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双圈同轴式光纤涡轮流量计的智能化设计


文章日期:2017-11-06|阅读数:


摘要:为了克服现有电磁式涡轮流量计的量程小,易受电磁干扰的缺点,设计了一种双圈同轴式光纤的涡轮流量智能检测系统;该测试系统由三大模块组成,双圈同轴式的光纤传感器作为信号拾取工具,硬件电路对信号进行预处理,TMS320F2812DSP对信号进一步软件处理;经过实验验证,该测试系统在5~300Hz的测量范围内,测量误差小于0.5%;因此,该测试系统具有较高的测量精度和可靠性,这为光纤涡轮流量计的样机制作提供了重要依据。 

0、引言:电磁式涡轮流量计在流体计量中应用十分广泛,但由于它量程小,对于流量范围变化大的场合,就需要几个不同口径的流量计进行切换配合测量。近年来,光纤传感器以其灵敏度高,体积小,抗电磁干扰等优点被广泛应用于各种测量技术中。使用光纤检测涡轮转速的方法不存在电磁式涡轮流量计的电磁阻力矩对涡轮的影响,从而可以扩展流量测量范围。这方面有一些研究但均未深人探析并将其应用于工程实际中。较有代表性的文献[1一2],文中均采用Y型光纤探头结构检测信号,但这种结构易受其他光波和光强等因素的影响;另外文献[2」中的光纤流量测试系统,选用单片机作为信号处理器,其运算速度和精度都难以达到对流量快速准确检测的要求。  因此,本文就光纤涡轮流量检测系统进行了详细的设计,针对各个模块分析了其技术参数。光纤传感器探头结构采用双圈同轴的型式,流量测量信号处理系统以DSP为核心,对硬件和软件各模块逐一分析设计,并通过实验验证了该系统的可靠性,为光纤涡轮流量计的样机制作提供了一种重要依据。

1、光纤涡轮流量传感器的结构:
 光纤涡轮流量传感器的简要结构如图1所示。双圈同轴光纤探头使用多模玻璃光纤,由一组发射光纤和两组接收光纤组成,检测端固定在一个铝合金护套内可替代电磁式传感器安装在涡轮流量计上。其工作原理为:发射光纤将光人射到叶片端面上,液体在带动涡轮叶片旋转过程中,激光照射在涡轮表面的不同位置,而不同位置所对应与探头之间的距离不同。显然,对于图1的安装结构,叶片顶端与探头的距离***小,则激光反射到双圈同轴光纤探头的接收光纤的光强也较其他位置强。那么,在叶片转动过程中,叶片顶端会对光纤发射的激光产生周期性的反射,接收光纤接收到反射的光强信号,经光电转换电路后放大滤波产生电脉冲信号。其频率与涡轮的转速成正比,研究表明,涡轮的旋转角速度与液体流速成正比例关系,可以通过测量涡轮的转速来反映经过管道的体积流量大小。信号经过进一步处理,结合液体的密度就可以得到被测液体的质量流量。

2、双圈同轴式光纤传感器:
本文所采用的双圈同轴式光纤传感器是强度调制型反射式光纤。反射式光强调制传感器是由光源、人射光纤、接收光纤上.4以及探测器组成具体结构是在同轴式光纤(中心为人射光纤,接收光纤同轴排列的基础上同轴增加一圈用于补偿的接收光纤。双圈同轴式光纤传感器的整体结构如图2所示。19根光纤,中间1根光纤为人射光纤,内圈为6根光纤作为'组接收光纤,外圈有12根光纤作为组接收光纤。由于使用多模光纤其接收到的***大光强要比采用单模光纤高一数量级左右[4],为了提高测量的信噪比,本系统采用多模光纤的光纤传感器。采用这种光纤束结构的益处是它利用比值法消图4同轴式光除了光源功率波动等敏感因素对测量的影响[5],从而能够实现3基于DSp的智能光纤流量计信号处理系统传感器的高精度测量。
图 2光 纤 探 头 光 纤束 排 列 方式


图 2光 纤 探 头 光 纤束 排 列 方式 
双圈同轴式光纤涡轮流量计的智能化设计
图4双圈同轴光纤传感器的输出特性曲

图4双圈同轴光纤传感器的输出特性曲

双圈同轴式光纤涡轮流量计的智能化设计

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