一种膏体输送管道的流量计量装置及方法
【专利摘要】一种膏体输送管道的流量计量装置及方法，设计了一套采用光纤光栅为检测元件的光纤多普勒传感系统，其设计包括光源选择、光电探测器设计、解调装置、信号分离滤波电路、电压放大电路、信号处理电路。光纤多普勒流量传感器利用了固体颗粒对光的散射作用和光学多普勒效应，光纤作为光的传输介质，管道膏体对介质内光信号进行调制，经过光电检测器将调制光信号转为电参量，再经过电压电路放大电路、低频滤波电路，最终对其进行频谱分析，通过处理系统的调解得到被测量的流量值，从而实现对充填管道内的膏体流量进行实时监测。
【专利说明】
一种膏体输送管道的流量计量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于煤炭矸石充填输送管道的流量计量装置，尤其涉及一种膏体输送管道 的流量计量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 目前充填管道的流量计量的方法主要是放射性元素检测的方法。此方法由于具有 放射性，存在对地下充填环境以及工作人员的身体健康的威胁，在大范围推广具有局限性。 其他流量检测方法处于试验研究阶段尚不成熟，需要一种可行的、价格低廉、能大范围应用 于充填系统的流量检测装置。
【发明内容】
[0003] 现有的充填管道流量的计量装置对安装环境要求较高，一般的测量装置对安装要 求比较苛刻，使得输送管道流量计量精度无法得到保证；同时他们在使用中存在局限性和 不通用性。
[0004] 本装置运用输送管道的流量对光的多普效应，根据光在光纤中传播时的多普勒频 移差，对管道的流量进行计量。本方法具有测量精度高、误差小的特点，能够实现矸石膏体 输送管道的流量计量。
[0005] 根据光学多普勒频移原理。当相对膏体静止的光源发出的入射光射入流动的膏体 时，光在传播过程中会与固体颗粒相遇，因为光源和散射粒子之间存在相对运动，粒子接收 到的光将发生第一次频移；与此同时，每个膏体都将成为散射中心，光会被膏体粒子散射， 探测器相对与膏体管静止，接收到的散射光发生第二次频移。
[0006] 相对于光源运动的膏体粒子接收到的光波频率心为：
[0008] 式中
[0009] fo--光源入射光的频率；
[00?0] V--膏体的流动速度；
[0011] η--膏体的折射率；
[0012] θχ一一入射光和运动方向的夹角；
[0013] c--真空中光速
[0014]当散射粒子将成为光源，探测器相对膏体管静止，其接收到的散射光将发生第二 次频移，频率fV变化为
[0016]式中，θ2-一出射光和运动方向的夹角；
[0017]由于物体运动速度v< < c，对上面展开式取一级近似，即：
[0020]所以，流速为v的膏体所产生的多普勒频移△ f为： 忽略高次项，得： 9
[0022] 式中λ〇为入射波长。
[0023]变形得膏体的流速V:
[0025] 则流量Q为：
[0027] 即为多普勒光纤流量传感器的流量公式，其中D为管道直径。通过测量频移Af，即 可得到流量大小。
[0028] -种膏体输送管道的流量计量装置主要由激光器、光纤、耦合器、发射探头、接收 探头、光电检测电路、电压放大电路、低频滤波电路、模数转换器和频谱分析单元组成;激光 器连接耦合器1输入端，耦合器1的两个输出端分别与发射探头及耦合器2输入端连接，耦合 器2的两个输出端分别连接接收探头及光电检测电路，光电检测电路后依次连接有电压放 大电路、低频滤波电路、模数转换器和频谱分析单元。
[0029] 光纤横向穿过管道并且其输入端连接发射探头。
[0030] 光纤采用透光率多80 %的石英光纤;光纤光栅的尾部安装增加张力的装置，该增 加张力的装置为平衡物块。
[0031 ]激光器为半导体激光器，其具有自动功率控制电路和自动温度控制电路。
[0032]电压放大电路为差分电压放大电路；电路采用直流± 2.5V双电源供电。
[0033]传感器的主要的工作原理为激光器发出激光分为两路，其中一路通过发射探头经 管道内光纤被接收探头接收，接收到的为载有膏体流量信息的光信号，光信号经过光电探 测器PIN将光信号转化为光电流;微弱的光电流经光电检测电路转化为电压，并经电压放大 电路将其放大;将前一级的电压放大到伏级;通过低频滤波电路过滤掉电路中存在的高频 干扰信号和噪声;信号经过模数转换器转化为数字信号；最后通过频谱分析单元对信号进 行处理，得到频率信息，最后计算出充填管道流量。
[0034]本装置具有很好的通用性，可适用于所有的煤矿充填输送管道的流量计量，具有 能够对流量实时监测、精度高、安装方便的优点。将本装置应用于充填管道能对充填流量进 行精确计量。
【附图说明】
[0035]图1多普勒效应流量测量示意图
[0036]图2多普勒光纤流量传感器光路图 [0037]图3多普勒光纤流量计结构图 [0038]图4光电检测单元电路图 [0039]图5光纤增加张力装置示意图
【具体实施方式】
[0040] 随着科学技术的发展，运用充填采煤的方法能够对积压于"三上一下"的煤炭进行 开采。对充填量的精确计量是一个难题，通过理论研究与实践相结合的方法，我们设计出运 用多普勒原理，对充填流量进行高精度计量的装置。
[0041] 为了使本领域人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体附图和具体实施 例对本发明作进一步的详细说明。应当指出，本部分中的对处理电路的描述及描述顺序仅 是对具体实施的说明，不应视为对本发明的保护范围有任何限制使用。
[0042]如图2所示A耦合器1，D耦合器2，E耦合器3，B发射探头，C接收探头。
[0043] 如图3所示，多普勒光纤流量计的组成部分，主要有激光器，耦合器1、耦合器2、发 射探头、接收探头、光电检测电路、电压放大电路、低频滤波电路、模数转换器和频谱分析单 元组成。
[0044] 如图4所示，1光电检测电路，2差动放大电路，3滤波电路。
[0045] 传感器的主要的工作原理为激光器发出激光分为两路，其中一路通过发射探头经 管道内光纤被接收探头接收，接收到的为载有膏体流量信息的光信号，光信号经过光电探 测器PIN将光信号转化为光电流;微弱的光电流经光电检测电路转化为电压，并经电压放大 电路将其放大;将前一级的电压放大到伏级;通过低频滤波电路过滤掉电路中存在的高频 干扰信号和噪声;信号经过模数转换器转化为数字信号；最后通过频谱分析单元对信号进 行处理，得到频率信息，最后计算出充填管道流量。
[0046] 光纤横向穿过管道并在其输入端加连续光源，在没有流体作用时，敏感元件输出 端光强不变。当有流体通过光纤时，对光纤光栅产生作用力，使光纤光栅形变产生中心反射 波长的漂移，导致输出光强发生变化。光纤光栅流量计检测到输出光强度的变化，可得光纤 光栅中心反射波长的漂移量，进而得到其流量值。由于噪声与谐振影响，需要在光栅的尾部 安装增加张力的装置。
[0047] 激光器为半导体激光器，其具有自动功率控制电路和自动温度控制电路，本装置 将半导体激光器作为光源产生器件。激光器产生的光通过耦合器与带有膏体信息的光发生 干涉，通过光电检测电路得到含有膏体流量信息的光，并且将其转换成电信号，等待后续处 理。
[0048] 当光信号被光电检测电路转换成电压信号之后是十分微弱的含有大量的噪声信 号。本装置采用差分电压放大电路对有用电信号进行放大且其对称结构能够很好的抑制零 点漂移、噪声和失调电压，大大提高了电路的测量精度。
[0049] 多普勒光纤流量传感器的频移信号随流量的变化范围从0到2.5MHz，运用低频率 波电路将去除有效信号外的所有噪声和干扰，以确保测量的精确性，其中的噪声包括环境 噪声及由光电检测电路和电压放大电路引入的噪声。
[0050] 得到的有用的频移信号，通过模数转换器将电压信号转换成处理单元识别的数字 信号，计算输送管道的流量值。
[0051] 整个光电检测单元的电路图如图4所示。为了减小放大器各部分电路之间通过公 共直流电源产生寄生耦合，电路采用直流±2.5V双电源供电，而且能够很好的防止产生振 荡和干扰。此外，为了防止电路产生自激震荡，每个运放的正负电源端附近都并联了一个阻 耦电容。
[0052] 本装置具有安装简单通用性好的有点，运用到膏体输送管道能对输送流量进行精 确的计量。
【主权项】
1. 一种膏体输送管道的流量计量装置，其特征在于:主要由激光器、光纤、耦合器、发射 探头、接收探头、光电检测电路、电压放大电路、低频滤波电路、模数转换器和频谱分析单元 组成;激光器连接耦合器1输入端，耦合器1的两个输出端分别与发射探头及耦合器2输入端 连接，耦合器2的两个输出端分别连接接收探头及光电检测电路，光电检测电路后依次连接 有电压放大电路、低频滤波电路、模数转换器和频谱分析单元。光纤横向穿过管道并且其输 入端连接发射探头。2. 如权利要求1所述的一种膏体输送管道的流量计量装置，其特征在于:光纤采用透光 率多80%的石英光纤;光纤光栅的尾部安装增加张力的装置，该增加张力的装置为平衡物 块。3. 如权利要求2所述的一种膏体输送管道的流量计量装置，其特征在于:激光器为半导 体激光器，其具有自动功率控制电路和自动温度控制电路。4. 如权利要求3所述的一种膏体输送管道的流量计量装置，其特征在于：电压放大电路 为差分电压放大电路;电路采用直流±2.5V双电源供电。5. -种膏体输送管道的流量计量方法，其特征在于:利用权利要求1-4任一项中的膏体 输送管道的流量计量装置进行膏体输送管道的流量计量;激光器发出激光分为两路，其中 一路通过发射探头经管道内光纤被接收探头接收，接收到的为载有膏体流量信息的光信 号，光信号经过光电探测器PIN将光信号转化为光电流;微弱的光电流经光电检测电路转化 为电压，并经电压放大电路将其放大;将前一级的电压放大到伏级;通过低频滤波电路过滤 掉电路中存在的高频干扰信号和噪声；信号经过模数转换器转化为数字信号；最后通过频 谱分析单元对信号进行处理，得到频率信息，最后计算出充填管道流量;流量计算公式为：其中D为管道直径，△ f为频移，V为膏体的流动速度;η为膏体的折射率;Q1为入射光和运 动方向的夹角；θ2为出射光和运动方向的夹角;λ〇为入射波长。
【文档编号】G01F1/66GK106017586SQ201610559733
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】王冬生, 褚涛, 王桂梅, 杨立洁, 张永硕, 崔磊, 程洪波
【申请人】河北工程大学