表示光纤的应变效应；第二项表示温度对光纤的影响。

    通过检测光纤光栅Bragg波长，可测得应变或环境温度。

    在所有引起光栅Bragg波长位移的外界因素中，最直接的就是应力、应变参量。因为无论是对光栅进行拉伸还是挤压，都将导致光栅周期的变化，并且光纤本身所具有的弹光效应使得有效折射率也随着外界应力状态的变化而变化。因此，波长的移位可以由式（2）统一描述

（2）

    在每只应变传感器上都串联了一只温度补偿光纤FBG光栅传感器，温度对应变传感器的影响就可以相应地剔除，只有应力应变对传感器的作用改变中心波长的变化。光纤光栅监测系统主要包括传感部分、传输光纤和光纤光栅解调仪3部分。由于光纤光栅可以制作成不同的中心波长，因此多个光栅可以方便地串接在同一条光路上形成分布式测量系统。

    2 菱形结构的有限元分析

    菱形结构如图1所示，封装时采用环氧类胶将光栅两端分别粘接于A、B两点处。实际应用时，将被测物比昂面的形变量转换成为菱形结构对角线AB距离的变化量，进而变换为光栅波长的变化。为了清楚地了解这种菱形结构传感性能，用PROE软件的有限元分析方法对次结构进行了力学和热学分析。模拟了菱形传感器焊接到拉伸试验台上的结构。首先，分析菱形结构的力学特性：拉伸实验台一段加轴向荷载，另一端为约束端，分析结果为拉伸受拉时，AB距离反而变小，光栅波长也随之减小。模拟了温度从90℃变化到-40℃时，菱形结构随着温度的降低，AB距离增大，因而光栅波长也增大。

图1　菱形结构示意图

    有限元模拟结果表明：菱形传感结构具有特殊的力学性能和热学性能，即受拉时光栅波长变小，受压时光栅波长变大；温度升高时波长变小，温度降低时，波长变大。

    但是由于从拉伸到收缩，特别是在温度不恒定的情况下，金属材料的弹性模量、热膨胀系数，以及光纤Bragg光栅的热光系数、弹光系数均是非线性变化过程，因此很难精确地计算出传感器的应变系数。

    3 实验过程和测试结果

    在中国水利水电研究院水力学研究所做了动态水流标定试验，对光纤Bragg光栅明渠流量计进行了标定。实验中光栅波长的检测，采用PI05系列光纤Bragg光栅网络分析仪，其波长分辨率为±1pm，测量精度达到了±3pm.

    试验中，水位高度变化顺序为从空载开始，每次水位上升50mm，最高水位为400mm，然后再依次下降直至空载，标定过程中分别记下实测流量和中心波长。分别记录了菱形传感器在空载时、水位逐渐上升、满载时的中心波长，测试数据见表1。

    在传感器制作过程中，需要通过用分析仪观测，将光纤光栅拉伸到2nm左右，经过欲拉以后进行封装。试验时，做逐级增水和逐级放水2个循环测试，分别记录每个测试点的水位高度、流量值、波长值，然后根据实际测量数据绘制变化关系曲线和拟合曲线，见图2。通过使用Parshall槽的水位和流量对应关系，可以推算出流过Parshall槽的水流流量。

    4　流量计工作原理及安装

    对明渠流量的测量方法主要有直接法和间接法2类。采用间接法，槽式量水器为巴歇尔槽，明渠流量计安装在现场渠槽内，安装在巴歇尔槽喉道段，巴歇尔槽由上游收缩段、静水喉道段、下游扩散段3部分组成。收缩段的草地向下游倾斜，扩散段槽底的倾斜方向与喉道槽底相反，其结构如图3所示。
 

    巴歇尔槽安装在渠道上要牢固，与渠道侧壁、渠底连接要紧密，不能漏水。水流全部流经巴歇尔槽的计量部位，计量部位是槽内的喉道段。测井与水槽的底部相通，其水位h和瞬时流量q也具有确定的关系。流量和水位的关系表达式

      （3）

    式中：k和α为流量系数，根据喉部尺寸不同而异。

    光纤Bragg传感器测定出来的中心波长可以通过式（3）测定出水位的高度，相应的流量也可以通过式（4）测得。   

    式中：h为水位高度；λ_B为中心波长；L为渠内流量；k为应变系数；b为常数项。

    5 结束语

    该流量计具备光纤传感器的特点为：不受电磁场干扰，电绝缘性好，耐潮湿耐化学侵蚀等恶劣环境；质量轻，体积小，对结构影响小，易于布置；可实现点测量，也可通过串接方式实现多点分布式测量；波长移动与应变或温度有良好的线性关系。

    参考文献：

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