Волоконно-оптические датчики. Измерение скорости потока

Дистанционные лазерные доплеровские измерители скорости с использованием оптических волокон реализованы и предлагаются на рынке ком панией TSI, Inc.

Поскольку метод лазерного доплеровского измерения скорости давно известен и хорошо обоснован, в настоящее время следует особенно обратить внимание на конструкцию удаленного оптического зонда, предназначенного для введения в движущийся поток. Излучение подводится к этому зонду по оптическим волокнам, и он фокусирует два световых пучка внутри текущего вещества. Картина интерференционных полос в области перекрытия световых пучков определяет объем выборки (рис. 13.13). Также по волокнам в электронный блок обработки возвращается излучение, рассеянное частицами, которые проходят через картину интерференции, созданную формирующими объем измерения пучками. Скорость частиц определяется на основании частотного спектра модуляции по графику зависимости интенсивности излучения от времени (рис. 13.13). Поскольку скорость потока связана с изменениями интенсивности во времени, а не с количеством рассеянного излучения, выходной сигнал такого датчика нечувствителен к загрязнению оптической поверхности. В промышленных условиях были продемонстрированы измерения скорости потоков вплоть до 100 м/с при точности 0,5% [21]. Этот метод применим для проведения измерений в жидкостях или газах, таких как пар.

Рис. 13.13. Зонд лазерного доплеровского измерителя скорости, в котором оптические волокна используются для доставки и сбора излучения

Было продемонстрировано измерение скорости потока, основанное на явлении периодического вихреобразования. При этом волокна были проложены внутри труб [22]. Однако долгосрочная надежность методов, требующих прокладки оптических волокон в трубах с рабочими жидкостями, до сих пор не продемонстрирована.

Чтобы избежать возможных проблем с надежностью, производители в большей степени разрабатывают измерители скорости потока, волоконно-оптический чувствительный элемент которых расположен за пределами стенок функционирующего трубопровода [23]. Один из таких измерителей скорости производится и предлагается на рынке компанией Bailey Controls. Измеритель скорости выполняет измерения объемной скорости потока жидкости при температуре вещества вплоть до 325 °С. Соединенный встык волоконно-оптический чувствительный элемент преобразует периодические механические движения, вызванные вихреобразованием, в модулированный световой сигнал, который в свою очередь регистрируется и преобразуется фотодиодами в модулированный электрический сигнал.

Рис. 13.14. Схематическое представление расходомера на основе вихреобразова- ния, выпускаемого компанией Bailey Controls. Волоконно-оптический чувствительный элемент механически присоединен к вибрирующему стержню

При разработке учтены механические свойства жидкости; в поток помещено препятствие, позади которого возникает периодическая турбулентность (см. рис. 13.14). Частота возникновения обусловленных препятствием турбулентных вихрей пропорциональна скорости потока. Примером подобного явления может служить флаг, развевающийся на ветру; количество волн на поверхности флага пропорционально скорости ветра. В измерителе скорости потока Bailey используются тонкое металлическое препятствие, проходящее по диаметру технологической трубы, и отдельный металлический стержень позади препятствия, который смещается с частотой образования вихрей. Смещения этого подвижного стержня передаются волоконно-оптическому чувствительному элементу, находящемуся за пределами трубы, через мембрану в стенке трубы (не показана). Мембрана служит как перемычкой, так и точкой крепления для подвижного стержня. На рис. 13.14 показано, что входное оптическое волокно механически присоединено к подвижному стержню. Второе, выходное оптическое волокно неподвижно зафиксировано. Частота обусловленных перемещениями колебаний входного волокна пропорционально скорости

потока, и излучение, проходящее между двумя волокнами, в свою очередь модулируется по интенсивности с частотой вихреобразования. На выходе модулированный оптический сигнал при помощи фотодетектора преобразуется в модулированный электрический сигнал.