CN103759776A - 一种全光学化的气体质量流量监测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光学化的气体质量流量监测装置和方法，该装置包括加热光源、检测光源、光纤耦合器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、传感单元和光功率计，传感单元包括测量元件和参考元件，测量元件中的光热光纤上刻写有光纤光栅，参考元件中的普通单模光纤上刻写有光纤光栅。该方法是参考元件的温度保持不变，测量元件上的光热光纤在吸收加热光源发出的光能后温度上升，流经测量元件上光热光纤的气体带走光纤上的热量，使得测量元件与参考元件的温度差发生变化；检测这一温度差，通过数据标定，最终计算得到气体的质量流量。本发明具有全光学化、小型化、结构简单的优点，具有强的抗腐蚀性，并不会产生电火花，应用场合广泛。

Description

一种全光学化的气体质量流量监测装置和方法
技术领域
本发明涉及气体质量流量监测技术研究领域，特别涉及一种全光学化的气体质量流量监测装置和方法。
背景技术
目前，气体质量流量监测技术被广泛的应用于工业生产、能源计量、环境保护工程和交通运输等各个领域。该监测技术既可以进行气体质量流量计量工作，也可用于过程控制。市场上广泛使用的是热式气体质量流量计，这种流量计中的传感器是由热电阻组成，在进行监测时，通过电学的方法对传感元件加热。因此在监测过程中存在出现电火花的安全隐患，同时电热丝还容易受到腐蚀。在存在瓦斯气体、一氧化碳和乙炔等高危气体或者是氯气、氯化氢等腐蚀性气体的工作环境下，这类传统气体质量流量计就无法适用。
随着光纤技术的逐渐成熟，采用光纤进行监测成为研究热点。光纤主要由二氧化硅组成，具有非常强的抗腐蚀性，因此应用场合不受环境限制。同时光纤监测无需通过电子器件进行传感，因此避免了出现电火花的问题。其中，光热光纤是一种通过对光纤掺杂、将在光纤内传播的光能转化为热能的光纤。在传感领域，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）由于其对温度、应力、折射率变化非常敏感，而成为业内一个非常重要的传感器件。FBG反射光谱的中心波长与光纤纤芯的有效折射率成正比，而光纤纤芯的有效折射率受外界温度、应力影响，测量出FBG反射光谱的中心波长的变化量就可以知道光纤温度的变化。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种全光学化的气体质量流量监测装置，该装置具有全光学化、小型化、结构简单的优点，整个传感单元皆由光纤构成，具有非常强的抗腐蚀性，并且无产生电火花的隐患，应用场合广泛。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述全光学化的气体质量流量监测装置的监测方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种全光学化的气体质量流量监测装置，包括加热光源、检测光源、光纤耦合器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、传感单元和光功率计，所述传感单元包括测量元件和参考元件，其中，加热光源、检测光源、第一光纤环形器分别与光纤耦合器连接，测量元件经第一光纤环形器后与第二光纤环形器连接，参考元件与第二光纤环形器连接，第二光纤环形器的输出端与光功率计连接；所述测量元件包括光热光纤，在光热光纤上刻写有光纤光栅，工作时，光热光纤吸收加热光源发出的光能，所述参考元件包括普通单模光纤，在普通单模光纤上刻写有光纤光栅。
优选的，所述光热光纤长度小于1cm。
优选的，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅（FBG），其长度为1mm到5mm。
一种基于上述全光学化的气体质量流量监测装置的监测方法，参考元件的温度保持不变，测量元件上的光热光纤在吸收加热光源发出的光能后温度上升，流经测量元件上光热光纤的气体带走光纤上的热量，使得测量元件与参考元件的温度差发生变化；检测这一温度差，通过数据标定，最终计算得到气体的质量流量。
具体的，包括以下步骤：
（1）将所述监测装置放置于待测气体流通的管道中；
（2）开启加热光源和检测光源，测量元件上的光热光纤吸收加热光源发出的光能，使得测量元件的温度上升到一个相对高的温度，待测气体流经测量元件时，引起其上温度的变化，从而引起光纤光栅特征反射波长的变化；检测光源发出的光经过光纤耦合器和第一光纤环形器进入测量元件，然后被测量元件上的光纤光栅滤波并反射，经第一光纤环形器后到达第二光纤环形器和参考元件，再一次被参考元件上的光纤光栅滤波并反射，反射光经过第二光纤环形器进入光功率计；
（3）光功率计检测经两次光纤光栅反射的光功率，得到测量元件和参考元件的温度差，然后通过数据标定，计算出待测气体的质量流量。
优选的，所述加热光源的波长设置在光热光纤的吸收带内，并且不覆盖光纤光栅的特征反射波长，加热后测量元件的光纤光栅特征反射波长与参考元件的光纤光栅特征反射波长重合，检测光源的波长范围覆盖光纤光栅的特征反射波长。这里所述的特征反射波长指的是光纤光栅反射谱的中心波长。
优选的，通过调节加热光源的功率或者改变光热光纤的光热吸收系数来调节气体质量流量监测的灵敏度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明适用于气体质量流量计量和气体过程控制，与传统的气体质量流量计相比，本发明采用的传感单元是光纤传感元件，尺寸很小，采用全光设计结构，暴露在气体中的传感元件不需要任何电子器件，不会受外界电磁干扰，也不会产生电火花等安全隐患。
2、本发明的传感单元全部采用光纤，与电热丝相比，具有能长期稳定地在腐蚀性环境下工作的特点。
3、本发明采用光纤结构，监测信号能传输很长的距离，可以做到远程在线监控测量。
4、本发明采用的光纤光栅比较容易实现多个气体传感元件的串联，实现多点监控测量。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种全光学化的气体质量流量监测装置，包括加热光源1、检测光源2、光纤耦合器3、第一光纤环形器4、传感单元的测量元件5、第二光纤环形器6、传感单元的参考元件7和光功率计8，其中加热光源1、检测光源2、第一光纤环形器4均分别与光纤耦合器3连接，第一光纤环形器4还分别与测量元件5、第二光纤环形器6连接，第二光纤环形器6还分别与传感单元参考元件7、光功率计8连接。
如图中所示，光纤耦合器3包括3个接口，其中加热光源1与光纤耦合器3的a口3-1光连接，检测光源2与光纤耦合器3的b口3-2光连接，第一光纤环形器4与光纤耦合器3的c口3-3光连接。第一光纤环形器4同样有3个接口，其中，测量元件5通过光纤与光纤环形器4的Ⅱ口4-2光连接，第一光纤环形器4的Ⅲ口4-3与第二光纤环形器6的Ⅰ口6-1的连接，第一光纤环形器4的Ⅰ口4-1与光纤耦合器3的c口3-3光连接，第二光纤环形器6的Ⅱ口6-2与传感单元参考元件7连接，第二光纤环形器6的Ⅲ口6-3与光功率计8连接。
一种基于上述装置的全光气体质量流量监测的方法，包括以下步骤：
（1）将气体质量流量传感单元测量元件5和参考元件7置于待测气体流通的管道中。
（2）开启加热光源1和检测光源2，其中测量元件上的光热光纤吸收加热光源1发出的光能，使得测量元件的温度上升到达一个相对高的温度，待测气体流经测量元件5时，引起温度的变化，从而引起光纤光栅特征反射波长的变化；检测光源2发出的光经过光纤耦合器3和第一光纤环形器4进入气体传感单元测量元件5，然后被光纤光栅滤波并反射，经第一光纤环形器4先后到达第二光纤环形器6和参考元件7，再一次被光纤光栅滤波并反射，反射光经过第二光纤环形器6后进入光功率计8。所述加热光源1的波长设置在光热光纤的吸收带内，并且不覆盖光纤光栅的特征反射波长，加热后测量元件5的光纤光栅特征反射波长与参考元件7的光纤光栅特征反射波长重合，检测光源2的波长范围覆盖光纤光栅的特征反射波长。
（3）光功率计8用于检测经两次光栅反射的光功率，光功率反映了测量元件和参考元件的温度差，然后通过数据标定，计算出待测气体的质量流量。
本实施例中，加热光源1、检测光源2、光功率计8、光纤耦合器3、第一光纤环形器4和第二光纤环形器6均为成熟产品，光功率计8检测到的功率值与气体质量流量的数据标定算法为现有技术。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全光学化的气体质量流量监测装置，其特征在于，包括加热光源、检测光源、光纤耦合器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、传感单元和光功率计，所述传感单元包括测量元件和参考元件，其中，加热光源、检测光源、第一光纤环形器分别与光纤耦合器连接，测量元件经第一光纤环形器后与第二光纤环形器连接，参考元件与第二光纤环形器连接，第二光纤环形器的输出端与光功率计连接；所述测量元件包括光热光纤，在光热光纤上刻写有光纤光栅，工作时，光热光纤吸收加热光源发出的光能，所述参考元件包括普通单模光纤，在普通单模光纤上刻写有光纤光栅。
2.根据权利要求1所述的全光学化的气体质量流量监测装置，其特征在于，所述光热光纤长度小于1cm。
3.根据权利要求1所述的全光学化的气体质量流量监测装置，其特征在于，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅，其长度为1mm到5mm。
4.一种基于权利要求1所述的全光学化的气体质量流量监测装置的监测方法，其特征在于，参考元件的温度保持不变，测量元件上的光热光纤在吸收加热光源发出的光能后温度上升，流经测量元件上光热光纤的气体带走光纤上的热量，使得测量元件与参考元件的温度差发生变化；检测这一温度差，通过数据标定，最终计算得到气体的质量流量。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将所述传感单元放置于待测气体流通的管道中；
（2）开启加热光源和检测光源，测量元件上的光热光纤吸收加热光源发出的光能，使得测量元件的温度上升到一个相对高的温度，待测气体流经测量元件时，引起其上温度的变化，从而引起光纤光栅特征反射波长的变化；检测光源发出的光经过光纤耦合器和第一光纤环形器进入测量元件，然后被测量元件上的光纤光栅滤波并反射，经第一光纤环形器后到达第二光纤环形器和参考元件，再一次被参考元件上的光纤光栅滤波并反射，反射光经过第二光纤环形器进入光功率计；
（3）光功率计检测经两次光纤光栅反射的光功率，得到测量元件和参考元件的温度差，然后通过数据标定，计算出待测气体的质量流量。
6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，所述加热光源的波长设置在光热光纤的吸收带内，并且不覆盖光纤光栅的特征反射波长，加热后测量元件的光纤光栅特征反射波长与参考元件的光纤光栅特征反射波长重合，检测光源的波长范围覆盖光纤光栅的特征反射波长。
7.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，通过调节加热光源的功率或者改变光热光纤的光热吸收系数来调节气体质量流量监测的灵敏度。
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