王
鹏，梁
芳
（新疆维吾尔自治区计量测试研究院，新疆乌鲁木齐830011）
摘要：介绍了皂膜流量标准装置的结构、工作原理以及光纤传感器的性能、触发计时的应用。光纤传感器在皂膜流量标准装置中的应用有效提高了检定、校准精度，但同时也存在皂膜管体积标定及光纤探头的定位等问题。本文为今后皂膜流量标准装置的发展提供参考，为光纤传感器的相关应用提供技术支持。关键词：光纤传感器；皂膜流量标准；触发计时；存在问题
作者简介：王
鹏（1984—），男，工程师，硕士；
收稿日期：2014-11-04
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相
互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，称为被调制的信号光，再利用被测量物体对光的传输特性施加的影响，完成测量。与传统的各类传感器相比，因其电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、非侵入性、高灵敏度、响应快、耐腐蚀、防爆、光路有可挠曲性等优势，被广泛应用于航天、航海（声纳等）、石油开采、电力传输、核工业、医疗、环保、科学研究等众多领域。
根据工作原理的不同，光纤传感器可分为传光型和传感型两种类型，本文将光纤传感器应用于皂膜流量标准装置，主要涉及到传光型，也称为非功能型光纤传感器，由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路组成测量系统，其中光纤仅作为光的传播媒质。
1皂膜流量标准装置
皂膜流量标准主要进行以皂膜流量计为主以及相应量程的转子流量计、大气采样器、粉尘采样器、微生物采样器、烟气/烟尘采样器、气相谱等仪器仪表的流量校准、标定。1.1
国网技术学院
装置的结构组成
该装置的结构如图1所示，主要由5个不同量
程的标准皂膜管组成，从大到小依次为：（0 4000）mL 、（0 1000）mL 、（0 400）mL 、（0 100）
mL 、（0 25）mL ，分别通过皂膜管支座固定在支架上；每个皂膜管由进气口、出气口及胶球
组成。进气口与试验气源连接，其中气源可选择由氮气瓶、钟罩（U =0.5%，k =2）、活塞（U =0.05%，k =2）提供，以满足检测需求。皂膜管的数据采集装置主要由光纤、光纤探头、支座、光纤放大器组成（如图2所示），此外还有流速调节装置、气路连接装置、温度变送器（还有压力、相对湿度变送器）以及PC 机等
。
图1
皂膜流量标准装置结构图
图2
光纤传感器原理图
1.2
装置的工作原理
使用皂膜流量标准装置进行检测作业时，根
据被检对象量程选择皂膜管；然后给皂膜管通气，
手动捏皂膜管下端胶球，使得胶球内的皂液上升，上升到皂膜管下端进气口时，在气体流动的推动
·
02·
下，皂液会在皂膜玻璃管内壁形成一层薄膜（即皂膜）；皂膜随着气流沿皂膜管内壁逐渐上升，先后经过下刻度线和上刻度线，上升到皂膜玻璃管上部时破裂。由于内壁光滑、内径尺寸均匀，可认为两个刻度线之间的容积是确定的，由光纤传感器计算皂膜在两个刻度线之间移动的时间，由此可以计算出气体的体积流量。此精度大大优于通常用眼和手掐秒表间接判断。
2光纤传感器的应用
该装置使用的光纤传感器是基恩士FS-N系列数字光纤传感器，能够实现快速触发计时，其性能可实现250倍的光亮度、检测直径 0.6μm，具有很强的耐光性，30000lux；另外还可防止光饱和、进行功率切换、减少光的亮度变化以及自动维护等功能。
哈尔滨体育学院学报2.1光纤传感器触发计时原理
光纤传感器应用于皂膜流量标准装置主要实现触发计时的功能，该功能的实现主要由皂膜管上下刻度限处的光纤传感器、光纤放大器、电缆线及光纤开关模块等组成。
在皂膜管上下刻度限处分别安装完全一样的光纤传感器，每套光纤传感器由发送和接收探头组成，光纤探头分别与上下限位光纤放大器相连，经光纤电缆与光纤开关模块相连。测量过程中，如果没有产生皂膜，下、上限位光纤传感器接收端的信号不会产生变化，待气体流速稳定后，挤压胶球，皂液会在皂膜玻璃管内壁形成一层薄膜（即皂膜），占据整个皂膜管的横截面。皂膜将随气体一起，以与气体完全相同的速度流动。当皂膜流经下限位光纤传感器时，它将挡住光纤探头发送端射出的光，光纤探头接收端接收不到光信号，皂膜继续向上运动。离开下限位光纤传感器后，该传感器的信号将恢复正常，此时光纤开关模块触发开始计时；而当皂膜到达上限位光纤传感器后，光纤开关模块将触发停止计时。由此可知皂膜在上下刻度限之间运动的时间为ΔT（如图3所示），ΔT也可以由经过脉冲信号进行换算得到。
流量计算公式为
Q=KV/ΔT
式中：Q为气体的体积流量；V为玻璃管A点和B 点之间的容积，它等于玻璃管额定横截面乘上A 点和B点的间距；ΔT为皂膜运动的时间；K
为校
图3触发计时方式
正系数，它是为适应不同气体种类和情况而设置的常数，通常通过标定来确定。
因为测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，其灵敏度高，响应快，并与电脑数据处理技术相结合，自动测量、计算测试数据，不需看膜手动计时，测量精度高，节省换算时间，减少人工及人为误差。
2.2防止光饱和，进行功率切换
由于皂膜管量程不同，会造成光纤通道距离（即管径）的改变，导致光饱和（强光可能会导致对比度下降）、功率不够的现象。此时，只需按“MODE”+“SET”按钮自动将NEO调整到合适的光亮度。另外，该装置采用大功率光纤放大器，通过切换MEGA功率，如图4所示，即可在标准功率和大功率间轻松切换。极大的过量增益，不仅减少维护频率，还扩大了光纤探头的选择范围，从而减少人工时间
磺胺二甲嘧啶钠。
图4功率切换适应光纤通道距离的调整
2.3减少光的亮度变化
增强聚光的射束会导致光束的焦点容易受到发光设备中细微的定位错误的影响。经改进，在光源周围
使用反射板，如图5所示，从而解决了定位问题。反射板减少了光亮度变化，圆形反射板将任何杂散光反射回光纤，从而帮助弥补光定位错误
。
图5减少光亮度变化的改进措施
2.4自动维护
在皂膜管检定过程中，由于每次起膜的过程中会存在皂膜液挂壁现象，影响到光纤亮度下降，
·
12大地欢歌2009
·www.13qk
影响通信质量。自动维护功能可察觉光亮度因污垢或其他原因下降，并将传感器复原到最初的显示状态。该功能可消除周围环境的影响，使传感器能够持续进行高精度检测。
3装置存在问题
3.1污垢清除
每次检测任务完成后，由于起膜的过程中会存在皂膜液挂壁、皂膜破裂后回流现象；又因皂膜管本身的特殊设计，不能够及时清理干净，导致管壁污垢长时间得不到有效清除，越积越多，最终导致超过传感器自身调节（自动维护、切换功率等）能力，使传感器失效。
3.2液膜厚度修正
每次开始检测前，先进行皂液润湿管壁工作，防止在检测过程中皂膜易破。但由于皂膜液没有一个定量的配比关系，皂液黏度、浓度不同，导致附着在皂膜管内壁的皂液量不同，会引起实际皂膜管内径偏小，即相对示值误差偏小。
3.3皂膜厚度
皂膜在上升的过程中，皂膜厚度是变化的，先是变薄再变厚（挂壁、皂膜破裂后皂液回流造成）。此外皂膜在上升的过程并不是匀速的，假设大气压力、皂膜管内压力不变，由于皂膜厚度变化（重量变化），将会产生不同的加速度。
3.4皂膜管体积标定
每次在进行质量法体积标定时，需要多人配合，注水、排水、称重等繁重复杂操作，工作效率低下，影响其他工作的正常开展。而且在标定时，需要人工进行读数辨别等，引入人为误差，影响量值传递的准确性。
3.5皂膜液回流
皂膜液在到达上端时，会破裂回流，附着在管壁，导致实际内径变小。在皂膜上升的过程中，回流皂液随皂膜一起向上运动，增大了皂膜的厚度及质量，随后又破裂、回流，循环往复，给检测带来偏差。
3.6光纤探头的定位
光纤传感器应用于该装置，光纤探头的定位决定了光信号传递的准确可靠及响应时间的快慢。在进行安装时，配对光纤探头的发射端与接收端需在一条直线上，线性度要求极高，但由于光纤探头太细，需要工作人员集中注意力耗费很长时间安装完毕；一旦光纤探头移位，需要拆卸光纤探头支座重新安装，费时费力。
4结论
基恩士FS-N系列数字光纤传感器，能够实现快速触发计时，还可防止光饱和、进行功率切换、减少光的亮度变化以及自动维护等功能。有效提高了检定、校准精度，但同时也要考虑以下问题。
（1）需要对皂膜管的结构进行改进设计，能够方便进行污垢清除，使得皂膜破裂不会回流。
（2）定量地研究皂膜液的配比问题，考虑到水温、洗涤剂浓度等的影响。
（3）考虑皂膜厚度及运动速度对测量结果的影响等。
（4）皂膜管体积的自动化标定及光纤探头的定位问题也亟待解决，以便更好地为量值传递与溯源服务。克疣淋
·
22
·
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议