光纤液位远程测量系统

　　1　引　　言

　　储油罐等大型容器中液体液位的测量,传统的方法是用人工检尺,人工爬罐,劳动强度大,安全性差,且难以实现自动实时监测。在现有的液位自动计量装置中,有的测量精度不高,难以达到国家技术计量规范要求;有的防爆等级难以提高,存在安全隐患;有的液位计则成本很高,难以推广。本文介绍一种基于激光测距原理的光纤液位测量系统,利用光纤作为信号传输媒体,使测量现场远离电信号,具有本安型的隔离防爆性能,能对储油罐油品等易燃易爆液体液位实现远程自动监测[1]。

　　2　系统原理及设计方案

　　系统原理框图如图1所示,系统由光路部分和电路部分组成,两者之间用传输光纤连接。反射光分成两路,一路光从容器顶部反射(内光路),作为比较的基准信号,另一路光从液面处反射(外光路),作为测距信号。已知容器高度H,若测出液面到容器顶部的罐空高度S,则待测液面高度h=H-S。该测量系统利用相位法激光测距的原理,通过检测内外光路回波信号的相位差来获得罐空高度S。根据相位法激光测距的原理[2],激光管采用连续正弦波进行幅度调制,其发射光强为e,外光路回波信号光强为em,内光路光强为er,它们可表示为:

　　其中,f为激光管的调制频率,φ0是发射光光强的初相位,设:

　　则φ是外光路光波在罐空高度S上往返延迟时间Δt内相对于内光路光波所产生的相位滞后,设罐空的气体媒质折射率为n,真空中光速为c,则有:

　　由此可得计算液位高度h的公式:

　　由于信号在光路和电路上传输时不可避免地产生附加相移,本系统设置内外光路对称设计方案,通过比相测量来抵消这种附加相移对系统误差的影响。该系统的电路部分由激光调制驱动电路、光电接收宽带低噪声放大电路、频率综合电路、混频电路、检相电路和微处理器电路(综合控制和数据处理)组成。为了提高检相精度,采用差频测相方法,设计混频电路使测相在较低频率进行。

　　3　测量误差分析

　　在(7)式中对h求微分,得:

　　由上式可知,在理论上,相位法测距误差主要由调制频f的误差(频稳度)、相位测量误差、折射率误差及光速误差组成。其中,真空中光速值C=299792458±1.2m/s,其相对误差小于10-9,对测距精度的影响可以忽略不计。

　　振荡频率的稳定性取决于频率综合电路的性能,采用高稳定的温补石英晶体振荡器作为主振,用锁相环频率合成的方法得到其它所需频率,可以使主振和本振的短期频稳度达到10^-7 ,且可进一步提高差频的稳定性,故由调制频率变化引起的误差也可忽略。系统能达到的测量精度主要由测相精度决定,本系统采用数字测相,测相电路精度达到±0.05°。大气折射率的大小与测量时的气象条件有关,不考虑大气影响时一般只能得到10-4～10-5的精度。考虑大气影响,(7)式可修正为: