雙圈同軸式光纖渦輪流量計(jì)的智能化設(shè)計(jì)

摘要：為了克服現(xiàn)有電磁式渦輪流量計(jì)的量程小,易受電磁干擾的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種雙圈同軸式光纖的渦輪流量智能檢測(cè)系統(tǒng);該測(cè)試系統(tǒng)由三大模塊組成,雙圈同軸式的光纖傳感器作為信號(hào)拾取工具,硬件電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,TMS320F2812DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)一步軟件處理;經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該測(cè)試系統(tǒng)在5~300Hz的測(cè)量范圍內(nèi),測(cè)量誤差小于0.5%;因此,該測(cè)試系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和可靠性,這為光纖渦輪流量計(jì)的樣機(jī)制作提供了重要依據(jù)。

0、引言：電磁式渦輪流量計(jì)在流體計(jì)量中應(yīng)用十分廣泛，但由于它量程小，對(duì)于流量范圍變化大的場(chǎng)合，就需要幾個(gè)不同口徑的流量計(jì)進(jìn)行切換配合測(cè)量。近年來，光纖傳感器以其靈敏度高，體積小，抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量技術(shù)中。使用光纖檢測(cè)渦輪轉(zhuǎn)速的方法不存在電磁式渦輪流量計(jì)的電磁阻力矩對(duì)渦輪的影響，從而可以擴(kuò)展流量測(cè)量范圍。這方面有一些研究但均未深人探析并將其應(yīng)用于工程實(shí)際中。較有代表性的文獻(xiàn)[1一2]，文中均采用Y型光纖探頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)信號(hào)，但這種結(jié)構(gòu)易受其他光波和光強(qiáng)等因素的影響;另外文獻(xiàn)[2」中的光纖流量測(cè)試系統(tǒng)，選用單片機(jī)作為信號(hào)處理器，其運(yùn)算速度和精度都難以達(dá)到對(duì)流量快速準(zhǔn)確檢測(cè)的要求。因此，本文就光纖渦輪流量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，針對(duì)各個(gè)模塊分析了其技術(shù)參數(shù)。光纖傳感器探頭結(jié)構(gòu)采用雙圈同軸的型式，流量測(cè)量信號(hào)處理系統(tǒng)以DSP為核心，對(duì)硬件和軟件各模塊逐一分析設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性，為光纖渦輪流量計(jì)的樣機(jī)制作提供了一種重要依據(jù)。

1、光纖渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)：
光纖渦輪流量傳感器的簡要結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙圈同軸光纖探頭使用多模玻璃光纖，由一組發(fā)射光纖和兩組接收光纖組成，檢測(cè)端固定在一個(gè)鋁合金護(hù)套內(nèi)可替代電磁式傳感器安裝在渦輪流量計(jì)上。其工作原理為:發(fā)射光纖將光人射到葉片端面上，液體在帶動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)過程中，激光照射在渦輪表面的不同位置，而不同位置所對(duì)應(yīng)與探頭之間的距離不同。顯然，對(duì)于圖1的安裝結(jié)構(gòu)，葉片頂端與探頭的距離***小，則激光反射到雙圈同軸光纖探頭的接收光纖的光強(qiáng)也較其他位置強(qiáng)。那么，在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，葉片頂端會(huì)對(duì)光纖發(fā)射的激光產(chǎn)生周期性的反射，接收光纖接收到反射的光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路后放大濾波產(chǎn)生電脈沖信號(hào)。其頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比，研究表明，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與液體流速成正比例關(guān)系，可以通過測(cè)量渦輪的轉(zhuǎn)速來反映經(jīng)過管道的體積流量大小。信號(hào)經(jīng)過進(jìn)一步處理，結(jié)合液體的密度就可以得到被測(cè)液體的質(zhì)量流量。

2、雙圈同軸式光纖傳感器：

本文所采用的雙圈同軸式光纖傳感器是強(qiáng)度調(diào)制型反射式光纖。反射式光強(qiáng)調(diào)制傳感器是由光源、人射光纖、接收光纖上．４以及探測(cè)器組成具體結(jié)構(gòu)是在同軸式光纖（中心為人射光纖，接收光纖同軸排列的基礎(chǔ)上同軸增加一圈用于補(bǔ)償?shù)慕邮展饫w。雙圈同軸式光纖傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖２所示。１９根光纖，中間１根光纖為人射光纖，內(nèi)圈為６根光纖作為＇組接收光纖，外圈有１２根光纖作為組接收光纖。由于使用多模光纖其接收到的***大光強(qiáng)要比采用單模光纖高一數(shù)量級(jí)左右［４］，為了提高測(cè)量的信噪比，本系統(tǒng)采用多模光纖的光纖傳感器。采用這種光纖束結(jié)構(gòu)的益處是它利用比值法消圖４同軸式光除了光源功率波動(dòng)等敏感因素對(duì)測(cè)量的影響［５］，從而能夠?qū)崿F(xiàn)３基于ＤＳｐ的智能光纖流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)傳感器的高精度測(cè)量。