CN115307808B - 一种分体式光纤差压测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分体式光纤差压测量装置及方法，包括有差压测量单元和压差数据处理单元。本发明通过采用分体测量的方法，利用分体的取压腔对高压低压进行分开的测量，无须使用引压管进行远距离引压，直接对被测介质进行测量，可以消除分体的取压腔不一致性的影响。将包含高压和低压信息的两个取压腔中的干涉光引入到干涉模块中产生干涉条纹，通过统计干涉条纹的信息，来获得两处测量端的差压值。高压低压两个取压腔两端能够逆向使用，正负压均可测得，能够辨别出高压端和低压端，通过条纹移动方向，自动识别压差。

Description

一种分体式光纤差压测量装置及方法

技术领域

本发明涉及压力测量领域，具体地说是一种分体式光纤差压测量装置及方法。

背景技术

差压测量法经常在工业生产和实际生活中用来进行压力检测，尤其是在气液两相流的检测领域。

目前，传统的差压测量方法是利用引压管，将高压和低压引入到变送器中，差压式传感器中采用了高低压腔一体化的结构，在高低压中间放置测量膜片。当两个压力腔所产生的压力不同时，会导致压力膜片产生形变，转化成电信号进行输出，从而间接求出差压值。为了能够使压力腔里的压力值发生变化，需要用引压管在测量管道上进行引压，将两个不同的压力值引入到压力腔中。

现有技术中用来检测差压的传感器有电阻应变式，扩散硅压阻式，电容式电感式和压电式等。其所用的原理都是根据压力值发生改变从而导致电压值的变化来测得出差压值。

电阻差压传感器是由四个不同方向的电阻在同一个平面上惠斯通电桥，使用不同方向的压力传感器的电阻不同的变化，输出电压和压力成线性变化的原理来实现。电容式差压传感器是将感压膜片作为可动电极雨两个固定电极来组成电容，当受到压力作用时，差压传递到可动电极板，使其产生变形，从而来引起电容差的变化。电容传感器的电容量和作用在传感器上的差压成正比，与介电常数无关。压电式压力传感器则是根据压电效应，压力使晶体受到了外力的作用，产生电极化现象，从而产生电信号，通过电信号来求出所需要测量的差压值。

为了能够进行更加精确的测量，也对差压式传感器进行了创新。首先是对压阻材料进行创新，通过利用更加灵敏的压阻材料，是差压传感器在不同的领域得到了广泛的应用。深圳市水务局和南京水利水文自动化研究所利用固态压阻材料压阻效应原理，由差压传感器和单片机组成的智能流量计。北京交通大学采用纳米材料设计了一种微差压传感器，采用差压原理，实现微差压测量，广泛应用于工业控制、机械制造、生物医学工程等领域。然后就是对压力片进行设计，东北传感技术研究所针对双模片式微型差压传感器提出了由双半桥组成一种差压全桥的桥路设计，将原来的两个电桥合并成一个电桥，既节省了电阻、放大器的个数，又节省了大量的空间。

传统差压测量需要将高压和低压引入到一个传感单元，由于电阻效应，压电效应发展较为成熟，且受到两个差压的影响，这样做能使测量的准确度较高，并且在测量过程中具有较高的灵敏性。然而其缺点也很明显，就是受到引压管较大的影响，当流体中充满多相流时，引压管中的压力会受到了管中的介质较大的影响，尤其时在进行竖直管测量更加的明显。并且所安装压力腔的参数较为的复杂，无法保证两个压力腔的参数能够完全的一致，在测量的过程中会产生误差。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种分体式光纤差压测量装置，以解决现有装置较为复杂的问题。本发明的目的之一是这样实现的：一种分体式光纤差压测量装置，其特征是，包括有压差测量单元和压差数据处理单元；

所述压差测量单元包括有：

光源，用于产生相同频率的光波；

分光镜，设置在光源后方，用于将光波相同频率的相干光分为两束；

两个取压腔，设置在管道上需要测压差的两个相邻位置处；

两个准直透镜，分别设置在两个所述取压腔的一侧，分别通过输入光纤与所述分光镜连接；

两个输入光纤，一端与所述分光镜连接，一端连接准直透镜；

两个耦合器，分别设置在两个取压腔的另一侧，分别通过输出光纤与压差数据处理单元连接；以及

两个输出光纤，一端与所述压差数据处理单元连接，另一端与耦合器连接；

所述压差数据处理单元包括有：

干涉模块，与两个输出光纤和光电探测器连接，用来产生干涉条纹，并将条纹信息传输至光电探测器；

光电探测器，与所述干涉模块和处理器连接，用来观察干涉条纹的移动以及变化，并将结果输送至处理器；

显示模块，与处理器连接，用来显示压差的数值；以及

处理器，与所述光电探测器和显示模块连接，用于对条纹信息进行处理，并将结果向显示模块输出。

进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：

所述处理器包括有信号细分电路、计数电路和辨向电路，所述信号细分电路把一个条纹细分多个细条纹，所述计数电路通过统计峰值个数来确定条纹的个数，辨向电路通过信号判别条纹变化的方向，来得到待测点压力的高低大小值。

所述压差数据处理单元还包括有通讯模块和光信息远传模块，所述通讯模块与所述处理器连接，用于将处理器处理的压差信息传输到外部设备；所述光信息远传模块与干涉模块连接，用于将产生的干涉条纹传信息输到实验室端的电脑，进行远程观测。

所述取压腔与准直透镜和耦合器相连的一侧为透明材质。

所述两个取压腔的尺寸、材质完全相同。

两个所述输入光纤长度相同，两个所述输出光纤的长度相同。

本发明的目的之二是提供一种分体式光纤差压测量方法，以解决现有方法中测量误差较大的问题。

本发明的目的之一是这样实现的：一种分体式光纤差压测量方法，其特征是，包括如下步骤：

A、所述一种分体式光纤差压测量方法应用于分体式光纤差压测量装置；

B、当管道内无介质时，从光源发出相同频率的光波经由分光镜分为两束具有相同频率的光波，这两束光波分别通过相同距离的输入光纤，经由准直透镜传入到不同的取压腔内，再经过取压腔上的耦合器后，经由相同距离的输出光纤将光波传输到干涉模块中汇合，产生干涉条纹，由光电检测器检测，并输送至处理器中，进行校准；

C、当有介质流过管道并进入取压腔后，取压腔中的不同压力导致介质的密度不同，从而会使得光波在取压腔中的光程发生变化，在干涉模块中的干涉条纹随之变化；

D、光电探测器将探测到的干涉模块中干涉条纹的移动和变化信息输送至处理器，处理器经过辨向和计算后，高压条纹上移P₁＞P₂或低压条纹下移P₁＜P₂，产生输出并输送至显示模块实时显示差压ΔP。

进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：

在所述步骤B中，在校准过程中，由于两个取压腔内的压力相等，调整使得显示模块的显示为0。

在所述步骤D中，

取压腔内的介质压力达到P时，所对应的介质折射率n的公式为：

式中，K是压强从真空变为P时所移动的条纹的个数，λ是光源所用的激光的波长，L是气室的长度。

介质折射率的变化Δn与条纹变化数ΔK成正比，所以条纹变化数ΔK与气压的变化量ΔP也成正比，由此可得

将其带入到公式(1)中，所以可得公式(3)

差压值ΔP和干涉条纹个数ΔK之间存在着函数关系：

ΔP＝f(ΔK)

式中，n是压力为P时的气体折射率，ΔK是所统计的干涉条纹的个数，L是气室所用的气室的长度，P是待求的压力，ΔP是指压力的变化量。

本发明通过采用分体测量的方法，利用分体的取压腔对高压低压进行分开的测量，无须使用引压管进行远距离引压，直接对被测介质进行测量，可以消除分体的取压腔不一致性的影响。将包含高压和低压信息的两个取压腔中的干涉光引入到干涉模块中产生干涉条纹，通过统计干涉条纹的信息，来获得两处测量端的差压值。高压低压两个取压腔两端能够逆向使用，正负压均可测得，能够辨别出高压端和低压端，通过条纹移动方向，自动识别压差。

本发明用光学干涉的方法来测量压力，当两束光相遇时会有干涉现象产生，且干涉条纹的变化和光程差有关，光程差会因为折射率的变化发生改变，压力的改变会导致折射率的改变，从而影响光学路径，会产生光学干涉现象。同时建立压差数据处理单元来分析条纹所移动的个数和压力值之间的关系，通过实验进行验证标定。光电探测器来检测输出光纤所产生的干涉条纹的变化，条纹的变化对应着电压值的高低，条纹会产生明暗相间的光强，不同的光强对应着不同的电压值，通过统计峰值个数来确定条纹的个数，同时进行条纹方向的辨向处理，来分析压力的变化方向，最终分析压力的变化方向和条纹所移动的个数和压力值之间的关系，得到高低压所处的位置。本发明为实现差压值的准确测量，提出了一种分体式压力测量的方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是压差测量单元的结构示意图。

图3是压差数据处理单元的结构示意图。

图4是取压腔的示意图。

图5是本发明的流程图。

图中：1、取压腔，2、准直透镜，3、分光镜，4、耦合器，5、输入光纤，6、输出光纤，7、固定装置，8、透明玻璃，9、金属外壳。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明的分体式光纤差压测量装置，包括有压差测量单元和压差数据处理单元。

压差测量单元包括有光源、分光镜3、两个取压腔1、两个准直透镜2、两个耦合器4、两个输入光纤5和两个输出光纤6。光源，用于产生相同频率的光波。分光镜3设置在光源后方，用于将光波相同频率的相干光分为两束。

两个取压腔1设置在管道上需要测压差的两个相邻位置处。两个取压腔1的尺寸、材质完全相同。为了保证测量的准确性，压力腔的几何尺寸保持一致，用激光测长仪测量压力腔几何尺寸，保证两个压力腔几何尺寸一致，减小压力测量的误差。如图4所示，取压腔1与准直透镜2和耦合器4相连的一侧为透明玻璃8材质，以保证相干光能够顺利射入取压腔1内，并由取压腔1经由耦合器4摄入输出光纤6。取压腔1外层位金属外壳9，顶端为可以插入管道并紧密连接的螺纹结构。

两个准直透镜2通过固定装置7分别设置在两个取压腔1的一侧，分别通过输入光纤5与分光镜3连接。两个耦合器4通过固定装置7分别设置在两个取压腔1的另一侧，分别通过输出光纤6与压差数据处理单元连接。两个输入光纤5一端与分光镜3连接，一端连接准直透镜2。两个输出光纤6，一端与压差数据处理单元连接，另一端与耦合器4连接。两个输出光纤6的长度相同，减少了光程差所带来的影响，保证了光所传输的距离相等。

压差数据处理单元包括有干涉模块、光电探测器、显示模块和处理器。干涉模块与两个输出光纤6和光电探测器连接，用来产生干涉条纹，并将条纹信息传输至光电探测器。光电探测器与干涉模块和处理器连接，用来观察干涉条纹的移动以及变化，并将结果输送至处理器。显示模块与处理器连接，用来显示压差的数值。

处理器与光电探测器和显示模块连接，用于对条纹信息进行处理，并将结果向显示模块输出。处理器包括有信号细分电路、计数电路和辨向电路，信号细分电路把一个条纹细分多个细条纹，来提高分辨力，计数电路通过统计峰值个数来确定条纹的个数，辨向电路通过信号判别条纹变化的方向，来得到待测点压力的高低大小值。

压差数据处理单元还包括有通讯模块和光信息远传模块，通讯模块与处理器连接，用于将处理器处理的压差信息传输到外部设备。通讯模块的通讯接口有多种形式，可以有USB(Type-C)接口、无线蓝牙等形式，方便将处理后的压差信息导出。因此，能够储存数据信息的硬盘、U盘可以作为外部的导入设备。方便将测量数据在其他设备(电脑)研究处理。

光信息远传模块与干涉模块连接，用于将产生的干涉条纹传信息输到实验室端的电脑，进行远程观测，从而实现远程测量。

实施例2

本发明的分体式光纤差压测量方法，包括如下步骤：

A、一种分体式光纤差压测量方法应用于实施例1中的一种分体式光纤差压测量装置；

B、当管道内无介质时，从光源发出相同频率的光波经由分光镜3分为两束具有相同频率的光波，他们具有相同的频率，能够产生干涉现象。这两束光波分别通过相同距离的输入光纤5，经由准直透镜2传入到不同的取压腔1内，再经过取压腔1上的耦合器4后，经由相同距离的输出光纤6将光波传输到干涉模块中汇合，产生干涉条纹，由光电检测器检测，并输送至处理器中，进行校准。

校准过程包括有自校准和零位校准。自校准是对分体式光纤差压测量装置进行校准，使两个取压腔1内的压力相等。零位校准是在两个取压腔1内的压力相等使，使显示模块输出的数据为0。具体地说，就是两个取压腔1的压差为0，由于两束光存在光程差才能产生干涉条纹，而此时两光束的光程应该相同。由于压力所带来的光程的不同，在光电探测器处就会观察到干涉条纹的移动以及变化，得出条纹的变化个数和高、低压腔之间的函数关系。

C、当有介质流过管道并进入取压腔1后，取压腔1中的不同压力导致介质的密度不同，从而会使得光波在取压腔1中的光程发生变化，在干涉模块中的干涉条纹随之变化。压强越大，光经过相同的距离通过的分子数就越多，其产生的折射率就也越大，折射率变大，则光经过高压气室的光程会大于经过低压气室的光程。

D、光电探测器将探测到的干涉模块中干涉条纹的移动和变化信息输送至处理器，处理器经过辨向和计算后，高压条纹上移P₁＞P₂或低压条纹下移P₁＜P₂，产生输出并输送至显示模块实时显示差压ΔP。输入光纤5将光传输到干涉模块产生干涉条纹，光电探测器会观察到干涉条纹的移动以及变化，条纹经过处理器处理后输送给显示模块显示差压。

干涉原理可以用来对气体折射率来进行测量，而气体折射率和压力有一定的关系。其中真空的气室是为了检测当取压腔1内气体介质达到压力P时，所对应的介质折射率n的公式为：

式中K指压强从真空变为P时所移动的条纹的个数，λ是光源所用的激光的波长，L是气室的长度。

由于介质折射率的变化Δn与条纹变化数ΔK成正比，所以条纹变化数ΔK与气压的变化量ΔP也成正比，由此可得

将其带入到公式(1)中，所以可得公式(3)

因此差压值ΔP和干涉条纹个数ΔK之间存在着函数关系：

ΔP＝f(ΔK)

式中，n是压力为P时的气体折射率，ΔK是所统计的干涉条纹的个数，L是气室所用的气室的长度，P是待求的压力，ΔP是指压力的变化量(即压差值)。

E、处理器将处理的压差信息输送至外部设备，外部设备是能够储存数据信息的硬盘、U盘等。光信息远传模块将干涉条纹传信息输到实验室，从而实现远程测量。

为减少差压测量带来的影响，通过实验的标定，来推导差压值和条纹个数之间的关系，从而来测量压力。条纹的变化对应着电压值的高低，条纹会产生明暗相间的光强，不同的光强对应着不同的电压值。

Claims (5)

1.一种分体式光纤差压测量装置，其特征是，包括有压差测量单元和压差数据处理单元；

所述压差测量单元包括有：

光源，用于产生相同频率的光波；

分光镜，设置在光源后方，用于将光波相同频率的相干光分为两束；

两个取压腔，设置在管道上需要测压差的两个相邻位置处；

两个准直透镜，分别设置在两个所述取压腔的一侧，分别通过输入光纤与所述分光镜连接；

两个输入光纤，一端与所述分光镜连接，一端连接准直透镜；

两个耦合器，分别设置在两个取压腔的另一侧，分别通过输出光纤与压差数据处理单元连接；以及

两个输出光纤，一端与所述压差数据处理单元连接，另一端与耦合器连接；

所述压差数据处理单元包括有：

干涉模块，与两个输出光纤和光电探测器连接，用来产生干涉条纹，并将条纹信息传输至光电探测器；

光电探测器，与所述干涉模块和处理器连接，用来观察干涉条纹的移动以及变化，并将结果输送至处理器；

显示模块，与处理器连接，用来显示压差的数值；以及

处理器，与所述光电探测器和显示模块连接，用于对条纹信息进行处理，并将结果向显示模块输出；

所述处理器包括有信号细分电路、计数电路和辨向电路，所述信号细分电路把一个条纹细分多个细条纹，所述计数电路通过统计峰值个数来确定条纹的个数，辨向电路通过信号判别条纹变化的方向，来得到待测点压力的高低大小值。

2.根据权利要求1所述的分体式光纤差压测量装置，其特征是，所述压差数据处理单元还包括有通讯模块和光信息远传模块，所述通讯模块与所述处理器连接，用于将处理器处理的压差信息传输到外部设备；所述光信息远传模块与干涉模块连接，用于将产生的干涉条纹传信息输到实验室端的电脑，进行远程观测。

3.根据权利要求1所述的分体式光纤差压测量装置，其特征是，所述取压腔与准直透镜和耦合器相连的一侧为透明材质。

4.根据权利要求1所述的分体式光纤差压测量装置，其特征是，所述两个取压腔的尺寸、材质完全相同。

5.根据权利要求1所述的分体式光纤差压测量装置，其特征是，两个所述输入光纤长度相同，两个所述输出光纤的长度相同。