一種膏體輸送管道的流量計(jì)量裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】一種膏體輸送管道的流量計(jì)量裝置及方法，設(shè)計(jì)了一套采用光纖光柵為檢測(cè)元件的光纖多普勒傳感系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)包括光源選擇、光電探測(cè)器設(shè)計(jì)、解調(diào)裝置、信號(hào)分離濾波電路、電壓放大電路、信號(hào)處理電路。光纖多普勒流量傳感器利用了固體顆粒對(duì)光的散射作用和光學(xué)多普勒效應(yīng)，光纖作為光的傳輸介質(zhì)，管道膏體對(duì)介質(zhì)內(nèi)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)器將調(diào)制光信號(hào)轉(zhuǎn)為電參量，再經(jīng)過(guò)電壓電路放大電路、低頻濾波電路，最終對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，通過(guò)處理系統(tǒng)的調(diào)解得到被測(cè)量的流量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)充填管道內(nèi)的膏體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種膏體輸送管道的流量計(jì)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于煤炭矸石充填輸送管道的流量計(jì)量裝置，尤其涉及一種膏體輸送管道 的流量計(jì)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前充填管道的流量計(jì)量的方法主要是放射性元素檢測(cè)的方法。此方法由于具有 放射性，存在對(duì)地下充填環(huán)境以及工作人員的身體健康的威脅，在大范圍推廣具有局限性。 其他流量檢測(cè)方法處于試驗(yàn)研究階段尚不成熟，需要一種可行的、價(jià)格低廉、能大范圍應(yīng)用 于充填系統(tǒng)的流量檢測(cè)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 現(xiàn)有的充填管道流量的計(jì)量裝置對(duì)安裝環(huán)境要求較高，一般的測(cè)量裝置對(duì)安裝要 求比較苛刻，使得輸送管道流量計(jì)量精度無(wú)法得到保證；同時(shí)他們?cè)谑褂弥写嬖诰窒扌院?不通用性。
[0004] 本裝置運(yùn)用輸送管道的流量對(duì)光的多普效應(yīng)，根據(jù)光在光纖中傳播時(shí)的多普勒頻 移差，對(duì)管道的流量進(jìn)行計(jì)量。本方法具有測(cè)量精度高、誤差小的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)矸石膏體 輸送管道的流量計(jì)量。
[0005] 根據(jù)光學(xué)多普勒頻移原理。當(dāng)相對(duì)膏體靜止的光源發(fā)出的入射光射入流動(dòng)的膏體 時(shí)，光在傳播過(guò)程中會(huì)與固體顆粒相遇，因?yàn)楣庠春蜕⑸淞Ｗ又g存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，粒子接收 到的光將發(fā)生第一次頻移；與此同時(shí)，每個(gè)膏體都將成為散射中心，光會(huì)被膏體粒子散射， 探測(cè)器相對(duì)與膏體管靜止，接收到的散射光發(fā)生第二次頻移。
[0006] 相對(duì)于光源運(yùn)動(dòng)的膏體粒子接收到的光波頻率心為：
[0008] 式中
[0009] fo--光源入射光的頻率；
[00?0] V--膏體的流動(dòng)速度；
[0011] η--膏體的折射率；
[0012] θχ一一入射光和運(yùn)動(dòng)方向的夾角；
[0013] c--真空中光速
[0014]當(dāng)散射粒子將成為光源，探測(cè)器相對(duì)膏體管靜止，其接收到的散射光將發(fā)生第二 次頻移，頻率fV變化為
[0016]式中，θ2-一出射光和運(yùn)動(dòng)方向的夾角；
[0017]由于物體運(yùn)動(dòng)速度v< < c，對(duì)上面展開(kāi)式取一級(jí)近似，即：
[0020]所以，流速為v的膏體所產(chǎn)生的多普勒頻移△ f為： 忽略高次項(xiàng)，得： 9
[0022] 式中λ〇為入射波長(zhǎng)。
[0023]變形得膏體的流速V:
[0025] 則流量Q為：
[0027] 即為多普勒光纖流量傳感器的流量公式，其中D為管道直徑。通過(guò)測(cè)量頻移Af，即 可得到流量大小。
[0028] -種膏體輸送管道的流量計(jì)量裝置主要由激光器、光纖、耦合器、發(fā)射探頭、接收 探頭、光電檢測(cè)電路、電壓放大電路、低頻濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和頻譜分析單元組成;激光 器連接耦合器1輸入端，耦合器1的兩個(gè)輸出端分別與發(fā)射探頭及耦合器2輸入端連接，耦合 器2的兩個(gè)輸出端分別連接接收探頭及光電檢測(cè)電路，光電檢測(cè)電路后依次連接有電壓放 大電路、低頻濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和頻譜分析單元。
[0029] 光纖橫向穿過(guò)管道并且其輸入端連接發(fā)射探頭。
[0030] 光纖采用透光率多80 %的石英光纖;光纖光柵的尾部安裝增加張力的裝置，該增 加張力的裝置為平衡物塊。
[0031 ]激光器為半導(dǎo)體激光器，其具有自動(dòng)功率控制電路和自動(dòng)溫度控制電路。
[0032]電壓放大電路為差分電壓放大電路；電路采用直流± 2.5V雙電源供電。
[0033]傳感器的主要的工作原理為激光器發(fā)出激光分為兩路，其中一路通過(guò)發(fā)射探頭經(jīng) 管道內(nèi)光纖被接收探頭接收，接收到的為載有膏體流量信息的光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探 測(cè)器PIN將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電流;微弱的光電流經(jīng)光電檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化為電壓，并經(jīng)電壓放大 電路將其放大;將前一級(jí)的電壓放大到伏級(jí);通過(guò)低頻濾波電路過(guò)濾掉電路中存在的高頻 干擾信號(hào)和噪聲;信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；最后通過(guò)頻譜分析單元對(duì)信號(hào)進(jìn) 行處理，得到頻率信息，最后計(jì)算出充填管道流量。
[0034]本裝置具有很好的通用性，可適用于所有的煤礦充填輸送管道的流量計(jì)量，具有 能夠?qū)α髁繉?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精度高、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。將本裝置應(yīng)用于充填管道能對(duì)充填流量進(jìn) 行精確計(jì)量。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1多普勒效應(yīng)流量測(cè)量示意圖
[0036]圖2多普勒光纖流量傳感器光路圖 [0037]圖3多普勒光纖流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖 [0038]圖4光電檢測(cè)單元電路圖 [0039]圖5光纖增加張力裝置示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0040] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用充填采煤的方法能夠?qū)Ψe壓于"三上一下"的煤炭進(jìn)行 開(kāi)采。對(duì)充填量的精確計(jì)量是一個(gè)難題，通過(guò)理論研究與實(shí)踐相結(jié)合的方法，我們?cè)O(shè)計(jì)出運(yùn) 用多普勒原理，對(duì)充填流量進(jìn)行高精度計(jì)量的裝置。
[0041] 為了使本領(lǐng)域人員更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體附圖和具體實(shí)施 例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)指出，本部分中的對(duì)處理電路的描述及描述順序僅 是對(duì)具體實(shí)施的說(shuō)明，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍有任何限制使用。
[0042]如圖2所示A耦合器1，D耦合器2，E耦合器3，B發(fā)射探頭，C接收探頭。
[0043] 如圖3所示，多普勒光纖流量計(jì)的組成部分，主要有激光器，耦合器1、耦合器2、發(fā) 射探頭、接收探頭、光電檢測(cè)電路、電壓放大電路、低頻濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和頻譜分析單 元組成。
[0044] 如圖4所示，1光電檢測(cè)電路，2差動(dòng)放大電路，3濾波電路。
[0045] 傳感器的主要的工作原理為激光器發(fā)出激光分為兩路，其中一路通過(guò)發(fā)射探頭經(jīng) 管道內(nèi)光纖被接收探頭接收，接收到的為載有膏體流量信息的光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探 測(cè)器PIN將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電流;微弱的光電流經(jīng)光電檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化為電壓，并經(jīng)電壓放大 電路將其放大;將前一級(jí)的電壓放大到伏級(jí);通過(guò)低頻濾波電路過(guò)濾掉電路中存在的高頻 干擾信號(hào)和噪聲;信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；最后通過(guò)頻譜分析單元對(duì)信號(hào)進(jìn) 行處理，得到頻率信息，最后計(jì)算出充填管道流量。
[0046] 光纖橫向穿過(guò)管道并在其輸入端加連續(xù)光源，在沒(méi)有流體作用時(shí)，敏感元件輸出 端光強(qiáng)不變。當(dāng)有流體通過(guò)光纖時(shí)，對(duì)光纖光柵產(chǎn)生作用力，使光纖光柵形變產(chǎn)生中心反射 波長(zhǎng)的漂移，導(dǎo)致輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。光纖光柵流量計(jì)檢測(cè)到輸出光強(qiáng)度的變化，可得光纖 光柵中心反射波長(zhǎng)的漂移量，進(jìn)而得到其流量值。由于噪聲與諧振影響，需要在光柵的尾部 安裝增加張力的裝置。
[0047] 激光器為半導(dǎo)體激光器，其具有自動(dòng)功率控制電路和自動(dòng)溫度控制電路，本裝置 將半導(dǎo)體激光器作為光源產(chǎn)生器件。激光器產(chǎn)生的光通過(guò)耦合器與帶有膏體信息的光發(fā)生 干涉，通過(guò)光電檢測(cè)電路得到含有膏體流量信息的光，并且將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，等待后續(xù)處 理。
[0048] 當(dāng)光信號(hào)被光電檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)之后是十分微弱的含有大量的噪聲信 號(hào)。本裝置采用差分電壓放大電路對(duì)有用電信號(hào)進(jìn)行放大且其對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)能夠很好的抑制零 點(diǎn)漂移、噪聲和失調(diào)電壓，大大提高了電路的測(cè)量精度。
[0049] 多普勒光纖流量傳感器的頻移信號(hào)隨流量的變化范圍從0到2.5MHz，運(yùn)用低頻率 波電路將去除有效信號(hào)外的所有噪聲和干擾，以確保測(cè)量的精確性，其中的噪聲包括環(huán)境 噪聲及由光電檢測(cè)電路和電壓放大電路引入的噪聲。
[0050] 得到的有用的頻移信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成處理單元識(shí)別的數(shù)字 信號(hào)，計(jì)算輸送管道的流量值。
[0051] 整個(gè)光電檢測(cè)單元的電路圖如圖4所示。為了減小放大器各部分電路之間通過(guò)公 共直流電源產(chǎn)生寄生耦合，電路采用直流±2.5V雙電源供電，而且能夠很好的防止產(chǎn)生振 蕩和干擾。此外，為了防止電路產(chǎn)生自激震蕩，每個(gè)運(yùn)放的正負(fù)電源端附近都并聯(lián)了一個(gè)阻 耦電容。
[0052] 本裝置具有安裝簡(jiǎn)單通用性好的有點(diǎn)，運(yùn)用到膏體輸送管道能對(duì)輸送流量進(jìn)行精 確的計(jì)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種膏體輸送管道的流量計(jì)量裝置，其特征在于:主要由激光器、光纖、耦合器、發(fā)射 探頭、接收探頭、光電檢測(cè)電路、電壓放大電路、低頻濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和頻譜分析單元 組成;激光器連接耦合器1輸入端，耦合器1的兩個(gè)輸出端分別與發(fā)射探頭及耦合器2輸入端 連接，耦合器2的兩個(gè)輸出端分別連接接收探頭及光電檢測(cè)電路，光電檢測(cè)電路后依次連接 有電壓放大電路、低頻濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和頻譜分析單元。光纖橫向穿過(guò)管道并且其輸 入端連接發(fā)射探頭。2. 如權(quán)利要求1所述的一種膏體輸送管道的流量計(jì)量裝置，其特征在于:光纖采用透光 率多80%的石英光纖;光纖光柵的尾部安裝增加張力的裝置，該增加張力的裝置為平衡物 塊。3. 如權(quán)利要求2所述的一種膏體輸送管道的流量計(jì)量裝置，其特征在于:激光器為半導(dǎo) 體激光器，其具有自動(dòng)功率控制電路和自動(dòng)溫度控制電路。4. 如權(quán)利要求3所述的一種膏體輸送管道的流量計(jì)量裝置，其特征在于：電壓放大電路 為差分電壓放大電路;電路采用直流±2.5V雙電源供電。5. -種膏體輸送管道的流量計(jì)量方法，其特征在于:利用權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)中的膏體 輸送管道的流量計(jì)量裝置進(jìn)行膏體輸送管道的流量計(jì)量;激光器發(fā)出激光分為兩路，其中 一路通過(guò)發(fā)射探頭經(jīng)管道內(nèi)光纖被接收探頭接收，接收到的為載有膏體流量信息的光信 號(hào)，光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器PIN將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電流;微弱的光電流經(jīng)光電檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化 為電壓，并經(jīng)電壓放大電路將其放大;將前一級(jí)的電壓放大到伏級(jí);通過(guò)低頻濾波電路過(guò)濾 掉電路中存在的高頻干擾信號(hào)和噪聲；信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；最后通過(guò)頻 譜分析單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，得到頻率信息，最后計(jì)算出充填管道流量;流量計(jì)算公式為：其中D為管道直徑，△ f為頻移，V為膏體的流動(dòng)速度;η為膏體的折射率;Q1為入射光和運(yùn) 動(dòng)方向的夾角；θ2為出射光和運(yùn)動(dòng)方向的夾角;λ〇為入射波長(zhǎng)。
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK106017586SQ201610559733
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月15日
【發(fā)明人】王冬生, 褚濤, 王桂梅, 楊立潔, 張永碩, 崔磊, 程洪波
【申請(qǐng)人】河北工程大學(xué)