CN101710004A

CN101710004A - 基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统

Info

Publication number: CN101710004A
Application number: CN200910191864A
Authority: CN
Inventors: 赵明富; 罗彬彬; 钟年丙; 胡新宇; 曹阳
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2029-12-11
Also published as: CN101710004B

Abstract

本发明提供了一种基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统，包括支架、若干组光纤Bragg光栅温度传感器线阵，其特征在于：所述支架由主轴、上支撑杆、下支撑杆、固定杆构成，所述上支撑杆沿径向设置在主轴的顶部，上支撑杆之间互成120度，所述下支撑杆沿径向设置在主轴的底部，下支撑杆分别与上支撑杆同向，在同向的上支撑杆和下支撑杆之间沿轴向设置固定杆；每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵由M个光纤Bragg光栅温度传感器和一根光纤构成，所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵分别固定在主轴和固定杆上；本发明将光纤Bragg光栅温度传感器线阵应用到生物膜式反应器内的温度场测量中，能够测量填料床段多层温度分布数据。

Description

基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统

技术领域

本发明涉及光纤Bragg光栅传感器，具体涉及基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统。

背景技术

以细菌为主体的微生物，在合适的环境条件下只要有附着生长的载体存在，就会在此载体表面形成微生物膜。人们通过人工强化技术将微生物膜引入到工业中的有机废气处理中，从而形成了生物膜式反应器，其实质是利用膜式反应器内微生物的生命活动将工业废气中的有机物甲苯、脂肪酸、乙醛等变成简单的无机物CO₂和H₂O及细胞质等。该技术中，人们最为关心的是膜式反应器对有机废气的降解速率和效率。

总结国内外关于生物膜式反应器对有机废气降解过程的理论和实验方面的研究工作，可以得出结论：生物膜式反应器中可以动态控制、并能够影响有机废气降解效率的热物理参数包括有机废气的浓度场和速度场、循环液的浓度场和速度场、反应器内温度场等。其中，反应器内的温度场的测量至关重要，如果能够实现膜式反应器内温度场的测量和场分布图像的三维重建，不仅为观察反应器内生物膜的生长环境条件提供有力的手段，还能为工业中膜式反应器的过程优化控制提供重要的参考数据。

目前，一般使用热电偶来测量反应器内的温度，但是，热电偶的体积较大，温度精度较低，若做成热电偶阵列的形式置于生物膜式反应器内，由于尺寸的限制，很难获得足够多的、足够精度的温度数据点，因此，这种测量方法并不利于生物膜式反应器内的温度场分布的重建。

发明内容

针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供测量精度高的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一个技术方案，一种基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统，包括支架、若干组光纤Bragg光栅温度传感器线阵，其特征在于：

所述支架由主轴、上支撑杆、下支撑杆、固定杆构成，所述上支撑杆沿径向设置在主轴的顶部，上支撑杆之间互成120度，所述下支撑杆沿径向设置在主轴的底部，下支撑杆分别与上支撑杆同向，在同向的上支撑杆和下支撑杆之间沿轴向设置固定杆；

每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵由M个光纤Bragg光栅温度传感器和一根光纤构成，其中，M为大于等于2的自然数，光纤Bragg光栅温度传感器线阵能够将光源发出的带宽光源，分成多个波峰，每个波峰分别与传感线阵中光纤Bragg光栅温度传感器的中心波长相对应；所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵分别固定在主轴和固定杆上，使光纤Bragg光栅温度传感器均匀的分布在生物膜反应器填料床段的径向和轴上，便于测量填料床段多层温度分布情况，实现了膜式反应器内温度场的测量和温度场分布图像的三维重建。

光纤Bragg光栅温度传感器是一种波长调制型的光纤传感器，通过紫外曝光引起光纤局部的折射率呈周期性变化的一种光子器件。光纤Bragg光栅温度传感器可以利用自身的特征参量——谐振中心波长λ_B的变化量Δλ_B与环境温度T的变化量ΔT的线性关系来实现温度的测量，即：

Δλ_B＝αΔT

式中，α为光纤Bragg光栅的温度传感系数，单位为pm/℃，典型的未经封装的裸光纤Bragg光栅的α≈10pm/℃。光纤Bragg光栅做为温度传感器，具有绝对测量、温度灵敏度高、温度精度高、线性度良好、可复用性、形成空间阵列、抗电磁干扰、抗化学腐蚀、抗核辐射、不受光源强度波动影响等优点，更重要的是，裸光纤Bragg光栅温度传感单元的长度最短可以做到1cm，且直径典型值约为125um，是目前世界上体积最小的温度传感器，因此，把裸光纤Bragg光栅温度传感器做成阵列系统非常适合于生物膜式反应器内的温度场分布的测量。

根据本发明所述的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统的一个优选方案，所述每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的光纤Bragg光栅温度传感器谐振中心波长相距5nm～15nm。

由于标准的光纤Bragg光栅的谐振中心波长的半宽带Δλ_1/2≈1nm。在1550nm处的温度灵敏度为10.00pm/℃，当温度从20℃变到100℃的过程中，其谐振中心波长λ_B的变化量Δλ_B不到1nm，因此，选用中心波长相距5nm～15nm的光纤传感器阵列可避免传感单元谐振中心波长Δλ_B或Δλ_BD重叠现象。

根据本发明所述的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统的一个优选方案，设置在每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的相邻光纤Bragg光栅温度传感器中心间隔50mm～200mm。

根据本发明所述的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统的一个优选方案，设置在相同的上支撑杆和下支撑杆之间的相邻固定杆之间的间距为30-50mm.

根据本发明所述的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统的一个优选方案，所述每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的光纤Bragg光栅温度传感器波长范围从1510nm～1590nm。

本系统所采用的光纤光栅解调仪的有效波长范围为：1510nm～1590nm，所以所述每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的光纤Bragg光栅温度传感器波长范围应在所采用的光纤光栅解调仪的有效波长范围内，能够使光纤Bragg光栅温度传感阵列系统使用同一光源和同一解调仪。

本发明所述的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统的有益效果是，将光纤Bragg光栅温度传感器线阵应用到生物膜式反应器内的温度场测量中，使光纤Bragg光栅温度传感器均匀的分布在生物膜反应器填料床段的径向和轴上，能够测量填料床段多层温度分布，实现了膜式反应器内温度场的测量和温度场分布图像的三维重建；具有利用同一光源和同一解调仪在反应器填料床段内构建多路传感器阵列的特点，并且具有将光源发出的带宽光源，分成多个波峰，每个波峰分别与传感阵列中传感单元的中心波长相对应的特点，能够提高温度传感器点阵密度，具有温度测量的灵敏度高、精度高、适应范围广、使用寿命长、传感单元体积小等优点，可广泛应用于生物、化工等行业。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1是本发明所述的支架结构示意图。

图2是本发明所述的光纤Bragg光栅温度传感器线阵分布示意图。

图3是本发明所述的光纤Bragg光栅温度传感器安装主视图。

图4是本发明所述的光纤Bragg光栅温度传感器安装俯视图。

图5是光纤光栅解调仪与光纤Bragg光栅温度传感线阵连接示意图。

图6是实施例2中本发明测得反应器填料床段径向温度分布图。

图7是实施例2中本发明测得反应器填料床段轴向温度分布图。

图8是实施例2中本发明测得反应器填料床段径向温度分布图。

图9是实施例2中本发明测得反应器填料床段轴向温度分布图。

具体实施方式

实施例1：参见图1、图2，基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统，由支架、若干组光纤Bragg光栅温度传感器线阵、光纤光栅解调仪构成，其中，所述支架由主轴2、上支撑杆3A、3B、3C、下支撑杆4A、4B、4C、固定杆5A、5B、5C、5D、5E、5F构成，所述上支撑杆3A、3B、3C沿水平方向设置在主轴2的顶部，上支撑杆3A、3B、3C之间互成120度，所述下支撑杆4A、4B、4C沿水平方向设置在主轴2的底部，下支撑杆4A、4B、4C分别与上支撑杆3A、3B、3C同向，在同向的上支撑杆和下支撑杆之间沿与主轴平行方向设置固定杆5A、5B、5C、5D、5E、5F；其中，支架可以选用有机玻璃材料，之所以采用有机玻璃是由于有机玻璃具有很小的导热系数，且具有良好的机械强度，便于光纤Bragg光栅温度传感器线阵固定；设置在相同的上支撑杆和下支撑杆之间的相邻固定杆5A与固定杆5B之间、固定杆5C与固定杆5D之间、固定杆5E与固定杆5F之间的间距为30-60mm；每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵由M个光纤Bragg光栅温度传感器6和一根光纤1构成，其中，M为大于等于2的自然数，所述每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的光纤Bragg光栅温度传感器波长范围从1510nm～1590nm；所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的光纤Bragg光栅温度传感器谐振中心波长相距5nm～15nm；所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵中相邻Bragg光栅温度传感器6间隔50-200mm；所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵分别固定在主轴2和固定杆5A、5B、5C、5D、5E、5F上。在主轴和固定杆上要放置光纤Bragg光栅单元的位置处设置长度为20～30mm，深度为1.5～2mm的凹槽7，光纤Bragg光栅传感器6放置在主轴2和固定杆5A、5B、5C、5D、5E、5F的凹槽7内，如图3、图4所示，在光纤Bragg光栅温度传感器6两端大约2.5mm处使用玻璃胶8粘贴固定在凹槽7边缘。

在进行生物膜式反应器内温度的测量时，支架的结构和尺寸以及光纤Bragg光栅温度传感器线阵将依据填料床段的结构和尺寸来确定。下面通过实施例2和实施例3加以说明。

实施例2：在本实施例中，需要测量温度的生物膜式反应器的主体部分为圆柱形，内直径为400mm，填料床段的内部高度为800mm，因此，采用主轴2高780mm、上支撑杆3A、3B、3C和下支撑杆4A、4B、4C的长度为180mm，支架采用有机玻璃材料，上支撑杆3A、3B、3C沿径向设置在主轴2的顶部，上支撑杆3A、3B、3C之间互成120度，所述下支撑杆4A、4B、4C沿径向设置在主轴2的底部，下支撑杆4A、4B、4C分别与上支撑杆3A、3B、3C同向，在每对同向的上支撑杆和下支撑杆之间沿轴向设置固定杆3根，固定杆的高度与主轴高度一致，也是780mm，其中一根固定杆中心与填料床段的内壁的距离为50mm，相邻固定杆之间的中心间距为50mm，另一根固定杆中心与主轴的距离为50mm。

将9组光纤Bragg光栅温度传感器线阵分别固定在9根固定杆上，将1组光纤Bragg光栅温度传感器线阵固定在主轴2上.

每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵由10个Bragg光栅温度传感器和一根光纤构成，每个Bragg光栅温度传感器的长度相等，大约为10mm，相邻的Bragg光栅温度传感器的中心间隔大约为80mm，所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的光纤Bragg光栅温度传感器谐振中心波长相距8nm，10个光纤Bragg光栅温度传感器谐振中心波长覆盖1510nm～1582nm的波段范围。

将支架和光纤Bragg光栅温度传感器线阵放入生物膜式反应器的填料床段内，按照图5方式进行连接，其中，光纤Bragg光栅温度传感器线阵通过3db耦合器14分别与光分路器12和光纤耦合器13连接，光分路器12接收宽带激光光源10的入射光线，光纤耦合器13与光纤光栅解调仪11连接，光纤光栅解调仪11与计算机连接，在线测量每个温度传感单元的温度大小。

测量数据：

在气-液两相来流温度均保持在恒温条件下，采用传感阵列对生物膜式反应器挂膜启动稳定后填料床段的温度测量数据图6、图7。

实验研究表明，在生物膜式反应器挂膜阶段，已经出现了温度分布，且轴向温差可达5.05℃，径向最大温差可达2.11℃。其原因是，由于反应器内填料陶瓷球、气-液两相流分布不均，从而引起生物膜分布不均，生物膜代谢产热不同，出现温度分布现象。

实施例3：在本实施例中，需要测量温度的生物膜式反应器的主体部分为圆柱形，内直径为240mm，填料床段的内部高度为500mm，因此，采用主轴2高480mm、上支撑杆3A、3B、3C和下支撑杆4A、4B、4C的长度为110mm，支架采用有机玻璃材料，上支撑杆3A、3B、3C沿径向设置在主轴2的顶部，上支撑杆3A、3B、3C之间互成120度，所述下支撑杆4A、4B、4C沿径向设置在主轴2的底部，下支撑杆4A、4B、4C分别与上支撑杆3A、3B、3C同向，在每对同向的上支撑杆和下支撑杆之间沿轴向设置固定杆2根，固定杆的高度与主轴高度一致，也是480mm，其中一根固定杆与填料床段的内壁的距离为40mm，另一根固定杆与主轴的距离为40mm，固定杆与固定杆之间的间距为40mm。

将6组光纤Bragg光栅温度传感器线阵分别固定在6根固定杆上，将1组光纤Bragg光栅温度传感器线阵固定在主轴2上.

每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵由5个Bragg光栅温度传感器和一根光纤构成，每个Bragg光栅温度传感器的长度相等，大约为10mm，相邻的Bragg光栅温度传感器中心的间距大约为100mm，所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的光纤Bragg光栅温度传感器谐振中心波长相距10nm，5个光纤Bragg光栅温度传感器谐振中心波长覆盖1530nm～1570nm的波段范围，每组FBG温度传感线阵的结构和参数完全相同。

将支架和光纤Bragg光栅温度传感器线阵放入生物膜式反应器的填料床段内，按照图5方式进行连接，其中，光纤Bragg光栅温度传感器线阵通过3db耦合器14分别与光分路器12和光纤耦合器13连接，光分路器12接收宽带激光光源10的入射光线，光纤耦合器13与光纤光栅解调仪11连接，光纤光栅解调仪11与计算机连接，其中，光纤光栅解调仪11选择美国MOI公司制作的光纤光栅解调仪：SM125-500，该光栅解调仪能够实时解调FBG的谐振中心波长λ_B，选择波长范围：1510nm～1590nm，波长精度：1pm，扫描频率：1Hz，4通道，对每个FBG的温度信号探测精度≤0.1℃，结合8通道光开关扩展模块，可以同时探测8路FBG温度传感线阵。并能通过其配套的软件系统，在线测量每个温度传感单元的温度大小。

实验数据：

在气-液两相来流温度均保持在恒温条件下，采用传感阵列对生物膜式反应器挂膜启动稳定后填料床段的温度测量数据如图8、图9所示。

实验研究表明，在生物膜式反应器挂膜阶段，已经出现了温度分布，且轴向温差可达2.48℃，径向最大温差可达0.75℃。其原因是，由于反应器内填料陶瓷球、气-液两相流分布不均，从而引起生物膜分布不均，生物膜代谢产热不同，出现温度分布现象。

通过上述实施例说明本系统可实时在线的测量生物膜式反应器内温度变化情况，将为工业中膜式反应器的过程优化控制提供重要的参考，对推动生物膜式反应的测量方法和技术的发展具有重要的意义。

Claims

1.基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统，包括支架、若干组光纤Bragg光栅温度传感器线阵，其特征在于：

所述支架由主轴(2)、上支撑杆(3A、3B、3C)、下支撑杆(4A、4B、4C)、固定杆(5A、5B、5C、5D、5E、5F)构成，所述上支撑杆(3A、3B、3C)沿径向设置在主轴(2)的顶部，上支撑杆(3A、3B、3C)之间互成120度，所述下支撑杆(4A、4B、4C)沿径向设置在主轴(2)的底部，下支撑杆(4A、4B、4C)分别与上支撑杆(3A、3B、3C)同向，在同向的上支撑杆和下支撑杆之间沿轴向设置固定杆(5A、5B、5C、5D、5E、5F)；

每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵由M个光纤Bragg光栅温度传感器(6)和一根光纤(1)构成，其中，M为大于等于2的自然数，所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵分别固定在主轴(2)和固定杆(5A、5B、5C、5D、5E、5F)上。

2.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统，其特征在于：所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的光纤Bragg光栅温度传感器谐振中心波长相距5nm～15nm。

3.根据权利要求2所述的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统，其特征在于：所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵中相邻Bragg光栅温度传感器(6)间隔50-200mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统，其特征在于：设置在相同的上支撑杆和下支撑杆之间的相邻固定杆(5A、5B、5C、5D、5E、5F)之间的间距为30-60mm。

5.根据权利要求4所述的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统，其特征在于：所述每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的光纤Bragg光栅温度传感器波长范围从1510nm～1590nm。