CN107179421B - 流速传感器探头及流速测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流速传感器探头及流速测量系统，涉及流速测量领域。所述流速传感器探头包括流速测量段光纤、测量光纤套管、温度补偿段光纤、补偿光纤封装结构和绝热连接结构，所述测量光纤套管套设于流速测量段光纤外侧，所述温度补偿段光纤封装于补偿光纤封装结构内侧，测量光纤套管和补偿光纤封装结构分别与绝热连接结构固定连接，温度补偿段光纤穿过绝热连接结构和流速测量段光纤耦合，绝热连接结构由绝热材料制成。相对于现有技术，本发明提供的流速传感器探头通过绝热连接结构将测量段光纤和补偿段光纤分离，使两者的温度场之间不发生相互干扰，提高了测量结果的准确性与精度，且整体结构稳定、机械性能好，适用于众多流速监测场所。

Description

流速传感器探头及流速测量系统

技术领域

本发明涉及流速测量领域，具体而言，涉及一种流速传感器探头及流速测量系统。

背景技术

流速测量在石油化工、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，热线式流速传感器具有测量精度高、量程广的特点，在众多领域有着广泛的应用。但其自身带电，在易燃易爆等场合应用存在安全隐患。鉴于上述现象，伴随着光纤技术的发展，光纤热式流速流量传感器开始受到广泛关注。

对于光纤热式流速流量传感器的研究，中国专利申请号201210016727.X，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。其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。

中国专利申请号201310040905.7，名称为“一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器”的发明专利，介绍了一种激光泵浦的掺杂光纤光栅流量传感器。其包括温度补偿段光纤和流量测量段光纤；流量测量段光纤为掺杂光纤，其纤芯中写入了光纤光栅A，温度补偿段光纤为普通单模光纤，其纤芯写入光纤光栅B；利用泵浦激光器泵浦流量测量段光纤，其温度和光纤光栅A的波长随风速变化。

上述两个发明仅仅阐述了通过泵浦激光作用特种光纤产生热线效应，并无具体传感器探头的设计。

中国专利申请号201210016705.3，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，公开了一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器。在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，尾纤从其中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，并且其温度补偿段光纤靠近尾纤的一端。

中国专利申请号201510671265.9，名称为“一种有源式光纤光栅法布里—珀罗干涉仪管道流量计”的发明专利，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。

上述两个发明提供的光纤流量流速传感器仅用于管道内监测，光纤无具体保护措施，易折易断影响使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流速传感器探头及流速测量系统，能够有效改善上述问题。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种流速传感器探头，其包括流速测量段光纤、测量光纤套管、温度补偿段光纤、补偿光纤封装结构和绝热连接结构，所述测量光纤套管套设于所述流速测量段光纤外侧，所述温度补偿段光纤封装于所述补偿光纤封装结构内侧，所述测量光纤套管和所述补偿光纤封装结构分别与所述绝热连接结构固定连接，所述温度补偿段光纤穿过所述绝热连接结构和所述流速测量段光纤耦合，所述绝热连接结构由绝热材料制成。

在本发明较佳的实施例中，所述流速测量段光纤为刻有测量光栅的掺杂光纤，所述温度补偿段光纤为刻有补偿光栅的单模光纤。

在本发明较佳的实施例中，所述测量光纤套管远离所述绝热连接结构的一端封闭、靠近所述绝热连接结构的一端开口，所述测量光纤套管开口的一端设置有卡片结构，所述测量光纤套管通过所述卡片结构与所述绝热连接结构固定连接。

在本发明较佳的实施例中，所述绝热连接结构包括套管底座和连接件，所述套管底座和所述连接件固定连接，所述套管底座上设置有卡槽结构，所述测量光纤套管和所述套管底座卡接，所述连接件上设置有卡扣，所述补偿光纤封装结构上设置有卡扣槽，所述连接件和所述补偿光纤封装结构卡接，所述套管底座和所述连接件均设置有同轴孔，所述温度补偿段光纤依次经过所述同轴孔和所述测量光纤套管的一端开口与所述流速测量段光纤耦合。

在本发明较佳的实施例中，所述套管底座和所述连接件螺纹连接，所述连接件将所述测量光纤套管的所述卡片结构抵压在所述套管底座的所述卡槽结构内。

在本发明较佳的实施例中，所述测量光纤套管和所述流速测量段光纤之间填充有硅脂，所述测量光纤套管的一端开口通过耐高温胶密封，所述耐高温胶还用于将所述流速测量段光纤和所述测量光纤套管的相对位置固定。

在本发明较佳的实施例中，所述温度补偿段光纤自由安装于所述补偿光纤封装结构内侧，所述温度补偿段光纤和所述流速测量段光纤耦合的一端固定，所述温度补偿段光纤远离所述流速测量段光纤的一端处于松弛状态。

在本发明较佳的实施例中，所述测量光纤套管由高导热材料制成，所述补偿光纤封装结构由高导热材料制成。

在本发明较佳的实施例中，所述绝热连接结构由玻璃纤维增强型PPS制作而成。

第二方面，本发明实施例还提供了一种流速测量系统，其包括如上所述的流速传感器探头和激光器，所述激光器和所述流速传感器探头中的温度补偿段光纤耦合。

本发明实施例提供的流速传感器探头及流速测量系统，通过将测量光纤套管套设在流速测量段光纤外侧，以及将温度补偿段光纤设置在补偿光纤封装结构内侧，使得流速测量段光纤和温度补偿段光纤均得到了保护；另外，通过在测量光纤套管和补偿光纤封装结构之间设置绝热连接结构，使测量段光纤附近的温度场和补偿段光纤附近的温度场通过绝热材料分离，而不会发生相互干扰。和现有技术相比，本发明提供的流速传感器探头及流速测量系统的结构稳定，相对于裸露的光纤具有更加良好的机械性能，且测量段和补偿段的温度场相互分离，其测量结果准确、精度高；同时，该传感器的结构简单、独立而不依赖于固定的使用场合，体积小、方便安装，可灵活适用于众多流速监测场所。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的流速传感器探头的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的测量光纤套管的结构示意图；

图3为图1中A位置的放大图；

图4为图1中B位置的放大图；

图5为本发明第一实施例提供的套管底座的结构示意图；

图6为本发明第一实施例提供的连接件的结构示意图；

图7为本发明第一实施例提供的补偿光纤封装结构的结构示意图；

图8为本发明第二实施例提供的流速测量系统的结构示意图。

图标：100-测量光纤套管；120-流速测量段光纤；140-硅脂；200-套管底座；220-卡片结构；240-卡槽结构；300-连接件；320-卡扣；400-补偿光纤封装结构；420-温度补偿段光纤；440-卡扣槽；500-光缆连接头；520-光缆；600-激光器；1000-流速传感器探头；2000-流速测量系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，“输入”、“输出”、“反馈”、“形成”等术语应理解为是描述一种光学、电学变化或光学、电学处理。如“形成”仅仅是指光信号或电信号通过该元件、仪器或装置之后发生了光学上或电学上的变化，使得所述光信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案或解决技术问题所需要的信号。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述流速传感器探头及流速测量系统中各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的光路方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供了一种流速传感器探头1000，其包括流速测量段光纤120、测量光纤套管100、温度补偿段光纤420、补偿光纤封装结构400和绝热连接结构。所述测量光纤套管100套设于所述流速测量段光纤120外侧，所述温度补偿段光纤420封装于所述补偿光纤封装结构400内侧，所述测量光纤套管100和所述补偿光纤封装结构400分别与所述绝热连接结构固定连接，所述温度补偿段光纤420穿过所述绝热连接结构和所述流速测量段光纤120耦合。本实施例中，所述补偿光纤封装结构400远离测量光纤套管100的一侧开口连接有光缆连接头500，所述温度补偿段光纤420远离流速测量段光纤120的一端尾纤由光缆520引出。

本实施例中，所述绝热连接结构包括套管底座200和连接件300，所述套管底座200和所述连接件300固定连接，所述测量光纤套管100和所述套管底座200固定连接，所述补偿光纤封装结构400和所述连接件300固定连接。所述套管底座200和所述连接件300均由绝热材料制成。

本实施例中，所述流速测量段光纤120为刻有测量光栅的掺杂光纤，所述温度补偿段光纤420为刻有补偿光栅的单模光纤，所述掺杂光纤和所述单模光纤熔接。可以理解的是，所述测量光栅和所述补偿光栅均为刻在光纤结构中的布拉格光栅，所述测量光栅设置于流速测量段光纤120的中间位置，所述补偿光栅设置于温度补偿段光纤420的中间位置。所述流速测量段光纤120用于对测量光纤套管100加热形成特定温度场并测量该温度场的温度，所述温度补偿段光纤420则用于感知测量环境下正常温度场的温度。

本实施例中，所述套管底座200和所述连接件300的中心轴线位置处均设置有同轴孔作为光纤通道，所述温度补偿段光纤420依次经过所述同轴孔和所述测量光纤套管100的一端开口与所述流速测量段光纤120耦合。可以理解的是，所述同轴孔也可以设置在与所述套管底座200和所述连接件300的中心轴线平行的任一轴线的位置上，当设置于中心轴线时，两侧光纤附近为轴对称结构，形成的温度场最均匀，测量效果最好。

请参照图2，本实施例中，所述测量光纤套管100远离所述绝热连接结构的一端封闭，用于保护流速测量段光纤120不受流体环境的机械影响；其靠近所述绝热连接结构的一端开口，为使流速测量段光纤120和温度补偿段光纤420能够通过光纤在传感器探头的内部直接耦合提供了可能。其中，测量光纤套管100开口的一端设置有卡片结构220，所述测量光纤套管100通过所述卡片结构220与所述绝热连接结构固定连接。

请参照图3，本实施例中，所述测量光纤套管100可以采用导热系数较高的纯铜制作，在测量光纤套管100和流速测量段光纤120之间的空间中填充有导热性良好的硅脂140。采用高导热材料制作的测量光纤套管100可以使流速测量段光纤120对温度的测量更准确，而填充硅脂140则能够使流速测量段光纤120受热均匀形成稳定的温度场，从而在提升导热效果的同时避免啁啾现象。

请参照图4和图5，本实施例中，所述套管底座200上设置有卡槽结构240，所述测量光纤套管100通过设置在一端开口处的卡片结构220和所述套管底座200上的卡槽结构240配合卡接。其中，所述连接件300的同轴孔内径大于测量光纤套管100的内径，而小于套管底座200上卡槽结构240的内径，此时，连接件300的顶面刚好将测量光纤套管100的卡片结构220抵压在套管底座200的卡槽结构240内，且连接件300的顶面与套管底座200的内侧顶壁紧密配合，使得测量光纤套管100、套管底座200和连接件300三者组成的结构更加稳定可靠。

本实施例中，所述测量光纤套管100的一端开口通过耐高温胶密封，以阻止硅脂140从测量光纤套管100的开口处流出并进入连接件300的同轴孔内，起到隔绝测量光纤套管100与连接件300之间的导热，从而进一步分离测量段温度场和补偿段温度场的作用。所述耐高温胶还用于将所述流速测量段光纤120和所述测量光纤套管100的相对位置固定，以使流速测量段光纤120附近的温度场保持稳定。

请参照图5和图6，本实施例中，所述套管底座200的内侧壁设置有内螺纹，所述连接件300的上端凸出部分的外侧壁设置有外螺纹，以使所述套管底座200和所述连接件300螺纹连接。可以理解的是，组装时先将测量光纤套管100从套管底座200的内侧通过套管底座200顶部的同轴孔伸出，并将卡片结构220卡入卡槽结构240内，再将连接件300从套管底座200的底部向上旋转进行螺纹连接，直到连接件300的顶面与套管底座200的内侧顶壁配合，并将卡片结构220牢牢固定在卡槽结构240内。

请参照图1、图6和图7，本实施例中，所述连接件300上设置有卡扣320，所述补偿光纤封装结构400上设置有和所述卡扣320形状对应的卡扣槽440，所述卡扣320卡入所述卡扣槽440内，以使所述连接件300和所述补偿光纤封装结构400卡接。所述补偿光纤封装结构400采用机械性能好、导热系数良好的铝合金材料制成，其远离所述连接件300的一端设置有光缆连接头500螺纹孔，且在整个封装结构内部设置有台阶孔。

本实施例中，所述温度补偿段光纤420自由安装于所述补偿光纤封装结构400内侧，所述温度补偿段光纤420和所述流速测量段光纤120耦合的一端固定，所述温度补偿段光纤420远离所述流速测量段光纤120的一端处于松弛状态。可以理解的是，所述温度补偿段光纤420通过和固定在测量光纤套管100中的流速测量段光纤120熔接使其一端固定，而其相对的另一端为自由端，悬空在所述补偿光纤封装结构400中，这样温度补偿段光纤420不受到封装结构直接外力的影响，可以避免应变干扰。

本实施例中，优选的，所述测量光纤套管100的内径为0.3mm，壁厚为0.1mm，长度为8mm；卡片结构220和卡槽结构240的直径为0.6mm，厚度为0.2mm；所述套管底座200和连接件300的外径相同均为10mm，其上开设的同轴孔直径为0.5mm，内外螺纹结构的直径同为6mm；所述补偿光纤封装结构400的外径为10mm；所采用掺杂光纤和单模光纤的直径均为0.25mm，其中，掺杂光纤的长度为8mm，掺杂光纤上刻写的测量光栅和单模光纤上的补偿光栅间距20mm。

本实施例中，优选的，使用的掺杂光纤为高浓度掺钴光纤。可以理解的是，对应不同波长的泵浦光源，还可以使用掺有不同稀土元素的掺杂光纤。

本实施例中，所述测量光纤套管100还可以替换为其他的高导热材料，例如银、铝等金属或合金。

本实施例中，所述测量光纤套管100、套管底座200、连接件300和补偿光纤封装结构400之间的各个固定连接方式可以是多样的，只要能够实现固定连接即可。

本实施例中，优选的，所述套管底座200是由绝热材料-玻璃纤维增强型PPS(聚苯硫醚)制作而成，可减少热量通过热传输的方式损失。同样的，连接件300也可由玻璃纤维增强型PPS制成，将测量光纤套管100和补偿光纤封装结构400进行分离，可避免补偿光栅受掺杂光纤释放的热量影响。可以理解的是，套管底座200和连接件300还可以替换成其他机械性能好的绝热材料。

本实施例提供的流速传感器探头1000采用了高导热材料制成的测量光纤套管100和补偿光纤封装结构400来保护流速测量段光纤120和温度补偿段光纤420，相比于裸露的光纤具有更加优异的机械性能，并通过填充硅脂140的方式能够形成稳定的温度场，使传感器对温度的响应更为精确；通过将测量光栅和补偿光栅通过绝热材料分离，使加热温度场和环境温度场之间不发生相互干扰，提高了测量结果的准确性和精度；同时，该传感器探头的整体结构稳固可靠，体积小而精简，方便安装和使用，能够适用于众多的流速监测场所。

第二实施例

请参照图8，本实施例提供了一种流速测量系统2000，其包括上述第一实施例中所述的流速传感器探头1000和激光器600，所述激光器600和所述流速传感器探头1000中的温度补偿段光纤420耦合。本实施例中，所述激光器600通过光缆连接头500与流速传感器探头1000连接，并经温度补偿段光纤420的尾纤输入泵浦光。

具体的工作原理是，由激光器600发出的特定波长的泵浦光经温度补偿段光纤420(单模光纤)进入流速测量段光纤120(掺杂光纤)，由于掺杂光纤吸收了激光能量会辐射出热量，对测量光纤套管100开始加热形成特定的温度场。另一方面，掺杂光纤在特定波长的泵浦光作用下发生放大的自发辐射输出宽带光信号，起到宽带光源的作用，该宽带光信号在遇到测量光栅时会形成特定的反射谱，通过波长解调可以检测出流速测量段光纤120对应的温度场。同样的，该宽带光信号由光纤内部返回到补偿光栅的位置时，也会形成相似的反映环境温度的反射谱，即通波长解调可以检测出温度补偿段光纤420对应的环境温度场。因此，当流速传感器探头1000置于流体中时，利用波长解调技术可以实时测量出两段光纤的温度，显然，流体流速越大，带走的热量就越大，光栅附近的温度就越低，温度与流体流速成负线性关系，从而可以进一步计算出流体的流量。

可以理解的是，由于绝热连接结构的存在，补偿光栅并不受掺杂光纤释放热量的影响，从而提供了当前环境温度的准确测量。

综上所述，本发明实施例提供的流速传感器探头及流速测量系统，通过将测量光纤套管套设在流速测量段光纤外侧，以及将温度补偿段光纤设置在补偿光纤封装结构内侧，使得流速测量段光纤和温度补偿段光纤均得到了保护；另外，通过在测量光纤套管和补偿光纤封装结构之间设置绝热连接结构，使测量段光纤附近的温度场和补偿段光纤附近的温度场通过绝热材料分离，而不会发生相互干扰。和现有技术相比，本发明提供的流速传感器探头及流速测量系统的结构稳定，相对于裸露的光纤具有更加良好的机械性能，且测量段和补偿段的温度场相互分离，其测量结果准确、精度高；同时，该传感器的结构简单、独立而不依赖于固定的使用场合，体积小、方便安装，可灵活适用于众多流速监测场所。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种流速传感器探头，其特征在于，包括流速测量段光纤、测量光纤套管、温度补偿段光纤、补偿光纤封装结构和绝热连接结构，所述测量光纤套管套设于所述流速测量段光纤外侧且所述测量光纤套管远离所述绝热连接结构的一端封闭，所述温度补偿段光纤封装于所述补偿光纤封装结构内侧，所述测量光纤套管和所述补偿光纤封装结构分别与所述绝热连接结构固定连接，所述温度补偿段光纤穿过所述绝热连接结构和所述流速测量段光纤耦合，所述绝热连接结构由绝热材料制成。

2.根据权利要求1所述的流速传感器探头，其特征在于，所述流速测量段光纤为刻有测量光栅的掺杂光纤，所述温度补偿段光纤为刻有补偿光栅的单模光纤。

3.根据权利要求1所述的流速传感器探头，其特征在于，所述测量光纤套管靠近所述绝热连接结构的一端开口，所述测量光纤套管开口的一端设置有卡片结构，所述测量光纤套管通过所述卡片结构与所述绝热连接结构固定连接。

4.根据权利要求3所述的流速传感器探头，其特征在于，所述绝热连接结构包括套管底座和连接件，所述套管底座和所述连接件固定连接，所述套管底座上设置有卡槽结构，所述测量光纤套管和所述套管底座卡接，所述连接件上设置有卡扣，所述补偿光纤封装结构上设置有卡扣槽，所述连接件和所述补偿光纤封装结构卡接，所述套管底座和所述连接件均设置有同轴孔，所述温度补偿段光纤依次经过所述同轴孔和所述测量光纤套管的一端开口与所述流速测量段光纤耦合。

5.根据权利要求4所述的流速传感器探头，其特征在于，所述套管底座和所述连接件螺纹连接，所述连接件将所述测量光纤套管的所述卡片结构抵压在所述套管底座的所述卡槽结构内。

6.根据权利要求3所述的流速传感器探头，其特征在于，所述测量光纤套管和所述流速测量段光纤之间填充有硅脂，所述测量光纤套管的一端开口通过耐高温胶密封，所述耐高温胶还用于将所述流速测量段光纤和所述测量光纤套管的相对位置固定。

7.根据权利要求6所述的流速传感器探头，其特征在于，所述温度补偿段光纤自由安装于所述补偿光纤封装结构内侧，所述温度补偿段光纤和所述流速测量段光纤耦合的一端固定，所述温度补偿段光纤远离所述流速测量段光纤的一端处于松弛状态。

8.根据权利要求1所述的流速传感器探头，其特征在于，所述测量光纤套管由高导热材料制成，所述补偿光纤封装结构由高导热材料制成。

9.根据权利要求1所述的流速传感器探头，其特征在于，所述绝热连接结构由玻璃纤维增强型PPS制作而成。

10.一种流速测量系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的流速传感器探头和激光器，所述激光器和所述流速传感器探头中的温度补偿段光纤耦合。