研究内容基于镀膜光纤布拉格光栅的热式气体流量计原理引言对流传热原理光纤光栅传感原理镀膜光纤布拉格光栅热式气体流量测量数学模型基于镀膜光纤布拉格光栅的热式气体流量计设计引言镀膜光纤布拉格光栅传感探头结构与封装设计波长信号采集与显示系统设计引言通讯方式界面总体设计软件设计本章小结万方数据基于镀膜光纤布拉格光栅的热式气体流量计仿真分析引言传感探头封装结构速度场数值模拟长率为。热式气体质量流量测量技术热式气体质量流量的测量原理是基于加热元件在气体流动中的热传递，在热传递中，气体流动带走管道内加热元件上的热量导致温度变化，这个变化量万方数据中国计量学院硕士学位论文与气体的流速和环境温度有关。利用这原理来测量流体的质量流量已有很长的历史。早期的热式质量流量计起源于世纪初期，是种接触式流量计，较为典型的代表如托马斯流量计，主要用于测量较大流量的气体质量流量测量。随后逐渐有了可用于测量较大液体流量的边界层流量计可用于测量气体微小流量的热分布型流量计等等。侵入式热式质量流量计，检测元件侵入到被测流体中，用不锈钢套管保护。侵入式都是基于热量的消散冷却效应。对于中大管径，可采用多组检测元件组合的，也有采用多台插入检测杆阵列的方法测量管道流体流速，可测量低中偏高流速的气体流量，其基本原理见图。热电阻支架金属细管流速图侵入型原理图传统的侵入型热式流量测量传感探头主要分为热线和热膜，两大类。是利用强迫对流来测量流速的仪器，在工作中遵循热平衡原理，即任何时候金属丝中由流速上升降低所耗散的热与金属丝电阻温度升高降低所产生的热相等。传统的热线探针构造如图所示。叉杆端支撑热丝金属丝，另端由插接杆支撑，中间为填满绝缘材料的保护套。金属丝叉杆保护套连接线绝缘填料插接杆图热线探针结构万方数据中国计量学院硕士学位论文传统的热膜探头不同于热丝，是由沉积在热绝缘衬底，如石英上的薄约的铂金膜或者镍膜构成的，般的衬底形状如图所示。相比于热线探头的形式，热膜探头解决了热线探头技术在空间分辨率和易碎性之间的矛盾，也为热线在水中的使用开辟了道路。热膜石英镀铂膜带石英镀层热膜石英镀层热膜图热膜探头的型式无论基于何种效应的热式流量计，根据检测变量的不同，都可划分为两大类为恒定功率测量法，采用恒定功率提供传感探头加热所需热量，测量随流量变化而变化的温度二为恒定温度测量法，通过保持加热元件和被测流体之间的恒定温差，控制给热源提供热量的功率随流量的变化而变化，通过测量变化的功率计算流量。热分布式热式质量流量计，种非接触式流量计，采用在测量管外壁上，绕制温度系数较高的检测元件测量流量，见图。热分布式是近二十多年来发展起来的，基于热量传递转移效应，可用于测量微小气体流量。输出流量传感器绕组测量管转换器恒流电源放大器图热分布工作原理图边界层式热式质量流量计，利用边界层内的热传递对流体流速进行测量，不需要对全部介质加热，因此反应较快，也是种非接触式流量计。热式质量流量计具有些典型特点万方数据中国计量学院硕士学位论文适用于各种管道的测量从毛细管到最大直径的管道测量范围宽低至，高达测量精度高重复性好基本误差在满量程之间防过载能力强压损小结构简单安装方便普遍响应速度不高，通常在，较快的也需在年代，国外有大量研究人员对热式气体流量计开展了研究，目前，国外已有不少相关企业，居于前列的如美国的公司公司布鲁克斯公司公司加拿大的萨尔瑟斯公司德国的公司等等。我国自行研发的起步较晚。上海光华仪表厂哈尔滨工业大学中国科学院等机构都在对热式流量计开展研究工作，也取得了定的研究成果，但与国外相比尚有定差距。目前，国内外对热式气体流量计的研究主要集中在以下几个方面传感器结构的改进流体微小流量的测量补偿算法和组分算法的研究信号处理和控制方法的研究本文所研究的热式气体质量流量计就是种新型侵入式热式气体质量流量计，通过对原有传感探头结构进行改进，引进光纤布拉格光栅作为热式气体流量计的传感探头，选用恒功率工作模式，针对光纤布拉格光栅的温度传感特性进行原理推导与算法研究，开展气体流量的测量。光纤式流量测量传感技术目前，将光纤传感技术成熟应用于流量测量领域主要可以概括为以下四种类型容积式组合光纤流量计光纤涡街流量计光纤差压式流量计光纤多普勒流速传感系统其它光纤流量传感器等等。容积式组合光纤流量计顾名思义，容积式组合光纤流量计就是将传统的容积式流量计与光纤传感技术相结合而发展出来的种新型流量计，它有多种具体表现形式，如光纤涡轮流量计光纤腰轮流量计等等。光纤涡轮流量计采用在传统涡轮流量测量原理基础上，用多模光纤替代内磁式传感器来实现，如图所示。当被测流体流过涡轮叶片，推动叶片旋转万方数据中国计量学院硕士学位论文至顶端时，光将发生反射，在反射探头中产生周期性的反射光脉冲，经过放大整形形成周期性的电脉冲信号来测量流量。发射光纤探头流体叶轮图光纤涡轮流量计结构图与传统的涡轮流量传感器相比，光纤涡轮流量计在大流量区域，能克服信号饱和问题在小流量区域，不存在因叶片产生磁阻而引起误差的问题，具有线性重复性好抗电磁干扰等优点。陈伟民等设计了种组合式光纤腰轮流量计，利用现有的腰轮流量计结构，通过设计个光脉冲转换器，用光信号取代电信号，在码盘转动时不是让盘齿改变磁通量，而是改变光通量进行计数，替代了传统的电脉冲转换器与腰轮流量计配套使用的方法。其光脉冲转换器原理图如图所示。码盘发射光纤接收光纤图光纤腰轮流量计结构图由于它不需要对原有流量计作任何改动，即可正常工作且成本较低。将其安装于油库柴油发油管道上后，达到了的精度，且经受油管改建电源短路等多次冲击考验，表现优异。光纤涡街流量计王玉田等将传统涡街流量计与光纤传感技术相结合，利用光纤检测涡街频率，制成了种光纤涡街流量计，其结构图如图所示。当被测流体流经漩万方数据中国计量学院硕士学位论文涡发生体后，位于漩涡发生体后的光纤内的传输光强受到调节经光电转换电路输出微弱电信号，从而测算流量。激光器光电管传感光纤图光纤涡街流量计结构图该光纤式涡街流量测量系统采用光纤作为敏感元件来测量旋涡分离频率，具有较高的抗振动干扰和抗流场干扰的能力。实验结果表明，光纤式涡街流量测量系统仪表常数稳定，准确度较高，能够满足定的工业测量的要求。光纤差压式流量计光纤差压式流量计有许多种，光纤分别与锥文丘里管等流量计结合，形成了各种不同的光纤差压式流量计。光纤光栅内锥式流量计是将光纤光栅传感器与内锥差压式流量计相结合形成的种新型差压式流量计，其结构见图所示。当被测流体流经内锥锥体时，根据节流原理，流量信号被转换成差压信号，差压信号作用于膜片上使膜片发生变形，粘贴在其上的光纤布拉格光栅感受到形变，发生光栅中心谐振波长的漂移，经光电检测器测量后产生电信号，经换算后可测得流体的流量。流向布拉格光栅内锥图光纤光栅内锥式流量计结构图若内锥流量计的量程比为，则要求相应需配备的差压变送器量程比为万方数据中国计量学院硕士学位论文，目前国际上生产的差压变送器较难达到，而采用光纤光栅技术则可以较好的解决这矛盾，不需要差压变送器，而采用光纤光栅测量差压，因此具有良好的研究前景。陈建军等结合文丘里管设计了种光纤光栅差压式流量传感器，通过利用光纤光栅的压强传感机理，其结构原理图如图所示，采用将光纤光栅压力传感元件粘贴于文丘里管开口环直梁的侧面，保持轴向与直梁表面平行，通过测量开口环的应力变化导致的中心波长漂移测量流量。传感器文丘里管图基于文丘里管结构的流量计结构图这设计无任何可旋转部件，精度高，可实现远程动态监测。这结构灵敏度高简单，易于实现多点准分布式测量。但如果管道尺寸设计不合理，光纤光栅中心波长的偏移量因为过小而很难检测的到。靶式流量计是为解决高粘度低雷诺数流量测量而发展起来的流量计，许多科学家将光纤光栅的应变传感特性与其相结合，研制了新型光纤光栅靶式流量计其基本结构原理如图所示。这些新型靶式流量计多采用将光纤光栅安装在旋臂梁侧面，通过测量光栅感受的应力变化对应波长变化测量流体流速。悬臂梁靶盘图基于光纤光栅的靶式流量传感器这结构可对的流速进行测量，克服了光纤光栅温度应变交叉敏感问题，能够实现温度流量的同时区分测量。南开大学的钟诚等利用压强传感机构研制了种基于锥形分速装置的光纤布拉格光栅流速传感器。其结构原理如图所示，利用的应变传万方数据硕士学位论文基于镀膜光纤布拉格光栅的热式气体流量计研究作者朱文君导师程佳副研究员谢代梁教授学科测试计量技术及仪器中国计量学院二〇四年三月万方数据，万方数据中图分类号学校代码密级公开硕士学位论文基于镀膜光纤布拉格光栅的热式气体流量计研究作者朱文君导师程佳谢代梁申请学位工学硕士培养单位中国计量学院学科专业测试计量技术及仪器研究方向流量测量与控制二〇四年三月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国计量学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名签字日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国计量学院有关保留使用学位论文的规定。特授权中国计量学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名导师签名签字日期年月日签字日期年月日万方数据致谢不知不觉充实忙碌中我即将走过我两年半的研究生生涯，这短短两年半在我整个年的人生中，显得这么弥足珍贵却又闪闪发亮。我想要感谢的人太多。梁国伟教授是我的第位导师，他为人谦和知识渊博，从复试结束指引研究方向布置具体的研究任务鼓励申报新苗计划到手把手的教导我哪怕是最基本的流量计原理，永远都是不厌其烦如涓涓细流，我收获了太多。程佳博士是我的现任导师，他是个超级有魅力的人，温润如风却总能在微言细语中给人无限动力和压力，或许就是这种矛盾推动我直尽力追赶，拼命往前。科研上，他给予了我