CN105333909A - 一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计，涉及测量技术。圆形直管的同一个横截面设有一组安装孔，安装孔贯通圆形直管相对应的表面，安装孔的中轴线相互平行，圆形直管相对应的表面的一对安装孔穿过光纤，在圆形直管内腔的光纤串接光纤光栅法布里—珀罗干涉结构，光纤连接有泵浦激光器。本发明解决了现有技术在管道流量计易受强电磁干扰、仅可管道风速测量、金属薄膜易脱落造成测量稳定性不佳的技术问题。本发明的有益效果为：通过调节泵浦激光功率就可以对测量灵敏度、范围进行调节，操作简单。光纤光栅法布里—珀罗干涉结构矩阵式排布，消除了测量误差。传感器无需金属镀膜，有效地提高了流量计使用稳定性。

Description

一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计

技术领域

本发明涉及测试测量装置，尤其是涉及一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计的结构。

背景技术

流量测量在石油化工、生物医学、能源计量、环境监测等领域占据着举足轻重的地位，是过程控制、贸易计量和科学研究中的重要测量手段。光纤流量传感器是一种本质安全、抗电磁干扰、耐腐蚀的新型传感器，适用于分布式测量，具有大容量数据传输能力。近年来，光纤流量传感器发展迅速，种类繁多，如强度调制型光纤涡街流量传感器、频率调制型光纤多普勒流量传感器及波长调制型靶式光纤布拉格光栅流量传感器。此类传感器是一种以传感单元物理性变化为基础的被动式无源流量传感器，制作简单、应用广泛，但不具备性能可调性，测量参数单一。

随着光纤传感技术的发展，一种新型的主动有源光纤流量传感器出现并逐步发展，它具有多参数测量、灵敏度及测量范围可调等优点。其实现方法为将光纤或光纤光栅与金属吸收材料相结合，利用泵浦源对金属材料的激励作用改变传感局部特性并实现传感性能可调节功能。目前，国内外报道较多的为光纤光栅(fiberBragggrating,FBG)点式和光散射分布式两种有源流量传感器，均采用电源或激光激励对传感区域金属材料进行调制。电源泵浦的光纤有源流量传感器虽然减少了光纤中构建光耦合单元的程序，降低了制作难度，但电的引入无疑使得光纤传感器的天然优势不复存在，如抗电磁干扰能力，耐腐蚀性等，而且增加了系统的链路，使得系统变得庞大、笨重。与之相比，光激励有源光纤流量传感器无需增加额外链路，具有无可比例的优越性，在生物化学、食品加工、石油化工、工业控制等领域有着巨大的潜在应用价值。

在管道内实现流量测量的主要方法有：1、建立流量传动装置，例如漩涡发生体、流线型机体等，通过测量传动参数获得管道流量；2、测量管道单点风速，以此推算出管道流量。光纤式流量计通常采用第二种方法来实现管道流量的测量。中国专利授权公告号CN102564505B，授权公告日2014年7月30日，名称为“基于光纤光栅的热线式流量传感器件”的发明专利，提供了一种采用激光泵浦的金属镀膜光纤光栅流量传感器。包括温度补偿段光纤和流量测量段光纤；温度补偿段光纤纤芯写入第一光纤光栅，流量测量段光纤纤芯写入第二光纤光栅，第二光纤光栅所在光纤的包层表面镀有一层金属离子形成金属膜，温度补偿段光纤和流量测量段光纤之间的错位熔接区的耦合率通过调整温度补偿段光纤和流量测量段光纤端面的横向错位距离来实现；第二光纤光栅的尺寸为4mm；错位熔接区横向错位距离为7～8μm，错位熔接区反射率为5dB；金属离子形成金属膜是使用真空蒸发镀膜机进行镀银的，镀银长度为4mm，镀银厚度为25nm，银的外表面镀上SiO2，厚度为100nm。该技术方案实现了单点风速的测量。中国专利授权公告号CN102564504B，授权公告日2013年9月4日，名称为“多截面分布式光纤光栅热式流量传感器”的发明专利，提供了一种多个光纤光栅热线式流量传感流量传感器结构。在测量管道的管壁上沿轴向设有多个钻孔，在每个径向截面上设有2个以上钻孔，每个钻孔中分别安装密封连接件，光纤通过密封连接件固定在钻孔内，尾纤分别从各自相对的一个钻孔中引出，每个光纤中均串接一个光纤光栅热式流量传感器件，同一径向截面上光纤光栅热式流量传感器件保持均匀分布，并且光纤光栅热式流量传感器件的温度补偿段光纤靠近尾纤的一端；光纤光栅热式流量传感器件包括：温度补偿段光纤和流量测量段光纤；温度补偿段光纤纤芯写入第一光纤光栅，流量测量段光纤纤芯写入第二光纤光栅，第二光纤光栅所在光纤的包层表面镀有一层金属离子形成金属膜，位于温度补偿段光纤和流量测量段光纤之间的错位熔接区的耦合率通过调整温度补偿段光纤和流量测量段光纤端面的横向错位距离来实现。该技术方案实现了管道内部不同横截面的多点风速测量。上述发明仅仅实现了管道内单点、多点的风速大小测量，无法对管道流体流量大小进行有效测量。且传感器件采用金属薄膜具有易脱落、易氧化的缺点，长期测量稳定性不佳。

发明内容

为了解决现有技术存在管道流量计易受强电磁干扰、仅可管道风速测量、金属薄膜易脱落造成测量稳定性不佳的技术问题，本发明提供一种根据待测流量环境状况，测量性能可调节、测量稳定性好、抗电磁干扰，能实现管道内流量的准确测量的管道流量计。

本发明的技术方案是：一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计，它包括圆形直管，圆形直管的同一个横截面设有一组安装孔，安装孔贯通圆形直管相对应的表面，安装孔的中轴线相互平行，圆形直管相对应的表面的一对安装孔穿过光纤，在圆形直管内腔的光纤串接光纤光栅法布里—珀罗干涉结构，光纤连接有泵浦激光器。通过调节泵浦激光功率就可以对测量灵敏度、范围进行调节，操作简单。光纤光栅法布里—珀罗干涉结构矩阵式排布，消除了测量误差，管道流量测量更准确。

作为优选，光纤光栅法布里—珀罗干涉结构包括依次排列的单模光纤布拉格光栅Ⅰ、掺杂光纤和单模光纤布拉格光栅Ⅱ，三段光纤熔接一体外表面为光滑面；传感器无需金属镀膜，有效地提高了流量计使用稳定性，降低了制作难度及成本。

作为优选，过圆形直管(1)中轴线设平面CC，平面CC与设有安装孔的横截面夹角成直角，掺杂光纤过中心的横截面与平面CC重合。

作为优选，圆形直管孔径为D，设有安装孔的横截面到圆形直管入口端的距离为L，L与D关系为：L≥5D；确保传感区域流量充分发展。

作为优选，光纤另一端穿过安装孔伸出圆形直管外悬空，光纤悬空端面与光纤中轴线夹角为7°—9°；消除端面菲涅尔反射对传感信号的影响。

作为优选，圆形直管两端设有法兰；方便与待测管道密封连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过调节泵浦激光功率就可以对测量灵敏度、范围进行调节，操作简单。光纤光栅法布里—珀罗干涉结构矩阵式排布，消除了测量误差，管道流量测量更准确。传感器无需金属镀膜，有效地提高了流量计使用稳定性，降低了制作难度及成本。

附图说明

附图1为本发明连接示意图；

附图2为图1中A-A剖视图；

附图3为图2中B的放大立体图。

图中：1-圆形直管；2-光纤；3-密封紧固件；11-法兰；12-安装孔；21-引出光纤Ⅰ；22-光纤光栅法布里—珀罗干涉结构；23-引出光纤Ⅱ；221-单模光纤光栅Ⅰ；222-掺杂光纤；223-单模光纤光栅Ⅱ。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1、2和3所示，一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计，它包括圆形直管1，圆形直管1孔径为D。圆形直管1两端设有法兰11，法兰11设有通孔。圆形直管1的同一个横截面设有一组安装孔12，安装孔12的数量排列位置由管道直径及速度面积法确定的特征点情况决定。安装孔12的中轴线相互平行。设有安装孔12的横截面到圆形直管1入口端的距离为L，L与D关系为：L≥5D。图1中虚线箭头表示圆形直管1内流体的方向。安装孔12贯通圆形直管1相对应的表面。安装孔12贯通圆形直管1的上、下管壁。上管壁安装孔12与下管壁安装孔12的中轴线重合，成为一对安装孔12。圆形直管1相对应的表面的一对安装孔12穿过光纤2。光纤2从上管壁安装孔12穿入，经过圆形直管1内腔从下管壁安装孔12穿出。在圆形直管1内腔的光纤2串接光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22。光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22包括从上往下依次排列的单模光纤光栅Ⅰ221、掺杂光纤222和单模光纤光栅Ⅱ223。三段光纤熔接一体外表面为光滑面。单模光纤光栅Ⅰ221和单模光纤光栅Ⅱ223均为光纤布拉格光栅，光学特性相同，栅区长度均为L_g。掺杂光纤222长度为L_d，掺的杂质是钴。单模光纤光栅Ⅰ221上端连接有引出光纤Ⅰ21，引出光纤Ⅰ21另一端连接有泵浦激光器(图中未示)。单模光纤光栅Ⅱ223下端连接有引出光纤Ⅱ23。引出光纤Ⅱ23另一端穿过安装孔12伸出圆形直管1外悬空，光纤2悬空端面与光纤2中轴线夹角为8°。引出光纤Ⅰ21和引出光纤Ⅱ23与安装孔12连接处设有密封紧固件3。密封紧固件3既防止流体流出，又可对光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22固定，使其处于垂直状态。图1和2中点划线和字母CC表示过圆形直管1中轴线的平面CC，图中为水平面。平面CC与设有安装孔12的横截面(即图1中的AA剖面)夹角成直角。即图1中AA剖面为垂直面。掺杂光纤222过中心的横截面与平面CC重合。所有光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22都布置在垂直面中且相互平行形成矩阵结构。

在安装前，根据圆形管道1直径确定光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22的数量再按公式(1)确定光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22的布置位置：

$R_i=R\sqrt{\frac{2i-1}{2n}}$ (1)

式中：

R_i为第i个光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22掺杂光纤222到圆形直管1中轴线的距离

i为第i个光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22，

n为光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22个数，

R为圆形直管1半径。

按光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22的数量和分布位置钻安装孔12。

将圆形直管1安装到待测管道。在安装孔12中穿光纤2，用密封紧固件3将光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22固定。

选择谐振波长λ_R：

(2)

式中n_eff.d和n_eff.g分别为掺杂光纤和单模光纤有效折算率。

根据谐振波长λ_R的变化量便可求出光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22所在位置的流体流速v_i。根据速度面积法，待测管道的流量Q可计算为：

(3)

式中：

i为第i个光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22，

n为光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22个数，

A为圆形直管1横截面面积。

由于圆形直管1足够长即满足L≥5D，流体在到达光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22之前形成充分发展的湍流流动，利于实际管道流量的准确计算。当流体经过光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22时，各个光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22中的部分热量会被带走。由于热胀冷缩效应，掺杂光纤222的长度将会发生改变，进而使得光纤光栅法布里—珀罗干涉结构22的谐振波长λ_R发生漂移。显然，流体流速越大，带走的热量就越大，腔长的变化就越大，谐振波长变化就越大，λ_R与流体流速成负线性关系。当泵浦激光的注入功率增大时，干涉仪初始温度场也将变大，从而增大了干涉仪谐振波长的变化量，提高了测量灵敏度和精度。另外，当泵浦激光关闭时，干涉仪谐振波长反应了环境温度大小，通过建立谐振波长与环境温度反演关系，可以对环境温度进行实时测量。

Claims (6)

1.一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计，它包括圆形直管（1），其特征在于：所述圆形直管（1）的同一个横截面设有一组安装孔（12），所述安装孔（12）贯通圆形直管（1）相对应的表面，安装孔（12）的中轴线相互平行，圆形直管（1）相对应的表面的一对安装孔（12）穿过光纤（2），在圆形直管（1）内腔的光纤（2）串接光纤光栅法布里—珀罗干涉结构（22），光纤（2）连接有泵浦激光器。

2.根据权利要求1所述的一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计，其特征在于：所述光纤光栅法布里—珀罗干涉结构（22）包括依次排列的单模光纤光栅Ⅰ（221）、掺杂光纤（222）和单模光纤光栅Ⅱ（223），三段光纤熔接一体外表面为光滑面。

3.根据权利要求1或2所述的一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计，其特征在于：过圆形直管（1）中轴线设平面CC，平面CC与设有安装孔（12）的横截面夹角成直角，掺杂光纤（222）过中心的横截面与平面CC重合。

4.根据权利要求1所述的一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计，其特征在于：所述圆形直管（1）孔径为D，设有安装孔（12）的横截面到圆形直管（1）入口端的距离为L，L与D关系为：L≥5D。

5.根据权利要求1所述的一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计，其特征在于：所述光纤（2）另一端穿过安装孔（12）伸出圆形直管（1）外悬空，光纤（2）悬空端面与光纤（2）中轴线夹角为7°—9°。

6.根据权利要求1所述的一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计，其特征在于：所述圆形直管（1）两端设有法兰（11）。