光纤油轮液位测试仪设计
    

【摘要】光纤油轮液位侧试仪由光纤液位传感器、光纤温度传感器及二次仪表组成,本文简要地叙述了光纤液位传感器、光纤温度传感器的工作原理。

一、引言

光纤油轮液位测试仪是为测量油轮油舱原油液位高度而研制的,它由光纤液位传感器、光纤温度传感器、传输光纤及二次仪表组成,其工作原理简述如 下:光源(安放在油轮的安全区内)发出的光经传输光纤进入光纤液位传感器中(传感器安放在油舱底部离光源的距离为几十米至几百米),液位传感器输出反映液 位高度的光信号,液位信号通过传输光纤进入光电转换器件上(安装在油轮安全区内),经二次仪表运算后显示并打印出油舱中原油液位高度。由于传感器输人输出 信号均是光信号,因此,从防爆的角度来看,是绝对安全的。

二、光纤液位传感器

应用在油轮上的液位传感器对防爆要求极高,同时又要求在60~100℃的环境中能正常工作。本传感器为一复合传感器,它由压力位移传感器和光纤位移传感器组成,其工作原理如下所述。

油舱中原油对舱底某一部位产生的压力为:

式中p—原油密度

g—重力加速度

h—原油液面到传感器的高度

压力位移传感器将反映液位高度的压力转换成位移量,光纤位移传感器将此位移量转换成光信号。因此,测出传感器输出的光信号强度即能测出液位高度。

1.压力位移传感器

本仪器中采用整体成型的平面膜片作为压力位移传感器,同时它又是光纤位移传感器中的移动反射镜。

对无硬心、周边夹紧的金属平面膜片,在压力尸的作用下,其中心的位移与作用压力的关系如下:

式中s—平膜片的中心位移,mm

p—作用于平膜片上的压力,mpa

r—平膜片的工作半径,mm

h—平膜片的厚度,mm

—波松比

e—平膜片的弹性模量,mpa由

(2)式可见,由原油产生的压力,经平膜片后转换成一位移量。

2.光纤位移传感器

它的功能是将平膜片的位移量转换成光信号,其原理如下:光纤位移传感器原理图如图1所示。

这是一种光强调制型机械量传感器。图la中的移动反射镜(本传感器中用平膜片作反射镜)作垂直于人射光纤的移动。在平面反射镜后,离镜面距离为d的地方,形成了入射光纤的虚像。因此,确定该调制器的响应就等效于计算人射光纤像与测量光纤之间的光祸合问题。

的中间位置时,光藕合系数由测量光纤端面与人射光纤像发出的光锥在该处的锥体底面相交重叠部分决定,此相交重叠部份见图lb所示。用函数可以精确计算出重叠部分面积,但一般采用线性近似法计算,即光锥底面与测量光纤端面相交边的弧线用直线来近似,使光祸合计算大为简化。

在直线近似条件下,测量光纤端面受光锥照射面积所占的百分比为:

灵敏度与d值的大小有关,从图2的曲线中可知,祸合效率与d的关系曲线可分为两段,曲线顶点左边部分称为前斜率段,曲线顶点右边部分,称为后斜 率段。前斜率段的线性区斜率大,因此灵敏度高,但量程小。后斜率段线性区较大斜率较小,因此灵敏度低,但量程大。本传感器采用前斜率段的线性区。

3.光纤温度传感器

由(1)式可得:

由(6)式可知,只需测得尸、p即可测得原油液位高度h的值。尸值通过光纤液位传感器可测得。产值由原油供货部门提供,但提供的是标准状态下的 密度。原油在装卸过程中需加热,温度约为60~100℃,原油的体积随温度升高而膨胀,原油的密度也随之发生变化。这将对液位测试带来不能忽略的影响,因 此,必须对原油体积膨胀产生的液位偏差进行修正。为此,在液位传感器旁安置了光纤温度传感器,测量原油温度,根据温度值通过计算后修正液位值。

应用光纤测量温度的仪器大致有:辐射式光纤温度计、热色式光纤温度传感器、半导体吸收式光纤测温仪、光纤荧光温度计、光纤液体温度计、光纤传光 型干涉温度计、光纤偏振温度计、光纤外差干涉温度传感器、干涉型光纤温度计、分布式光纤温度探测器。这里采用的是半导体吸收式光纤测量仪。

(1)半导体吸收特性与温度的关系在

接近室温时,大多数半导体材料的能带问隙随温度的增加而近似于线性地减少,它们的基本光吸收边沿所对应的波长随温度增加而向长波方向移动,如图3所示。图3

如果我们选择适当的半导体发光二极管(led),使其辐射的光谱范围与某种半导体材料的的范围相匹配,在匹配的温度范围内,半导体透射光强随温度增加而减少,半导体吸收式光纤测温仪的原理就基于此。

(2)光源采用aigaas发光二极管,其中心波长为880nm左右,光谱宽度为150nm。选择880nm为中心波长的原因是:

①波长为88onm,半宽度为150nm的光,其光谱范围与gaas和cdte这两种材料的久;在测温范围内基本匹配。测温范围可达一100~300℃,最高可达400℃。

②光纤对88onm波长的光传输损耗较小,有利于信号远传。

光纤温度传感器头的结构比较简单,即在两光纤端面间夹一厚度为0.2mm的gaas片,并将它们固定在一外径为zmm的不锈钢套管内。由输入光 纤把恒定光强的光输入gaas薄片上,部分光被gaas薄片吸收,剩余光强经出射光纤传送至光电转换器件上。gaas薄片的透过率随温度的变化而变化,因 此,从出射光纤出射的光强也随温度的变化而变化。

三、结束语

(l)光纤液位传感器在实际应用时需增加一根参考光纤,参考光纤离平膜片的距离为d十d,见图l。当d为某一合适值时,参考光纤端面收集的光强基本不受d的小变化而影响。

参考光纤的光功率与测量光纤的光功率之比值和油舱中原油液位高度11成比例(或正比或反比)。采用这种测比值的方法来测液位高度在很大程度上补偿了光强不稳定性(由各种原因造成的,如光源老化性能变差、反射表面光泽度变化等)、光纤和光纤藕合性能变化等带来的误差。

(2)光纤液位传感器的光信号可远传数百米或更远,因此,本仪器适用于易燃、易爆、高辐射强度或工作环境极为恶劣的部门。

(3)本仪器的研制工作仅仅是个开端,许多地方尚待改进和完善。

参加此项工作的还有:华中理工大学张伟博士,南京集成电路研究所李海康、冯流萤、王建华、樊敏、于俊。

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    收录时间:2014年12月04日 13:08:43 来源:中国计量测控网 作者:点击率
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