一种改进型光纤涡轮流量计的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种改进型光纤涡轮流量计，由外壳1、前导流元件2、前轴承3、旋转涡轮4、后轴承5、光纤6、后导流元件7组成。通过设计涡轮流量计的旋转涡轮叶片12螺旋升角β为45°，前导流元件叶片10螺旋升角θ为45°，有效地增加旋转涡轮4的驱动力矩，实现始动流量的降低、量程比的拓宽和灵敏度的提高。另外，将光纤6密封于后导流元件叶片16内部，有效地避免流体对光纤探头端面8的污染，使流量计能长期可靠运行。对旋转轴14末端2 mm区域进行削平、镀银膜和开孔处理得到通孔11和旋转轴镀银膜面13，提供不同的反射率，将转速信号转化为脉冲变化的光信号，通过测量反射光脉冲频率实现涡轮转速的测量。
【专利说明】
一种改进型光纤涡轮流量计
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种基于传统涡轮流量计的一种改进型光纤涡轮流量计，属于流量计 量技术领域。
【背景技术】
[0002] 涡轮流量计因其体积小、结构简单、价格便宜，被广泛地用在石油、医药、化工等领 域，可实现水、油、酒类等管道的流量测量。同时，它又具有高精度、性能可靠等优点，可在航 天等高科技领域中做校正元件。但涡轮流量计受量程比限制，存在较大死区，限制了其使用 范围。因此，降低始动流量，扩大线性工作区，将是涡轮流量计提高性能，扩大应用范畴的重 要措施。（文献1:谢胜秋，张世荣，黄书旺，"涡轮流量计始动流量的分析"，传感器技术， 2001，20(2): 22-23)。
[0003] 按信号检测方式，涡轮流量计主要分为电磁式和光纤式的。光纤式涡轮流量计由 于采用光纤进行检测和传输，能有效地提高抗干扰能力，同时消除传统电磁式涡轮流量计 磁阻力矩带来的影响(文献2:张晓钟，薛水发，奚晓春，"应用双光纤传感器的涡轮流量计结 构、特性及试验研究"，仪器仪表学报，1999,20(1): 106-109)。传统的光纤式涡轮流量计， 光纤探头端面直接与流体接触，易受流体污染而无法正常使用，降低了生产效率，增加了企 业的生产成本投入(文献3:杜玉环，郭迎清，薛海东，张小栋，丁毅，"双圈同轴式光纤润轮流 量计的智能化设计"，智能仪器与传感技术，2015,23(10): 3563-3566)。
[0004] 本发明基于传统涡轮测量原理，结合光纤传感器设计了一种改进型涡轮流量计。 通过对导流片进行特殊设计，使在相同来流情况下涡轮叶片获得最大驱动力矩，同时将光 纤置于后导流元件内部测量涡轮转速，避免流体对光纤探头端面的污染，同时避免电磁式 涡轮流量计在涡轮转动时磁阻力矩的引入，降低了传统涡轮流量计的始动流量，拓宽了传 统涡轮流量计的量程比并提高了传统涡轮流量计的灵敏度。
【发明内容】
[0005] ( - )要解决的技术问题 本发明的目的在于满足实际工业生产中中小流量测量场合的需要，降低传统涡轮流量 计的始动流量，拓宽其量程比和提高其灵敏度，以及解决传统光纤涡轮流量计光纤探头端 面防污染问题，提出了一种改进型的涡轮流量计结构。
[0006] (二)技术方案 为了达到上述目的，本发明提出一种改进型光纤涡轮流量计结构，由外壳1、前导流元 件2、前轴承3、旋转涡轮4、后轴承5、光纤6、后导流元件7组成。在旋转涡轮叶片12螺旋升角β 固定的情况下，使前导流元件叶片10具有一定的螺旋升角Θ，以提高旋转涡轮4的驱动力矩， 从而降低传统涡轮流量计的始动流量，提高传统涡轮流量计的量程比和灵敏度。为实现光 纤探头端面8防污染，将光纤6密封于后导流元件叶片16内部，避免流体与光纤探头端面8接 触。
[0007] 上述方案中，所述的旋转涡轮叶片12的螺旋升角β为45°，前导流元件叶片10螺旋 升角Θ为45°，流体经过使流体能垂直作用于旋转涡轮叶片12上，有效地增加旋转涡轮4的驱 动力矩，以实现始动流量的降低、量程比的拓宽和灵敏度的提高。
[0008] 上述方案中，所述的光纤探头端面8由直径为250 μπι的光纤6端面切平做成，光纤6 由外壳1沿后导流元件叶片16内光纤固定孔17穿入至距离旋转轴镀银膜面13正上方I mm 处，并用环氧树脂胶固定。将距离旋转轴14末端2 mm区域削成一个边长为2 mm的正方体， 选取正方体与旋转轴14平行的一个面，在该面的中心处开一个通孔11，其直径为0.5 mm;再 选取正方体中垂直于旋转轴开孔面C，并平行于旋转轴14的中轴线的两个平面进行镀银膜 处理得到旋转轴镀银膜面13;当通孔11旋转到光纤探头正上方时，反射光强为最小，当旋转 轴镀银膜面13旋转到光纤探头正上方时，反射光强最大，通过测量反射光脉冲频率实现涡 轮转速的测量。
[0009] (三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果： 1)该改进型光纤涡轮流量计能有效提高传统涡轮流量计的驱动力矩，降低传统涡轮 流量计的始动流量，提高传统涡轮流量计的量程比和测量灵敏度，满足实际工业生产中中 小流量测量场合的需要。
[0010] 2)该改进型光纤涡轮流量计将光纤密封于后导流元件内部，能有效解决传统光 纤涡轮流量计光纤探头端面防污染问题，提高流量计的使用寿命、降低成本。
【附图说明】
[0011] 以下各图涡轮流量计的结构参数均与【具体实施方式】中相同： 图1为改进光纤涡轮流量计的整体结构示意图及其剖面图。其中，图中序号如下：1-外 壳、2_前导流兀件、3_前轴承、4_旋转祸轮、5_后轴承、6_光纤、7_后导流兀件、8_光纤探头端 面、A-流体入口、B-流体出口； 图2为前导流元件示意图。其中，图中序号如下：9-前轴承安装孔，Θ-前导流元件叶片 螺旋升角、10-前导流元件叶片； 图3为旋转涡轮叶片示意图。其中，图中序号如下：11_通孔、12-旋转涡轮叶片、β-旋转 涡轮叶片螺旋升角、13-旋转轴镀银膜面、14-旋转轴、C-旋转轴开孔面； 图4为后导流元件示意图。其中，图中序号如下：15-后轴承安装孔、16-后导流元件叶 片、17-光纤固定孔； 图5为改进光纤涡轮流量计的速度矢量三角形示意图。V-进入流量计前流体速度方向， V'-旋转涡轮后流体速度方向，rco-旋转涡轮角速度方向，U-为旋转涡轮叶片方向； 图6为角度系数G(0)与前导流元件叶片螺旋升角邱勺关系曲线。 具体实施方案
[0012] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参 照附图，对本发明的具体结构、原理以及优化过程作进一步的详细说明。如图1、图2、图3、图 4所示，一种改进光纤涡轮流量计，包括外壳1，置于外壳1内的前导流元件2、前轴承3、旋转 涡轮4、后轴承5、光纤6、后导流元件7。前导流元件2对流体起导向作用，使流体能够垂直作 用于旋转涡轮叶片12上，使旋转涡轮4能够获得最大驱动力矩。后导流元件7起整流作用，减 少经过旋转涡轮4后的旋转流体对安装于后面管道中器件的影响。前轴承3和后轴承5的内 圈安装于旋转涡轮4的旋转轴14上，外圈分别安装于前导流元件轴承安装孔9和后导流元件 轴承安装孔15内，前导流元件2和后导流元件7同时对旋转涡轮4起支撑作用。光纤6由外壳1 沿后导流元件叶片16内光纤固定孔17穿入至距离旋转轴镀银膜面13正上方I mm处，并用 环氧树脂胶固定。如图3所示，将距离旋转轴14末端2 mm区域削成一个边长为2 mm的正方 体，选取正方体与旋转轴14平行的一个面，在该面的中心处开一个通孔11，其直径为0.5 mm;再选取正方体中垂直于旋转轴开孔面C，并平行于旋转轴14的中轴线的两个平面进行镀 银膜处理得到旋转轴镀银膜面13。当通孔11旋转到光纤探头端面8正上方时，反射光强为最 小，当旋转轴镀银膜面13旋转到光纤探头端面8正上方时，反射光强最大，通过测量反射光 脉冲频率实现涡轮转速的测量。
[0013] 如图5所示，在纯轴向来流的条件下，流体首先经过前导流元件，由于导流元件具 有一定的偏角，流过导流元件的流体速度方向发生改变，变为与前导流元件叶片的螺旋升 角座。接着流体冲击旋转涡轮，旋转涡轮受力旋转，旋转速度与管道平均流速成正比，由光 纤检测装置测出。最后流体经后导流元件的作用，速度方向恢复到最初的轴线方向。
[0014] 在平衡状态时，即涡轮处于匀速旋转运动时，驱动力矩应与阻力矩相等，取为
(1)
[0015] 沿叶片高度方向，叶片微元面上受到的力矩为：
(2) 为作用在旋转涡轮叶片半径为r处的作用力。
[0016] 此外，由动量定理可知：
(3) 式中#为流体密度，#为旋转涡轮螺旋升角，ω为旋转涡轮角速度。
[0017] 从旋转涡轮叶片轮壳半径Γ1到叶片顶端半径^对式(3)积分，得到旋转涡轮驱动力 矩：
则反射光脉冲频率可表示为： (6) 式中，f为反射光脉冲频率。
[0018] 因此体积流量可表示为:为Qv:
(7) 式中，Qv为体积流量，A为管道截面积。
[0019] 根据式（5)、（6)和(7)，体积流量可表示为：
当流量到达始动流量时，旋转涡轮启动。此时，它们的角速度很小，所以忽略流体阻力 矩等其它阻力矩的影响，只考虑轴承阻力矩羚。因此，始动流量Qvs可以表示为：
(9) 设旋转涡轮旋转一周产生光脉冲信号个数为Z，流量计的灵敏度可表示为：
(10) 定义角度系数G(0)为：
(11) 对角度系数σ(巧求导，得：
(12) (13) 由高等数学极值定理可知，在其他参数确定的情况下及旋转涡轮叶片螺旋升角β确定 的情况下，前导流元件叶片螺旋升角沒=p时，取极大值。此时，旋转涡轮获得最 大驱动力矩，始动流量取得最小值，流量计灵敏度取得最大值。
[0020] 如图6所示，旋转涡轮叶片螺旋升角β等于45°，当前导流元件叶片的螺旋升角5 等于45°时，角度系数G(0)取得最大值。由式(4)、（9)和（10)可知，在其它条件固定的情况下 (?、:τι、Γ2、.总、V、ω、ζ固定），旋转祸轮叶片螺旋升角β等于45°，当前导流元件叶片的螺旋 升角6等于45°时，始动流量取得最小值，流量计灵敏度取得最大值。
【主权项】
1. 一种改进型光纤涡轮流量计，包括外壳1，前导流元件2、前轴承3、旋转涡轮4、后轴承 5、光纤6、后导流元件7,其特征在于:旋转涡轮叶片12的螺旋升角β为45°，前导流元件叶片 10具有一定的螺旋升角，有效地增加旋转涡轮4的驱动力矩;将光纤6密封于后导流元件叶 片16内部，并对旋转轴14的末端2 mm区域进行削平、开孔和镀银膜处理，提供不同的反射 率，通过测量反射光脉冲频率实现涡轮转速的测量。2. 如权利要求1所述的一种改进型光纤涡轮流量计，其特征在于:前导流元件叶片10螺 旋升角Θ为45°，使流体能垂直作用于旋转涡轮叶片12上，以实现始动流量的降低、量程比的 拓宽和灵敏度的提高。3. 如权利要求1所述的一种改进型光纤涡轮流量计，其特征在于:在距离流体出口B 30 mm处开一个1.2 mm直径通孔17,将直径为250 μπι的光纤6置于通孔17中，并用环氧树脂胶进 行固定，光纤探头端面8距离旋转轴镀银膜面13正上方1 mm，且前轴承3和后轴承5均采用 防水密封轴承，避免光纤探头端面8与流体接触而受到污染。4. 如权利要求1所述的一种改进型光纤涡轮流量计，其特征在于:将距离旋转轴14的末 端2 mm的区域削成一个边长为2 mm的正方体，选取正方体与旋转轴14的中轴线平行的一个 面，在该面的中心处开一个通孔11，其直径为0.5 mm;再选取正方体中垂直于旋转轴开孔面 C，并平行于旋转轴14的中轴线的两个平面进行镀银膜处理得到旋转轴镀银膜面13;当通孔 11旋转到光纤探头端面8正上方时，反射光强为最小，当旋转轴镀银膜面13旋转到光纤探头 端面8正上方时，反射光强最大，通过测量反射光脉冲频率实现涡轮转速的测量。
【文档编号】G01F1/10GK105841755SQ201610271414
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】吕日清, 顾亚飞, 赵勇, 王孟军, 杨华丽, 杨洋
【申请人】东北大学, 承德热河克罗尼仪表有限公司, 承德石油高等专科学校