CN110398610B - 流速检测方法及光纤热线流速传感器探头 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种流速检测方法及光纤热线流速传感器探头，根据流速测量光栅处的对流传热功率、底座热传导换热功率、热辐射换热功率和探头储热功率，计算传感探头的有效传热系数；根据有效传热系数、导热体封装套管的散热面积和平均过余温度，计算传感探头的总换热量；根据传感探头的总换热量、流体流速与换热强度的关系，以及，流速测量光栅的波长漂移量与平均过余温度的关系，获取流速等效计算模型；流速等效计算模型是流体流速与流体温度的函数关系；解调流速测量光栅的波长漂移量，并根据流速等效计算模型，检测流体流速。本申请能提高光纤热线流速传感器探头的测量精度，使光纤热线流速传感器探头满足不同流体温度下的应用。
Description
技术领域
本申请涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种流速检测方法及光纤热线流速传感器探头。
背景技术
图1提供一种现有光纤热线流速传感器探头的结构示例，包括导热体封装套管1、流速测量光栅2、绝热底座3、流体温度测量光栅4、金属封装结构5、单模光纤6和激光器7，导热体封装套管1与金属封装结构5通过绝热底座3连接，导热体封装套管1套设于流速测量光栅2的外部，金属封装结构5套设于流体温度测量光栅4的外部，流速测量光栅2与单模光纤6之间通过流体温度测量光栅4连接，单模光纤6与激光器7连接。
激光器7发出特定波长的泵浦光，经单模光纤6和流体温度测量光栅4进入流速测量光栅2(掺杂光纤)，由于掺杂光纤吸收了激光能量会辐射热量，从而在导热体封装套管1内部形成特定的温度场，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而输出宽带光信号，起到宽带光源的作用，该宽带光信号在遇到流速测量光栅2时会形成特定的反射谱，通过波长解调可以检测流速测量光栅2对应的温度。同样的，该宽带光信号由光纤内部返回到流体温度测量光栅4时，也会形成相似的反映环境温度的反射谱，从而通过波长解调检测环境温度。因此，当将该探头置于流体中时，利用波长解调技术可以测量出流速测量光栅2和流体温度测量光栅4的温度，流体流速越大，带走的热量就越多，流速测量光栅2附近的温度就越低，因此通过温度与流体流速的负线性关系，即可实现流体流速的测量。
当将探头置于流体中时，根据能量守恒及换热分析，流速测量光栅2对应的温度场满足如下热平衡方程：
dQ＝dQconv+dQcond+dQrad+dQsto
其中，dQ为体积
(
A为导热体封装套管1的横截面积)对应的激光发热功率；dQconv、dQcond、dQrad、dQsto分别为体积
对应的对流传热功率、热传导换热功率、热辐射换热功率和探头储热功率，即包括四种换热形态。申请人在实践中发现，现有热线式流速传感器在计算分析时一般只考虑对流传热，而这种计算方式仅适用于线径比(即导热体封装套管1的长度与直径的比值)较大的探头。对于线径比较小的探头，其受流体介质温度的影响较大，四种散热形态都会受到影响，对流换热所占的比重将不再是一个定值，这种情况下如果仅考虑对流传热，将会导致流体流速的测量误差大。
发明内容
本申请提供一种流速检测方法及光纤热线流速传感器探头，以解决现有光纤热线流速传感器探头测量误差大的问题。
第一方面，本申请提供一种流速检测方法，包括：
根据流速测量光栅处的对流传热功率、底座热传导换热功率、热辐射换热功率和探头储热功率，计算传感探头的有效传热系数；
根据所述有效传热系数、导热体封装套管的散热面积和平均过余温度，计算所述传感探头的总换热量；所述平均过余温度为所述传感探头的平均轴向温度；
根据所述传感探头的总换热量、流体流速与换热强度的关系，以及，流速测量光栅的波长漂移量与所述平均过余温度的关系，获取流速等效计算模型；所述流速等效计算模型是流体流速与流体温度的函数关系；
解调流速测量光栅的波长漂移量，并根据所述流速等效计算模型，检测流体流速。
进一步地，按照如下公式计算传感探头的有效传热系数：
H＝(1+β)h
h＝hc+hr
式中，H为传感探头的有效传热系数，h为复合换热系数，hc为对流换热系数，hr为辐射换热系数，
为平均过余温度，kw为导热体封装套管的材料导热系数，Ac为导热体封装套管与流体温度测量光栅相连接一端的横截面积，l为导热体封装套管的长度，s为导热体封装套管的散热面积，d为导热体封装套管的直径，A为导热体封装套管的横截面积。
进一步地，按照如下公式计算所述传感探头的总换热量：
式中，Q为所述传感探头的总换热量，H为传感探头的有效传热系数，
为平均过余温度。
进一步地，所述流体流速与换热强度的关系为：
式中，Nu为努塞尔数，d为导热体封装套管的直径，kair为空气导热系数，a和b为流体修正系数，Re为雷诺数，n为指数，u为流体流速，l2为传感探头的特征长度，v为流体运动粘度。
进一步地，所述指数n表示为：
n＝B0+B1Te+B2Te 2+B3Te 3+...+BmTe m
式中，B0、B1…Bm为在标定温度下进行试验得到的拟合系数，Te为流体介质温度，m为多项式的项数。
进一步地，所述流速测量光栅的波长漂移量与所述平均过余温度的关系为：
式中，
为所述平均过余温度，kf为温度系数，Δλ为所述流速测量光栅的波长漂移量。
进一步地，所述流速等效计算模型为：
式中，u为流体流速，ae和be为等效修正系数。
第二方面，本申请提供一种光纤热线流速传感器探头，包括导热体封装套管、流速测量光栅、绝热底座、流体温度测量光栅、金属封装结构、单模光纤和激光器，导热体封装套管与金属封装结构通过绝热底座连接，导热体封装套管套设于流速测量光栅的外部，金属封装结构套设于流体温度测量光栅的外部，流速测量光栅与单模光纤之间通过流体温度测量光栅连接，单模光纤与激光器连接，还包括计算单元，所述计算单元被配置为执行如上述第一方面所述的流速检测方法。
本申请具备如下有益效果：本申请基于对流传热功率、底座热传导换热功率、热辐射换热功率和探头储热功率，计算传感探头的有效传热系数，在满足热平衡的条件下，认为探头储热功率为零，有效传热系数综合考虑上述几种传热形态下获取的换热系数；通过有效传热系数，结合导热体封装套管的散热面积和平均过余温度，即可计算传感探头的总换热量，然后构建流速的等效计算模型，通过解调波长漂移量即可测量流速。本申请适用于具有较小线径比的光纤热线流速传感器探头，综合考虑风速和流体介质温度对流速测量光栅处换热的影响，能够提高光纤热线流速传感器探头的测量精度，降低测量误差，进而可将传感器探头应用于不同流体温度环境下流速的高精度检测中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为现有光纤热线流速传感器探头的结构示意图
图2为本申请实施例示出的一种流速检测方法流程图。
图3为本申请实施例示出的流体介质温度Te与指数n的关系曲线图。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本申请所述的流速检测方法适用于光纤热线流速传感器探头，如图1所示，本申请实施例提供一种光纤热线流速传感器探头的结构，包括导热体封装套管1、流速测量光栅2、绝热底座3、流体温度测量光栅4、金属封装结构5、单模光纤6和激光器7，导热体封装套管1与金属封装结构5通过绝热底座3连接，导热体封装套管1套设于流速测量光栅2的外部，金属封装结构5套设于流体温度测量光栅4的外部，流速测量光栅2与单模光纤6之间通过流体温度测量光栅4连接，单模光纤6与激光器7连接。
本光纤热线流速传感器探头的工作原理为：激光器7发出特定波长的泵浦光，经单模光纤6和流体温度测量光栅4进入流速测量光栅2(掺杂光纤)，由于掺杂光纤吸收了激光能量会辐射热量，从而在导热体封装套管1内部形成特定的温度场，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而输出宽带光信号，起到宽带光源的作用，该宽带光信号在遇到流速测量光栅2时会形成特定的反射谱，通过波长解调可以检测流速测量光栅2对应的温度场。同样的，该宽带光信号由光纤内部返回到流体温度测量光栅4时，也会形成相似的反映环境温度的反射谱，从而通过波长解调检测环境温度场。因此，当将该探头置于流体中时，利用波长解调技术可以测量出流速测量光栅2和流体温度测量光栅4的温度，流体流速越大，带走的热量就越多，流速测量光栅2附近的温度就越低，因此通过温度与流体流速的负线性关系，即可实现流体流速的测量。
所述光纤热线流速传感器探头中还包括计算单元，所述计算单元被配置为如下所述的流速检测方法，所述方法包括如下程序步骤：
步骤S10，根据流速测量光栅处的对流传热功率、底座热传导换热功率、热辐射换热功率和探头储热功率，计算传感探头的有效传热系数。
步骤S20，根据所述有效传热系数、导热体封装套管的散热面积和平均过余温度，计算所述传感探头的总换热量。
当将探头置于流体中时，根据能量守恒及换热分析，流速测量光栅2对应的温度场满足如下热平衡方程：
dQ＝dQconv+dQcond+dQrad+dQsto (1)
其中，dQ为体积
(
A为导热体封装套管1的横截面积)对应的激光发热功率；dQconv、dQcond、dQrad、dQsto分别为体积
对应的对流传热功率、热传导换热功率、热辐射换热功率和探头储热功率，即包括四种换热形态。
具体地，公式(1)可表示为：
其中，πdhc(Tw-Te)dx表示对流传热功率，
表示热传导换热功率，πdσε(Tw 4-Te 4)dx表示热辐射换热功率，
表示探头储热功率，d为导热体封装套管的直径，hc为对流换热系数，Tw为探头温度(即环境温度)，Te为流体介质温度，kw为导热体封装套管的材料导热系数，A为导热体封装套管的横截面积，σ为黑体辐射常数，ε为不锈钢辐射发射率，ρ为不锈钢的密度，Cw分别为不锈钢的比热，dx表示导热体封装套管的长度微分，τ为时间。当探头达到热平衡时，探头温度Tw随时间τ的变化为0，即
这时探头储热功率为0，p0为激光入射光功率。因此在探头满足热平衡的条件下，本实施例主要考虑其他三种换热形态。
本实施例对几种换热方程采用无量纲比值等效代换的方式，将热辐射换热功率转化为公式(4)的形式：
πdσε(Tw 4-Te 4)dx＝πdhr(Tw-Te)dx (3)
通过这种等效代换，可以得到一个辐射传热系数hr，令h＝hc+hr，h为复合传热系数，这里复合传热系数h表征对流换热与辐射换热的复合。将公式(3)代入公式(2)后，对公式(2)进行积分处理后可得到公式(4)如下：
公式(3)中，θ为过余温度，θ＝Tw-Te，令
则公式(4)可转化为公式(5)：
其中，探头的轴向温度分布，即过余温度θ可表示为公式(6)所示：
θ0为导热体封装套管1的B端处对应的探头温度；l为导热体封装套管1的长度，即导热体封装套管1的A端与B端之间的长度；x表示在导热体封装套管1轴向上的位置。则沿导热体封装套管1长度方向进行积分，并计算平均过余温度
具体通过公式(7)来计算：
所述平均过余温度
为传感探头在导热体封装套管1长度方向上的平均轴向温度。在导热体封装套管1与绝热底座3的连接处，即图1中的B端，探头温度为θ0。传感探头的总换热量Q可表示为为公式(8)所示：
其中，Ac为B端处的横截面积，s为导热体封装套管的散热面积。由于绝热底座3采用绝热材料制作，并且绝热底座3具有一定高度，绝热底座3靠近流体温度测量光栅4一侧的温度趋于环境温度，则通过底座形成的热传导换热功率为公式(9)所示：
令：
令传感探头的有效传热系数H为：H＝(1+β)h，则通过以上公式的推导可得传感探头的总换热量Q为公式(11)所示：
在本实施例中，针对四种换热方程采用无量纲比值进行等效代换，得到传感探头的总换热量Q(等于激光入射光功率p0)与有效传热系数H的关系，避免了大量数值的解析求解，同时克服了常规光纤热线流速传感器探头中惯用的KING定律求解所带来的误差，使得流速检测精度更高。此外，本申请能够同时考虑对流传热、底座热传导换热、热辐射换热和为探头储热这四种换热形态，本申请对于具有较小线径比的光纤热线流速传感器探头同样适用，降低了测量误差。
步骤S30，根据所述传感探头的总换热量、流体流速与换热强度的关系，以及，流速测量光栅的波长漂移量与所述平均过余温度的关系，获取流速等效计算模型；所述流速等效计算模型是流体流速与流体温度的函数关系。
步骤S40，解调流速测量光栅的波长漂移量，并根据所述流速等效计算模型，检测流体流速。
传感探头的总换热量Q的计算可参照步骤S10和步骤S20中的详细说明。努塞尔数Nu是流体力学以及传热学中的一个无量纲数，其表示对流换热强烈程度的一个准数，又表示流体层的导热热阻与对流换热热阻的比值。本实施例中，在对流换热中，换热强度与气体流速相关，依据King定律，可将努塞尔数Nu定义为：
其中，
式中，d为导热体封装套管的直径；kair为空气导热系数；a和b为流体修正系数，一般通过试验标定得到，是与传感探头的尺寸结构、流体温度以及流速相关的参数；Re为雷诺数，表示流体惯性力和粘性力的比值，为无量纲常数；n为指数，通过试验数据拟合得到；u为流体流速；l2为传感探头的特征长度(可以看成是图1中导热体封装套管1的直径)；v为流体运动粘度。联立公式(11)、公式(12)和公式(13)，可得到流速等效计算模型如公式(14)所示：
其中，ae和be为等效修正系数，
为所述平均过余温度，其中，ae和be分别为：
指数n可通过试验数据拟合得到，指数n表示为：n＝B0+B1Te+B2Te 2+B3Te 3+...+BmTe m，指数n是关于Te的函数，即n＝f(Te)。
不同流体介质温度下，试验得到的校正系数ae、be和n存在着差异，实际工程应用时若每个温度都进行标定，工作量巨大，不切合实际；若以某一个实验标定时的温度进行应用时，又会带来较大误差。本实施例中，以流体介质为常压空气，在一定温度范围内，以0℃为实验标定温度为例，根据King定律得出等效修正系数ae＝257.193，等效修正系数be＝1.202，获取到的指数n与流体介质温度Te的关系如图3所示，将图3中的数据代入n＝f(Te)中，得到：n＝-4×10-6Te 2+4×10-4Te+1.4942。
本实施例中，流速测量光栅2和流体温度测量光栅4可选择光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅的波长漂移量和温度具有良好的线性关系，则流速测量光栅的波长漂移量Δλ与平均过余温度
的关系如公式(15)所示：
式中，kf为温度系数，为可通过试验得到的常数。将公式(15)代入公式(14)，则流速等效计算模型可转化为：
通过解调流速测量光栅的波长漂移量，即可根据公式(16)，测到不同流体介质温度下对应的流速。本实施例中，在公式(11)的基础上，可以通过选定标准流体温度作为参照，通过迭代求得等效修正系数ae和be，再将指数n对流体介质温度Te进行拟合，得到指数n与流体介质温度Te的多项式方程，进而可将传感器探头应用于不同流体温度环境下流速的高精度检测中。本实施例中，所述流体可以为液态或气态等形式的流动介质。本实施例所述的流速检测方法不限制应用于如图1所示的光纤热线流速传感器探头中，在实际应用中，还可应用于其他具有相似结构或相似原理的传感器中。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (7)
1.一种流速检测方法，其特征在于，包括：
根据流速测量光栅处的对流传热功率、底座热传导换热功率、热辐射换热功率和探头储热功率，计算传感探头的有效传热系数；
根据所述有效传热系数、导热体封装套管的散热面积和平均过余温度，计算所述传感探头的总换热量；所述平均过余温度为所述传感探头的平均轴向温度；
根据所述传感探头的总换热量、流体流速与换热强度的关系，以及，流速测量光栅的波长漂移量与所述平均过余温度的关系，获取流速等效计算模型；所述流速等效计算模型是流体流速与流体温度的函数关系；
解调流速测量光栅的波长漂移量，并根据所述流速等效计算模型，检测流体流速；
在满足热平衡的条件下，按照如下公式计算传感探头的有效传热系数：
H＝(1+β)h
h＝hc+hr
式中，H为传感探头的有效传热系数，h为复合换热系数，hc为对流换热系数，hr为辐射换热系数，
为平均过余温度，kw为导热体封装套管的材料导热系数，Ac为导热体封装套管与流体温度测量光栅相连接一端的横截面积，l为导热体封装套管的长度，s为导热体封装套管的散热面积，d为导热体封装套管的直径，A为导热体封装套管的横截面积。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照如下公式计算所述传感探头的总换热量：
式中，Q为所述传感探头的总换热量，H为传感探头的有效传热系数，
为平均过余温度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述流体流速与换热强度的关系为：
式中，Nu为努塞尔数，d为导热体封装套管的直径，kair为空气导热系数，a和b为流体修正系数，Re为雷诺数，n为指数，u为流体流速，l2为传感探头的特征长度，v为流体运动粘度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述指数n表示为：
n＝B0+B1Te+B2Te 2+B3Te 3+...+BmTe m
式中，B0、B1…Bm为在标定温度下进行试验得到的拟合系数，Te为流体介质温度，m为多项式的项数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述流速测量光栅的波长漂移量与所述平均过余温度的关系为：
式中，
为所述平均过余温度，kf为温度系数，Δλ为所述流速测量光栅的波长漂移量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述流速等效计算模型为：
式中，u为流体流速，ae和be为等效修正系数。
7.一种光纤热线流速传感器探头，包括导热体封装套管、流速测量光栅、绝热底座、流体温度测量光栅、金属封装结构、单模光纤和激光器，导热体封装套管与金属封装结构通过绝热底座连接，导热体封装套管套设于流速测量光栅的外部，金属封装结构套设于流体温度测量光栅的外部，流速测量光栅与单模光纤之间通过流体温度测量光栅连接，单模光纤与激光器连接，其特征在于，还包括计算单元，所述计算单元被配置为执行如权利要求1-6任一项所述的流速检测方法。
Priority Applications (1)
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