伴隨著科學技術不斷進步，工業(yè)發(fā)展對流體流量計量測試提出了越來越高的要求。特別是在注重節(jié)能、提高全社會經濟運行質量的今天，流體流量測量的重要性愈顯突出，作為測量對象的各種流體介質，如水、蒸汽、熱水熱量、煤氣、天然氣、石油及其衍生制品等均是全社會的重要能源，而針對這項重要的工控參量的計量測試的研究及實施方案有許多種，最重要的就是測量用流量計測試數(shù)據(jù)準確、并具備符合工控現(xiàn)場對設備安全性能的相關要求^[62]。

1.1.1        光纖光柵渦街流量計

渦街流量計因其具有結構簡單牢固、適用流體種類多、精度較高、線性測量范圍寬30∶1、壓力損失小等優(yōu)點而發(fā)展最為迅速。目前已成為通用的一類流量計。傳統(tǒng)的渦街流量傳感器大多采用電參數(shù)測量方式，然后進行非電量轉換處理的，在很多工業(yè)現(xiàn)場必須針對其供電回路及其信號輸出回路進行防爆及防止電火花產生，從而增加了成本和復雜程度，安全性和可靠性也面臨挑戰(zhàn)^[63]。

李宏民等人^[64]提出了一種基于光纖光柵技術的渦街流量傳感器，該傳感器是以光纖光柵作為一次檢測元件(探頭)的流體振蕩型流量測量傳感器。由于采用光纖光柵作為傳感元件，因此不僅具備天然的電絕緣性、抗電磁干擾等本質安全特性，而且具有抗腐蝕和體積小等優(yōu)點。理論分析和試驗表明這種制式的流量傳感器具有量程比寬、檢測精度高、線性度好、介質適應性強和易于實現(xiàn)網絡化實時準分布檢測等特點，因而適用于石油、化工、冶金、核電廠等爆炸性高危險場合的各種液體、氣體的流量檢測。

1.      渦街流量傳感器測量原理

渦街流量傳感器利用的是流體力學中著名的“卡門渦街”原理^[65]。在流動的流體中放置一根其軸線與流向垂直的非流線型柱體，如圖4.88所示，當流體沿漩渦發(fā)生體繞行流過時，會在漩渦發(fā)生體下游產生如圖4.88所示的兩列不對稱但有規(guī)律的交替漩渦列，這就是所謂的“卡門渦街”。渦街流量傳感器主要由兩個部分組成：漩渦發(fā)生體和探測器(探頭)。

被測流體經過漩渦發(fā)生體時，當流速超過一定閾值（一般稱之為流量下限）時，漩渦發(fā)生體的下游會產生兩列旋轉方向相反的并排漩渦。漩渦的產生頻率與流速成正比

其中f為漩渦頻率(Hz)；v為流體平均速度(m/s)；d為漩渦發(fā)生體迎流面特征寬度(m)；S_t為斯特羅哈數(shù)。根據(jù)雷諾數(shù)和漩渦發(fā)生體形狀的不同，S_t數(shù)值及雷諾數(shù)R_e由漩渦發(fā)生體和管道直徑確定，其值均為常數(shù)。因此通過探測器檢測渦流頻率，即可求出流體平均速度。

圖4.89是光纖光柵渦街流量探測器的示意圖。通過將傳感光纖光柵置于漩渦發(fā)生體后，并與管道形成一個懸臂梁結構來測量漩渦發(fā)生頻率。漩渦在行進的過程中，會在漩渦發(fā)生體的下游產生一個垂直于管道軸線方向的升力，由于漩渦在漩渦發(fā)生體兩側交替產生，而且旋轉方向相反，故作用于漩渦發(fā)生體上的升力也是交替變化的。從而為懸臂梁提供使其產生振動的策動力，因此懸臂梁就發(fā)生了垂直于軸線方向對稱的受迫振動。當懸臂梁的固有頻率遠遠高于被測漩渦頻率時，交替作用在漩渦發(fā)生體上的升力的變化頻率等于漩渦的頻率，而升力變化頻率又與流體的振動頻率相同，所以可以通過檢測懸臂梁的振動頻率來探測漩渦的頻率，進而由式(4.71)得到流體的流量。

根據(jù)振動力學，對于均質、等橫截面、各向同性且服從Hooke定律的矩形直梁，其受迫振動微分方程為：

如圖4.90所示，渦街流量傳感器感測到的光信號通過PIN光電探測器接受，并轉換成電信號，經過帶通濾波器將溫度變化引起的超低頻波動信號濾除，從而使光纖光柵對溫度的交叉敏感問題得以消除。

       如圖4.91所示為光纖光柵渦街流量傳感器測試原理框圖，寬帶光源發(fā)出的光經3dB耦合器進入光纖光柵流量傳感器，返回的信號光與高雙折射光纖環(huán)鏡發(fā)生卷積作用^[67]，經過PIN光電二極管轉換為電信號并濾波放大后，由計算機通過AD采集卡(DAQ2010)采集進入計算機進行信號處理與顯示。測試中，將光纖光柵流量傳感器安裝于動態(tài)容積法液體流量標準裝置中，根據(jù)流量傳感器的流量范圍，選擇了6個流量點。如圖5所示為系統(tǒng)的測試結果圖，橫軸為液體流量標準裝置所示流量，縱軸為采集到的信號脈沖數(shù)頻率。由圖可以看出，擬合曲線為Q_v=93.226×f+149.688，線性度誤差0.42%，故該流量傳感器具有很好的線性度，測量精度達到±0.59%F.S.。

  本節(jié)所介紹的光纖光柵流量傳感器是將光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)的渦街流量測量原理相結合，使流量傳感器采用FBG光纖光柵傳感器檢測漩渦頻率。同時，通過信號處理的方法，使得該FBG傳感器克服了傳統(tǒng)FBG傳感器對溫度交叉敏感的問題。由于該傳感系統(tǒng)具有本征安全、耐腐蝕體積小和溫度不敏感等優(yōu)點，因此適用于各種管道的流量監(jiān)測。但該系統(tǒng)還存在不足，如作為波長解調器件的高雙折射環(huán)鏡，容易受溫度等環(huán)境因素的影響，從而使得監(jiān)測結果受環(huán)境影響，但通過目前已有的各種補償措施可以大大降低它的干擾，而FBG傳感系統(tǒng)獨特的性能也必將極大地推動渦街流量傳感器開拓應用。