CN105890679A - 局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置，包括入口法兰、测试管和出口法兰，高压端光纤法珀压力传感器连第一环形器，第一环形器连第一光源和第一光学信号解调系统，第一光学信号解调系统连第一线阵CCD相机，低压端光纤法珀压力传感器连第二环形器，第二环形器连第二光源和第二光学信号解调系统，第二光学信号解调系统连第二线阵CCD相机，第一线阵CCD相机和第二线阵CCD相机连信号调理采集电路，信号调理采集电路连数据处理单元。方法：高压力信号和低压力信号导致法珀腔长度变化，高压端电信号和低压端电信号送到数据处理单元，计算流体流量。本发明解决了温度对压力式流量测试的交叉敏感问题，提高了流量测试精度。

Description

局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置与测试方法

技术领域

本发明涉及一种装置和方法，更具体的说，是涉及一种局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置与方法。

背景技术

当前工业生产中，流量测试场合广泛。流量测试方法主要集中在涡轮式、涡街式、文丘里管压力式、电磁式等常规方法上。随着光纤传感技术的发展，以及流量测试环境的多样化，为了实现防磁、防爆、高温高压等恶劣环境下的流量检测，结合光纤传感测试法有良好的防磁防爆抗干扰能力，目前有较多基于光纤传感技术的流量检测方法研究。

张文涛等人公布了一种基于光纤测力的流量计(中国发明专利申请201210464779.3)，通过导流结构将主管道内流体按照一定流速比例导流到测试支管内，在支管内通过测力膜片装置传递给光纤传感结构实现流量测试。李天诗等人公布了一种油田井下光纤流量传感器(中国发明专利申请201310174087.X)，采用耐高压的不锈钢膜片封装而成，通过测试压力致光程差实现流量检测。

Hua Xia等人公布了一种适用于恶劣环境下的光纤传感系统(专利号：US2011/0170823AI)，光纤传感器结构由具有周期性或准周期性的微晶体或二氧化硅四面体以及一个适应于光纤裸纤的外包层结构组成。Mikko J等人公布了一款流量检测用光纤系统(专利号：US2014/0260588AI)，传感器装置于钻杆头端，采用双光纤光栅实现小流量测试。

虽然光纤光栅传感技术可实现流量测试，但因其温度敏感性强，所以会受到温度交叉影响；因此，如何解决高温高压环境下现有光纤流量检测技术中存在的流量测试受到温度交叉敏感影响等问题，已经成为当前光纤流量检测技术的重点研究方向。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置与方法，在传感结构不探入管道内的特点，简化了光纤流量测试装置的结构设计，同时基于光纤法珀压力传感器与绝对相位差同步解调解决了温度对压力式流量测试的交叉敏感问题，提高了流量测试精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置，由装置本体构成，所述装置本体包括由左至右依次连接的入口法兰、测试管和出口法兰，所述测试管左右两端设置为直线型，中部设置为圆弧型，所述测试管中部圆弧型管壁上下两侧沿对称轴线分别设置有与测试管相连通的内部设置有传输光线的高压端光纤法珀压力传感器和低压端光纤法珀压力传感器；

所述高压端光纤法珀压力传感器连接有第一环形器，所述第一环形器连接有第一光源和第一光学信号解调系统，所述第一光学信号解调系统连接有第一线阵CCD相机，所述低压端光纤法珀压力传感器连接有第二环形器，所述第二环形器连接有第二光源和第二光学信号解调系统，所述第二光学信号解调系统连接有第二线阵CCD相机，所述第一线阵CCD相机的输出端和第二线阵CCD相机的输出端均与信号调理采集电路的输入端相连接，所述信号调理采集电路的输出端连接数据处理单元。

所述高压端光纤法珀压力传感器和低压端光纤法珀压力传感器均通过辅助连接装置与测试管固定连接，所述辅助连接装置设置为中空圆柱体，所述辅助连接装置包括由外而内依次设置的固接结构、密封结构和密封填料层。

所述高压端光纤法珀压力传感器和低压端光纤法珀压力传感器均采用激光熔接技术进行封装，均采用单晶硅片和腐蚀有坑的玻璃片形成法珀腔。

所述测试管中部圆弧型管段的弯曲角度设置为30°～360°，弯径比设置为1.1～2.5。

所述测试管两端直线型管段的长度均设置为被测管道直径的5～10倍。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

一种局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置的测试方法，包括以下步骤：

(1)将所述局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置与被测管道连接，打开第一光源和第二光源，流体流过测试管中部圆弧型管段时，在圆弧型管段的外侧和内侧形成高压力集中区和低压力集中区；

(2)所述高压端光纤法珀压力传感器和低压端光纤法珀压力传感器分别感应测试管中部圆弧型管段的高压力信号和低压力信号，高压力信号和低压力信号分别直接作用于高压端光纤法珀压力传感器膜片和低压端光纤法珀压力传感器膜片，导致其法珀腔长度均发生变化，高压力信息和低压力信息均隐含在各自的反射光信号变化的光程差中；

(3)所述高压端的反射光信号通过第一环形器输入到第一光学信号解调系统，所述低压端的反射光信号通过第二环形器输入到第二光学信号解调系统，第一光学信号解调系统和第二光学信号解调系统将分别含有不同光程差信息的反射光信号解调为空间低相干干涉图样；

(4)所述第一线阵CCD相机接收来自第一光学信号解调系统的空间低相干干涉图样，并将其转化为高压端电信号，所述第二线阵CCD相机接收来自第二光学信号解调系统的空间低相干干涉图样，并将其转化为低压端电信号；

(5)所述高压端电信号和低压端电信号均通过信号调理采集电路输送到数据处理单元，首先求出高低压端绝对相位差Δα_s，然后根据公式求出高低压端绝对压力差ΔP，其中，E为膜片材料特性弹性模量，D为膜片直径，l为膜片厚度，v为泊松比，k_s为s点波数；最后根据强制旋流理论计算得到被测管道内的流体流量Q，其中，β为修正系数，R为测试管中部圆弧型管段的曲率半径，A为测试管中部圆弧型管段的内径，ρ为流体密度。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中，测试管中部设置为圆弧型，在圆弧型管壁上下分别设置有与测试管相连通的高压端光纤法珀压力传感器和低压端光纤法珀压力传感器，不探入测试管内部，消除了对测试管内流场的扰动性影响；

(2)本发明中，高压端光纤法珀压力传感器和低压端光纤法珀压力传感器采用激光熔接封装技术和差压非对称双传感器布置结构，有效降低了高温环境下温度交叉敏感导致的测试误差；

(3)本发明中，由于采用高低压端绝对相位差的差求解管道内流体的流量，从算法上避免了温度压力的交叉敏感，提高了管道内流体流量的测试精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是高压端光纤法珀压力传感器整体密封固接结构截面图；

图3是低压端光纤法珀压力传感器整体密封固接结构截面图。

附图标记:1入口法兰；2测试管；3出口法兰；4高压端光纤法珀压力传感器；5低压端光纤法珀压力传感器；6固接结构；7密封结构；8密封填料层；9第一光源；10第二光源；11第一环形器；12第二环形器；13第一光学信号解调系统；14第二光学信号解调系统；15第一线阵CCD相机；16第二线阵CCD相机；17信号调理采集电路；18数据处理单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1和图3所示，本发明的局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置，由装置本体构成，所述装置本体包括由左至右依次连接的入口法兰1、测试管2和出口法兰3，所述入口法兰1和出口法兰3用于与被测管道相连接，所述测试管2左右两端均设置为直线型，中部设置为圆弧型，所述测试管2两端直线型管段的长度均设置为被测管道直径的5～10倍，所述测试管2中部圆弧型管段的弯曲角度设置为30°～360°，优选为90°，圆弧型管段中心线半径与测试管2内径之比称之为弯径比，所述弯径比设置为1.1～2.5，优选为1.44。所述测试管2中部圆弧型管壁上下两侧沿对称轴线分别设置有与测试管2相连通的内部设置有传输光线的高压端光纤法珀压力传感器4和低压端光纤法珀压力传感器5，所述高压端光纤法珀压力传感器4和低压端光纤法珀压力传感器5的端面均贴近圆弧型管段的内壁但不探入圆弧型管段内。所述传输光纤形式并不局限于多模光纤一种形式，还包括大芯径光纤、单模光纤等，所述传输光线用于实现光学信号的传输，包括入射光和出射光，所述传输光纤与光纤法珀压力传感器固定连接一体，并通过连接法兰实现光纤法珀压力传感器与光源及信号处理系统的连接。

所述高压端光纤法珀压力传感器4和低压端光纤法珀压力传感器5均采用激光熔接技术进行封装，整体无传统胶封，避免了胶封时的高温形变，且均采用单晶硅片和腐蚀有微坑的玻璃片形成法珀腔。单晶硅片形成压力感应膜片，抗高温玻璃片微坑深度形成法珀腔体的初始长度为100μm～300μm。高压端光纤法珀压力传感器4和低压端光纤法珀压力传感器5直径均设置为1mm～10mm，长度均设置为5mm～40mm。

所述高压端光纤法珀压力传感,4和低压端光纤法珀压力传感器5均通过辅助连接装置与测试管2固定连接，所述辅助连接装置设置为中空圆柱体，所述辅助连接装置包括由外而内依次设置的中空的固接结构6和密封结构7，所述密封结构7内设置有高压端光纤法珀压力传感器4或低压端光纤法珀压力传感器5，所述高压端光纤法珀压力传感器4与密封结构7之间设置有耐高温的密封填料层8，还可采用O形圈和垫片加强密封。所述低压端光纤法珀压力传感器5与密封结构7之间设置有密封填料层8，所述密封结构7采用高强度不锈钢材料，通过螺纹方式与固接结构6连接，底部可设置有限位端台，控制高压端光纤法珀压力传感器4和低压端光纤法珀压力传感器5在贴近测试管2内壁的同时不探入其内部。

所述高压端光纤法珀压力传感器4连接有第一环形器11，所述第一环形器11连接有第一光源9和第一光学信号解调系统13，第一光学信号解调系统13连接有第一线阵CCD相机15，所述低压端光纤法珀压力传感器5连接有第二环形器12，所述第二环形器12连接有第二光源10和第二光学信号解调系统14，所述第二光学信号解调系统14连接有第二线阵CCD相机16，所述第一线阵CCD相机15的输出端和第二线阵CCD相机16的输出端均与信号调理采集电路17的输入端相连接，所述信号调理采集电路17的输出端连接数据处理单元18。所述第一光源9和第二光源10均采用宽带光源。所述第一光学信号解调系统13和第二光学信号解调系统14均包括沿光路依次设置的光学柱面准直镜、光学起偏器、光楔、检偏器和解调信号输出接口等。所述光学柱面准直镜实现光纤法珀传感器反射信号的校准，使其尽量垂直输入到光学起偏器中；所述光学起偏器完成光学信号寻常光O光和非寻常光E光的分离，实现偏振光提取；所述光楔实现光学信号的等厚干涉功能，完成空间低相干干涉信号的等效转换；所述检偏器实现干涉信号叠加，获取最大干涉强度信号；所述解调信号输出接口为光学借条信号的输出接口，与所述线阵CCD相机密封接触，避免外界自然光的干扰输入。所述信号调理采集电路17实现多通道CCD电信号的采集提取，以及采集信号传输给后续数据处理单元18，型号包括但不局限于嵌入式多通道高频数据采集设备、NIUSB系列数据采集卡(如6210、6341、6361等)。

上述局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置的测试方法，包括以下步骤：

首先，将所述局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置与被测管道连接，打开第一光源9和第二光源10，发射光分别进入第一环形器11和第二环形器12后入射到高压端光纤法珀压力传感器4法珀腔和低压端光纤法珀压力传感器5法珀腔内。当流体以一定流速流过测试管2，通过中部圆弧型管段时在1/2弯角外侧和内侧壁面，因流体离心运动测试管2承受的压力发生变化，分别形成高压力集中区和低压力集中区，产生与流速有一定关系的压力差。

然后，所述高压端光纤法珀压力传感器4和低压端光纤法珀压力传感器5分别感应测试管2中部圆弧型管段的高压力信号和低压力信号，高压力信号和低压力信号分别直接作用于高压端光纤法珀压力传感器4膜片和低压端光纤法珀压力传感器5膜片，导致其法珀腔长度均发生变化，从而导致反射光发生偏移使得光程差不断发生变化，最终使高压力信息和低压力信息均隐含在各自的反射光信号变化的光程差中。

其次，所述高压端的反射光信号通过第一环形器11输入到第一光学信号解调系统13，所述低压端的反射光信号通过第二环形器12输入到第二光学信号解调系统14，第一光学信号解调系统13和第二光学信号解调系统14分别将含有不同光程差信息的反射光信号解调为空间低相干干涉图样。

所述第一线阵CCD相机15接收来自第一光学信号解调系统13的空间低相干干涉图样，并将其转化为高压端电信号，所述第二线阵CCD相机16接收来自第二光学信号解调系统14的空间低相干干涉图样，并将其转化为低压端电信号。

所述高压端电信号和低压端电信号均通过信号调理采集电路17输送到数据处理单元18(嵌入式系统或PC工业电脑)，完成信号处理与显示等。

首先，结合空间低相干干涉理论求高低压端绝对相位，需要求得某波数点s的相对相位及干涉级次m。

s点的绝对相位计算表达式：

其中，P(s)为低相干干涉信号fft变换后的频域值，m为fft变换后求解所得干涉级次；arctan{Im(P(s))/Re(P(s))}定义为s点的相对相位

高压端绝对相位：

低压端绝对相位：

其中，为高压端相对相位，为低压端相对相位，m_h为高压端干涉级次，m_l为低压端干涉级次。高低压端s点相对相位的值取fft变换后中心频率(去直流分量后能量最大处一阶频率)值对应的相位值近似为0。

因此，得到简化后的高低压端绝对相位差计算表达式：

根据绝对压力差和绝对相位差之间存在的关系：

$\mathrm{\Δ}P={\mathrm{\Δ\α}}_s\frac{16{\mathrm{El}}^3}{3{\left(\frac{D}{2}\right)}^4(1-v^2)}\left(\frac{1}{-2k_s}\right)---\left(5\right)$

式中，E为膜片材料特性弹性模量，D为膜片直径，l为膜片厚度，v为泊松比，k_s为s点波数。

依据流体力学中的强制旋流理，可推导出流体流量和高低压端绝对相位差的关系：

$\begin{array}{c}Q={\mathrm{\β\πA}}^2\sqrt{\frac{R}{2A}}\·\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}}}\\ ={\mathrm{\β\πA}}^2\sqrt{\frac{R}{2A}}\·\sqrt{\frac{16{\mathrm{El}}^3}{-6k_s{\left(\frac{D}{2}\right)}^4\mathrm{\ρ}(1-v^2)}{\mathrm{\Δ\α}}_s}\\ =\frac{8\·{\mathrm{\β\πA}}^2}{D^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{El}}^{3}R}{-3{\mathrm{Ak}}_s\mathrm{\ρ}(1-v^2)}{\mathrm{\Δ\α}}_s}\end{array}---\left(6\right)$

式中，Q为流体流量，β为修正系数，R为测试管中部圆弧型管段的曲率半径，A为测试管中部圆弧型管段的内径，ρ为流体密度。

如此，可计算求解被测管道内流体的流量。因高、低压端测试压力点在同一圆周截面上，结合管道局部流体温度场分布等势性，知两点温度分布场近似相同，则此时因温度变化导致光纤法珀腔长微变在高低压端上相同，从而使得反射光绝对相位内含有等量温度应变成分，那么采用先对高低压端测试所得绝对相位进行差值处理方法，可更进一步消除等温场下温度交叉敏感，最终提高流量测试精度。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置，由装置本体构成，其特征在于，所述装置本体包括由左至右依次连接的入口法兰、测试管和出口法兰，所述测试管左右两端设置为直线型，中部设置为圆弧型，所述测试管中部圆弧型管壁上下两侧沿对称轴线分别设置有与测试管相连通的内部设置有传输光线的高压端光纤法珀压力传感器和低压端光纤法珀压力传感器；

所述高压端光纤法珀压力传感器连接有第一环形器，所述第一环形器连接有第一光源和第一光学信号解调系统，所述第一光学信号解调系统连接有第一线阵CCD相机，所述低压端光纤法珀压力传感器连接有第二环形器，所述第二环形器连接有第二光源和第二光学信号解调系统，所述第二光学信号解调系统连接有第二线阵CCD相机，所述第一线阵CCD相机的输出端和第二线阵CCD相机的输出端均与信号调理采集电路的输入端相连接，所述信号调理采集电路的输出端连接数据处理单元。

2.根据权利要求1所述的局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置，其特征在于，所述高压端光纤法珀压力传感器和低压端光纤法珀压力传感器均通过辅助连接装置与测试管固定连接，所述辅助连接装置设置为中空圆柱体，所述辅助连接装置包括由外而内依次设置的固接结构、密封结构和密封填料层。

3.根据权利要求1所述的局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置，其特征在于，所述压端光纤法珀压力传感器和低压端光纤法珀压力传感器均采用激光熔接技术进行封装，均采用单晶硅片和腐蚀有坑的玻璃片形成法珀腔。

4.根据权利要求1所述的局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置，其特征在于，所述测试管中部圆弧型管段的弯曲角度设置为30°～360°，弯径比设置为1.1～2.5。

5.根据权利要求1所述的局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置，其特征在于，所述测试管两端直线型管段的长度均设置为被测管道直径的5～10倍。

6.一种权利要求1至4任意一项所述的局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将所述局部弯曲导流的光纤法珀式流量测试装置与被测管道连接，打开第一光源和第二光源，流体流过测试管中部圆弧型管段时，在圆弧型管段的外侧和内侧形成高压力集中区和低压力集中区；

(2)所述高压端光纤法珀压力传感器和低压端光纤法珀压力传感器分别感应测试管中部圆弧型管段的高压力信号和低压力信号，高压力信号和低压力信号分别直接作用于高压端光纤法珀压力传感器膜片和低压端光纤法珀压力传感器膜片，导致其法珀腔长度均发生变化，高压力信息和低压力信息均隐含在各自的反射光信号变化的光程差中；

(3)所述高压端的反射光信号通过第一环形器输入到第一光学信号解调系统，所述低压端的反射光信号通过第二环形器输入到第二光学信号解调系统，第一光学信号解调系统和第二光学信号解调系统将分别含有不同光程差信息的反射光信号解调为空间低相干干涉图样；

(4)所述第一线阵CCD相机接收来自第一光学信号解调系统的空间低相干干涉图样，并将其转化为高压端电信号，所述第二线阵CCD相机接收来自第二光学信号解调系统的空间低相干干涉图样，并将其转化为低压端电信号；

(5)所述高压端电信号和低压端电信号均通过信号调理采集电路输送到数据处理单元，首先求出高低压端绝对相位差Δα_s，然后根据公式求出高低压端绝对压力差ΔP，其中，E为膜片材料特性弹性模量，D为膜片直径，l为膜片厚度，v为泊松比，k_s为s点波数；最后根据强制旋流理论计算得到被测管道内的流体流量Q，其中，β为修正系数，R为测试管中部圆弧型管段的曲率半径，A为测试管中部圆弧型管段的内径，ρ为流体密度。