天然氣的流量監(jiān)測畢業(yè)論文-文庫吧

【正文】 種通用信號模板，解決干擾情況下渦街信號和噪聲信號的分離，以準確得到渦街頻率 天然氣流量監(jiān)測儀器的研究難點和發(fā)展趨勢 所謂自動計量，就是利用變送器實時檢測天然氣流量計量中所涉及到的溫度、壓力、壓差等參數(shù)，通過計算機中的流量計算軟件，實現(xiàn)整個流量測量環(huán)節(jié)中無人工參與的天然氣流量測量。隨著計量技術的發(fā)展和計算機運用的普及。實現(xiàn)孔板流量計自動化計量的方案較多，目前主要有以下4種模式。1. .1單變量變送器+流量計算機(或工控機) 就是利用單變量模擬變送器分別檢測溫度、壓力、差壓，并將檢測到的電信號轉換成標準的4－20MA模擬信號送人流量計算機(或工控機)的數(shù)據(jù)采集卡，通過A/D轉換成數(shù)字量，在流量計算機(或工控機)上通過流量計算軟件計算出天然氣瞬時流量、累積流量以及實現(xiàn)其他輔助功能。+流量計算機(或工控機) 利用1臺多變量智能變遞器同時檢測溫度、壓力、差壓等，采用現(xiàn)場總線制，通過數(shù)字信號傳輸，送入流量計算機(或工控機)數(shù)據(jù)采集卡后上通過流量計算軟件計算出天然氣瞬時流量、累積流量及實現(xiàn)其他功能。+工控機此方式與模式2比較，主要區(qū)別是變送器內固化了流量處理軟件，使得變送器可以就地顯示瞬時測量參數(shù)和計算瞬時流量，并通過數(shù)字信號傳輸，送入工控機顯示和實現(xiàn)其他輸助功能。+工控機 主要利用一體化智能儀表實現(xiàn)了變送器與流量計算機的一體化。不僅自帶數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)瞬時參數(shù)及流量的顯示，以及累積流量和歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn)；而且在儀表的運行方面，采取了多種電源保障方式:內電池組、太陽能和外接電源等，實現(xiàn)了在無電力供應情況下，可以獨立自成計量系統(tǒng)，就地顯示天然氣瞬時流量、累積流量和數(shù)據(jù)的存儲、再現(xiàn)等；正常情況下可通過現(xiàn)場總線和上位機連接，實行數(shù)字信號傳輸上傳顯示，也可以在工控機上實行二次數(shù)據(jù)處理，組成的計量系統(tǒng)更加靈活、可靠。 渦街流量計的理論基礎還很薄弱對旋渦脫落的研究大多是在氣體風洞即均勻流場中進行的，而渦街流量計應用于封閉管道，流場具有三維不均勻性，其旋渦分離規(guī)律與均勻流場中的旋渦分離不完全相同，對渦街流量計的測量不確定度進行了分析，證實斯特羅哈爾數(shù)St和雷諾數(shù)Re在很大范圍內是非線性關系，與管道內流場的三維不均勻性有關，這對渦街流量計的測量精度產生很大影響。因此需要流體力學工作者從流量計應用角度對旋渦脫落的流體振動規(guī)律進行深人研究，為渦街流量計設計提供理論依據(jù)。 渦街流量計應用范圍的擴展渦街流量計的應用由于雷諾數(shù)的限制，在高粘度、低流速和小口徑情況下難以正確測量，量程受限。這需要在旋渦發(fā)生體形狀，傳感器結構方面作優(yōu)化設計，以適應不同的測量要求。目前由于渦街頻率測量元件的限制，渦街流量計可正常測量的溫度、壓力和管道口徑有一定要求。如測量的溫度范圍為－200oC～400 oC，最高可承受壓力為15 MPa, 300mm,隨著新的頻率檢測技術和新的傳感技術的不斷涌現(xiàn)，為渦街流量計的工作范圍的擴展提供了可能。 渦街流量計應用于質量流量的測量渦街流量計現(xiàn)在大多用于體積流量的測量。隨著能源計量和管理的加強，工業(yè)過程自控系統(tǒng)的發(fā)展，對流量測量的要求不僅僅停留在體積流量的測量上，很多場合如工業(yè)生產中各種原料的配比或品質的控制、物料輸送、能源輸送、貿易結算等往往都需要知道質量流量。質量流量測量是目前流量測量中的重點也是難點問題，從傳統(tǒng)的體積流量計，經過改進、完善與提高，發(fā)展成質量流量計，是質量流量測量技術發(fā)展的一個重要方面，也是當前研究的一個熱點問題。國內外科研工作者都已提出將渦街流量計用于測量質量流量的方法，但在傳感器結構，測量精度等方面還需要進一步完善。第二章 光纖傳感器光導纖維是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新興的光電子材料，光纖的最初研究是為了通信，它用于傳感器始于1977年。由于光纖傳感器具有靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾。耐腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕等優(yōu)點，廣泛用于各種物理量的測量，發(fā)展極為迅速。 光纖傳感器的原理光纖傳感器主要由光源、傳導光纖與光電探測器三個部分組成。 光源發(fā)射的光通過光學器件耦合到傳導光纖中，經過傳導光纖進入調制區(qū)，外界的被測參數(shù)作用在經過調制區(qū)的光信號，并使其光學性質發(fā)生變化，例如使光的強度、頻率、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化成為被調制的信號光，再經過傳導光纖送入光電探測器，并從中獲得需要的被測參數(shù)的電信號。如圖21所示為光纖傳感器的原理示意圖。圖2－1 光纖傳感器的原理 光纖的結構光纖是光纖傳感器的重要組成部分，光纖由纖芯、包層和緩沖涂敷層、套層四個部分組成。纖芯是光纖傳導光信號的部分。包層即包裹纖芯的外圍部分，和纖芯具有不同的折射率（包層的折射率小于纖芯的折射率），纖芯和包層之間擁有良好的光學界面。緩沖涂敷層的作用是增加光纖的力學強度，保護光纖不受外力的傷害。光纖的最外層為套層，一般是由塑料管做成，與緩沖涂敷層作用一樣都是起保護作用的，不同顏色的塑料管還可以用來區(qū)分光纖的種類。 光纖的種類從構成光纖的材料看，有玻璃光纖和塑料光纖兩大類，從性能和可靠性考慮，當前大都采用玻璃光纖。光纖按其傳輸模式分為單模光纖和多模光纖。單模光纖和多模光纖在結構上有不同之處。一般的纖芯的直徑只有傳輸光波波長幾倍的光纖是單模光纖。纖芯的直徑比光波波長大很多倍的是多模光纖。兩者的斷面結構有明顯的不同。多模光纖的斷面是纖芯粗、包層薄，制造、連接容易；單模光纖是纖芯細、包層厚，傳輸性能好，但制造、連接困難。 光纖的傳導原理光的全反射理論是光在光纖中傳導應用的主要原理。如圖22所示，光纖由折射率為n1稍高的纖芯和折射率n2稍低的包層構成，周圍介質折射率為n2,入射光線與光線軸線之間的夾角α稱為光線端面入射角；光線進入光纖后又射到纖芯和包層之間的界面上，形成包層界面入射角β。如果要使光完全的約束在纖芯內傳導，則應該使光線在纖芯－包層的光學界面上的入射角β大于等于臨界角β0，即： （1－1）相對于臨界角α0，反映的是光纖聚光能力的大小，被稱為孔徑角。光在周圍介質與纖芯的光學界面上發(fā)生全反射的條件為： （1－2）當入射角滿足這個幾何條件時，光就能在纖芯內部以同樣的角度反復反射，直到傳導到光纖的另一個終端。如果光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光就仍然可以繼續(xù)傳導下去，直到終端。圖2－2 光纖的傳導原理 光纖傳感器的分類光纖傳感器可分為功能型（傳感型）和非功能型（傳光型）兩個大類。前者多數(shù)使用單模光纖，后者常使用多模光纖。 功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器是利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。在這類傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，同時利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，使其某些光學特性發(fā)生變化，對輸入的光產生某種調制作用，使在光纖內傳輸?shù)墓獾膱D2－3 功能型光纖傳感器強度、相位、偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，從而實現(xiàn)傳和感的功能。因此，傳感器中的光纖是連續(xù)的?；谶@樣的原理做成的光纖流量計有光纖渦輪流量計、光纖渦街流量計等。 非功能型光纖傳感器 在非功能型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質，對外界信息的“感覺”功能是依靠其它功能元件來完成的。傳感器中的光纖是不連續(xù)的,其間有中斷，中斷的部分要接上其他介質的敏感元件。調制器可能是光譜變化的敏感元件或其它敏感元件。光纖在傳感器中僅起傳光作用。非功能型光纖傳感器主要利用已有的其它敏感材料，作為其敏感元件，這樣可以利用現(xiàn)有的優(yōu)質敏感元件來提高光纖傳感器的靈敏度。傳光介質是光纖，所以用通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求。非功能型光纖傳感器占據(jù)了光纖傳感器的絕大多數(shù)?；谶@樣的原理在光纖流量計的應用如光柵光纖流量計。圖2－4 非功能型光纖傳感器 光的調制方式被測量對傳輸光的調制方式有：光通量（光強）調制、光相位調制、光頻率調制、光波長調制、光偏振調制等。光通量調制不論在原理上還是結構上都是比較簡單的，是目前光纖傳感器中應用最多的一種調制。常用的光通量調制方法有四種：輻射式、光纖位移式、插入式、微彎損耗式（本設計采用的調制方式）。微彎損耗——當光纖發(fā)生彎曲到一定程度使光線入射角小于臨界角時，射