专利名称：控制光纤涡散式流量计的电子数字电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型、有用的数字系统，用来控制光纤涡散式(VortexShedding)流量计。
一种光纤传感器单元能够用于涡散式流量计。在这种流量计中，一个传感器光束照射流体流，该流体流由于流动路径上的障碍而在其中产生流体旋涡。该流体旋涡产生(称为散射)的频率即是对流体流量的度量。每次散发一个旋涡，传感器光束就被移动。其位移被传送到用于改变所传递的光的特性的很多已知组件中的一个，并且通过光缆接收。这种组件包括微弯的夹片，该夹片使光纤或光缆弯曲从而调制其中光线的强度，还包括光纤端部中的一端能随着传感器光束移动的分离式光纤组件，删去通过光纤传导的一部分光。
为控制涡散式流量计而提供一种控制系统，这在技术上是众所周知的。作为控制系统的一部分，必须提供一种转换单元，以将通过光缆传送的光信号转换成电信号，它与控制系统兼容。作为控制系统的一部分还应提供一个通讯通路，以将所转换的电信号传送到中央控制单元。
一种已知并在工业上可用的将信号从一个传感器(如流量计)传送到中央控制单元的系统，是一个双线4-20ma模拟传输系统。将一个双线4-20ma传输系统用于光纤涡散式流量计在技术上是已知的，如美国专利第4655353(Thompson)中所述。
在模拟传输系统中，在光缆中被调制的光强度被变换成模拟电流或电压，正比于由传感器光束所指示的流量。这些模拟传输系统在涡散式流量计应用中是有局限性的。旋涡散射是一个非线性量，而非线性信号限制着能够在4-20ma通路上传送的、精确的流量信号的范围，在模拟电路中还存在滞后和热漂移效应，该效应限制了通过4-20ma通路所传输的涡散式流量计信号的重复性，因而限制了它的精度。一个模拟传输通路不能提供在该流量计和一个控制单元之间的信号联络;它只能提供单路通讯，将流量计检测到的液流传送到中央控制单元，不能将控制信号从中央控制单元送到该流量计。
在光纤涡散式流量计控制系统中采用的转换单元还限制涡散式流量计的量程。在目前的转换单元中采用的前置放大器电路，如美国专利4628197号(Thompson)中所述，不能检测到由涡散式流量计所产生的低端信号，于是，就需要一个光纤涡散式流量计的数字控制系统，对旋涡散射现象的非线性度进行调整，并修正或消除热效应和滞后作用。因此就需要提供在光纤涡散式流量计和控制单元之间的双路数字通讯，同时还要改善在光纤涡散式流量计中采用的转换电路的低端灵敏度。
本发明克服了与光纤涡散式流量计控制系统相关的现有技术所有问题。本发明通过提供一个新的、改进了的前置放大电路及数字计算机，以校正温度、非线性和滞后作用来实现这点。
因此，本发明的一个方面是提供一个光纤涡散式流量计系统，该流量计不受旋涡散射现象的非线性影响。
本发明的另一方面是提供一个光纤涡散式流量计的数字控制系统，可以校正滞后和热漂移效应。
本发明的又一个方面是提供一个光纤涡散式流量计的数字控制系统，可以传递和接收来自涡散式流量计的控制信号。
本发明还有一个方面是提供一个光纤涡散式流量计数字控制系统，可以扩大涡散式流量计的低端范围。
图1是本发明控制系统的方块图;
图2是表示光-电转换电路的示意图;
图3表示前置放大器电路输出的曲线;
图4表示滤波电路的示意图;
图5是表示滤波电路输出的曲线。
现在参考附图。附图的描述意在一般地介绍本发明的较佳实施例，并不对本发明进行限制。具体参考图1，它提供一个光纤涡散式流量计，包括一个光纤涡散式流量传感器12，一个转换单元14，一个中央控制单元16，一个数字通讯单元18及一个电源20。
转换单元14包括一个计时电路22，它连接到一个发光二极管激励电路24和一个前置放大器电路26。发光二极管激励电路24由光缆28通过旋涡散射流量传感器12连到前置放大器电路26前置放大器电路26连到滤波电路30，通过线52和54连到中央控制单元16。
现在参考图2，介绍计时电路22，发光二极管激励电路24和前置放大器26。运行中，电流以一串脉冲形式加到一个发光二极管32上，一般占空度为页分之一，幅值为100到200ma且重复率或频率约800HZ。振荡器U6，典型地为一个555计时器低功率CMOS型式，如7555计时器，用于产生对通过发光二极管32电流的控制信号。晶体三极管Q1和Q2放大7555计时器的输出。变压器T1用来匹配发光二极管32激励所要求的1.5伏与6伏到10伏的较高激励电压。该变压器一般为比4∶1的脉冲变压器。电容器C5用途是，借助在发光二极管32脉冲之间在该电容器C5中贮存电荷的方法，对激励电路24其它部分，将电流高脉冲与电源20上的电压脉冲隔离。通过发光二极管33的电流最初是由电容器C5中贮存电荷形成的。
光脉冲通过光缆28和旋涡散射流量传感器12传递到前置放大器电路26的光检测器34。通过弯曲光缆28或改变在光缆28内耦合处光线角度的办法可改变衰减，结果最后光量的变化正比于在流量计12中流体流量。光检测器34将接收的光转变为电信号，一般是电流信号，且通过开关S1将它供到前置放大器电路26其它部分。
当振荡器U6产生对发光二极管32的控制信号时，它还将同样的控制信号送到单触发多谐振荡器U4。多谐振荡器U4由所传递的脉冲前沿触发，激励开关S1、S2、S3、S4以及运算放大器U1。于是，当发光二极管32被加以脉冲时，电路26“接通”。
运算放大器U1将它接收的电流脉冲转换成电压脉冲。运算放大器U1在多谐振荡器U4激励开关S1到S4时，被激励到其运行的高速、高功率模式。然后，运算放大器回到其低速、低功率模式，直到下一个到发光二极管32的脉冲被接收为止。于是，在该运算放大器电路不需要运行期间，它不被拉到高功率。在断开期间，运算放大器U4的输入切换连接到电压跟随器模式，该模式有利于维持其输出电压完全恒定，直到下一个脉冲为止。因此，当放大下一个脉冲时，电压没有大的变化。
靠电容器C1，电阻R1和开关S3的组合，实现峰值跟踪取样和保持功能，以记忆运算放大器U1的输出，直至下一个到发光二极管32的脉冲为止。该组合电路的时间常数由电阻R1，电容器C1和脉冲占空度确定，该时间常数应足够快，足以保证最大的传感器信号通过。
运算放大器U2和U3提供一个反馈环路，用来取出通过R2的电流，该电流等于脉冲的平均峰值电流。该电流加到至运算放大器U1的反向输入端。用这种方法，从运算放大器U1的输出中除去来自光检测器34信号的平均峰值。因此，在运算放大器U1的输出端看到的唯一放大了的信号是对来自光检测器34信号平均峰值的调制信号，且这些信号是唯一需要确定通过流量传感器12流量的信号。于是，全部低端噪声被封锁住。该环路的时间常数足够大，所以允许所需的最低频率通过，而且较低频率或噪声由此反馈环路消除。电阻R3、电容器C2以及脉冲占空度决定了该时间常数。图3示出了一个送到滤波电路30的典型输出信号。
现在参考图4，它描绘了一个包括比较器38和40的滤波电路30的示意图。该比较器38和40是典型的运算放大器，其极性相反，且施加其上参考电压。这些电压幅值不同，由跨过电阻42的小电压确定。该两个参考电压与公共信号(典型为U4的一半)等距离。电阻44和46以及电容器48形成一个高通滤波器，该滤波器允许从前置放大器电路26来的在线50上所有可接受的信号通过。
在运行中，当将一个正弦波加到两个比较器38和40上时，其每个输出都是两个稍小于50%占空度且相差为160度的方波电压，如图5所示。当运算放大器38的来自线50上前置放大器电路26的输入高于参考电平1时，来自线52上运算放大器38的输出是在高态，且当运算放大器40的来自线50上前置放大器电路26的输入低于参考电平2时，来自线54上运算放大器40的输出即为高态。该滤波电路30靠产生方波消除了噪声，该方波不受在上述参考电平以上或以下信号的影响。
再参考图1，在线52和54上的方波输入到一个计算机56，典型地是一个微处理机，计算机56有能力在方波(如在线52和54上传输的那些方波)上升沿实现某些功能。这些功能由在一个8K字节只读存贮器(ROM)58中存储的软件程序提供。通过决定线52和54上两个输出信号和一个预置计时振荡器60之间的差，一个软件程序计算在流量计中流体流量。另外的存在ROM58中的一个程序实行对输入信号52和54计算，以修正旋涡散射现象的非线性。也可以通过计算修正环境温度传感器62确定的温度漂移效应。由于在线52和54上信号中计时偏移，需要提供两个不同的前沿，以在不同时间开始所要求的不同的软件作用。最后，在完成所有的计算和校正后，计算机56将一个输出脉冲宽度送到至电流变换器64的一个电压中。变换器64根据来自计算机56的计算值调整4-20ma电流环路。变换器64的工作在美国专利第4604566号中有较详细叙述。
输出和输入接口66和68，分别允许在计算机56和中央控制站(未示出)之间的数据通讯。这些接口66和68使操作人员能查询流量计的变量，如流量计的流量，标定，环境温度以及机械性能。然后操作人员能够进行必要的调整。在美国专利第4607247号中详细叙述了输出接口66，在美国专利第4729125号较详细叙述了输入接口。
技术熟练的人员根据上述情况可作出某些改型和改进。应理解，为了简明缘故，所有这些改型和改进均没有多述，但它们合理地包括在以下的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种控制光纤涡散式流量计的电子数字系统，包括光发射装置；光检测装置；连接到上述光发射装置和上述光检测装置的光连接装置，用于根据测量的变量改变从上述光发射装置到上述光检测装置的光的衰减；能发生一个正比于上述变化的光衰减量的数字电信号的装置；以及根据过程变量修正上述数字电信号的计算机装置。
2.根据权利要求1的系统，其中的上述计算机装置包括有对涡散式流量计进行双向通讯的数字装置。
3.根据权利要求1的系统，其中的上述计算机装置能够计算旋涡散射现象的非线性度，且以此为根据修正上述数字信号。
4.根据权利要求1的系统，其中上述过程变量之一是温度。
5.根据权利要求1的系统，其中上述发生装置包括一个消除上述光衰减平均峰值的反馈电路，以产生一个正比于上述光衰减调制的电信号。
全文摘要
一种光纤涡散式流量计的数字控制系统，它提供一种新型、改进了的前置放大器电路和一台计算机，用于修正温度非线性度及滞后作用。该控制系统克服了固有的旋涡散射现象的非线性，而且还提供了在一个中央控制单元和光纤涡散式流量计之间的双路通讯，改进了的前置放大器电路扩大了光纤涡散式流量计的低端范围。
文档编号G01F1/32GK1042604SQ8910664
公开日1990年5月30日 申请日期1989年8月30日 优先权日1988年11月7日
发明者戴维·威廉·乔登, 威廉·李·汤普森 申请人:巴布考克和威尔科斯公司