CN111678615A - 一种温度检测的光纤光栅液位传感器 - Google Patents

一种温度检测的光纤光栅液位传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及液位检测技术领域，具体涉及一种温度检测的光纤光栅液位传感器。本发明引入碳纤维管作为加热元件，通过加热碳纤维管对光纤布拉格光栅温度传感阵列进行加热调制，然后通过对液体和气体吸热速率差异的测量，实现液体液位高度的检测。本发明传感器，在保证测量精度和测量范围的同时使其适用于易燃易爆的危险液体环境，并且解调成本低。为实际应用中多种场景下具有大测量范围需求的液位检测提供了一种可靠的测量手段。

Description

一种温度检测的光纤光栅液位传感器
技术领域
本发明涉及液位检测技术领域，基于光纤传感技术，具体涉及一种温度检测的光纤光栅液位传感器。
背景技术
在工业工程领域，液位测量技术具有非常广泛的应用。在工业生产过程中，要求所使用的液位传感器测量对象广，测量精度高，具有良好的可靠性和实用性，并适用于液体具有腐蚀性和易燃易爆性等特殊环境中的测量。光纤传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、灵敏度高、抗电磁干扰、可远程测量和易于复用的优势，并且可以用于易燃易爆等危险场景。因此发展基于光纤传感技术的大范围连续液位测量方法具有十分重要的意义。
常见的光纤液位传感器主要基于光纤内马赫-曾德尔干涉结构(MZI)、光纤内法布里－珀罗干涉结构(FPI)以及光纤光栅结构。光纤光栅具有自参考能力，不受波动的光源水平和其他光噪声的影响，且具有线性输出、灵敏度高、动态范围大、易于在单根光纤上复用的特点，因而受到广泛的关注。
近些年将光纤光栅用于液位检测的技术层出不穷，2014年10月在专利号为CN104089682A的专利中就公开了一种全光型光纤油罐液位检测装置，2018年4月在专利号为CN107941306A的专利中公开了一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器。可见光纤液位传感方向还有很多技术细节值得去挖掘和研究，也显示出工业上对液体液位检测技术的需求。工业生产中液体原料液位的测量是液位检测的重要应用领域。对于工业场景下的液位检测，测量环境要求较高，而光纤液位传感器具有无源、抗电磁干扰的特点，因此非常适用于工业应用中液位的测量。
2015年7月，在专利号为US 9074921 B1的美国专利中，公开了一种光纤光栅液位传感器，该液位传感器使用金属线对全同弱反射光纤光栅阵列进行加热调制，来测量液位高度。然而，金属线的加热效率不高、功耗较大，使得检测过程中加热调制的周期较长，不适用于对液位检测实时性要求较高的领域。另外，由于金属线的注入电流较高，对于易燃易爆液体，使用金属线加热存在着较大的安全隐患，因此金属线不太适用于危险液体的检测。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有光纤光栅液位传感器不太适合在易燃易爆的危险液体中使用的问题，本发明提供了一种温度检测的光纤光栅液位传感器，在保证测量精度和测量范围的同时使其适用于易燃易爆的危险液体环境。
一种温度检测的光纤光栅液位传感器，由碳纤维管、脉冲加热控制器、信号解调仪与光纤布拉格光栅温度传感阵列构成。
所述碳纤维管与脉冲加热控制器通过导线连接，作为加热调制的热源，碳纤维管接收脉冲加热控制器发出的信号，被脉冲加热控制器控制产生热量并传递给与其外部并行贴附设置的光纤布拉格光栅温度传感阵列，对光纤布拉格光栅温度传感阵列进行周期性的循环加热调制。碳纤维管加热效率高、注入电流小，更适用于易燃易爆液体的液位测量。
所述光纤布拉格光栅温度传感阵列并行贴附于碳纤维管外部，一端连接信号解调仪；脉冲加热控制器控制碳纤维管对光纤布拉格光栅温度传感阵列进行周期性的循环加热。光纤布拉格光栅温度传感阵列周围的介质吸收该激发热量，由于液体与空气的热传导特性的差异，液体与空气在加热调制过程中的吸热速率不同。信号解调仪通过光纤布拉格光栅温度传感阵列，对气体和液体的吸热速率进行测量。
所述信号解调仪采集光纤布拉格光栅温度传感阵列反射的传感信号，传感信号被其解调，从而获得不同高度介质的吸热速率，从而确定液体与气体交界面的位置，准确地确定液位高度。
进一步的，使用时，该温度检测的光纤光栅液位传感器：其碳纤维管垂直固定在目标容器底部，且光纤布拉格光栅温度传感阵列未连接信号解调仪一端的首个布拉格光栅与目标容器底部接触；碳纤维管和光纤布拉格光栅温度传感阵列的整体高度大于等于目标容器的高度。
在本发明传感结构中，使用碳纤维管对光纤布拉格光栅温度传感阵列进行加热调制，通过对液体和气体吸热速率差异的测量，实现液体液位高度的检测。液位信息的测量是通过对温度的检测实现的，由于液体与气体的导热特性具有固有的差异，传感器的使用不受液体种类的限制。
相比现有技术，本发明传感器采用了新型加热元件碳纤维管，调制周期短、电热转换效率高、耐高热能力强、无瞬间电流冲击、加热效率更高、检测的实时性更佳，更适用于易燃易爆液体的液位测量。其次，传感器采用波长连续分布的光纤布拉格光栅温度传感阵列作为传感元件，通过增加光纤光栅阵列中串接的光纤布拉格光栅的数量，即可提高液位测量的范围。采用光纤布拉格光栅温度传感阵列的另一优点是传感阵列的测量精度可通过减小相邻两个布拉格光栅之间的间距进行提高。此外，光纤布拉格光栅的制备工艺成熟，传感器的温度稳定性更高、反射信号更强。而且，使用简单的可调谐F-P滤波器就可以实现光纤布拉格光栅温度传感阵列传感信号的解调，解调系统成本较低。
综上所述，本发明传感器，在保证测量精度和测量范围的同时使其适用于易燃易爆的危险液体环境。为实际应用中多种场景下具有大测量范围需求的液位检测提供了一种可靠的测量手段。
附图说明
图1为本发明的光纤布拉格光栅温度传感阵列的示意图；
图2为本发明的碳纤维管和脉冲加热控制器的示意图；
图3为本发明一个加热调制周期内液体与空气温度变化示意图；
图4为本发明传感器使用时的结构示意图；
图5为本发明的信号解调系统示意图。
图6为实施例加热调制过程中解调仪输出的光纤光栅布拉格波长变化的示意图；
附图标记：1-单个光纤布拉格光栅，2-碳纤维管，3-脉冲加热控制器，4-光纤布拉格光栅温度传感阵列，5-空气，6-待测液体，7-信号解调仪，8-宽带光源，9-光环形器，10-可调谐F-P滤波器及其驱动电路，11-光电探测器，12-采集卡，13-计算机。
具体实施方式
为了使本发明的技术描述的更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明进行详细和全面的描述，本实施例并不是本发明的全部实施方式，只是一种较好的实施方式。
图1为本发明的光纤布拉格光栅温度传感阵列的结构示意图。该光纤光栅传感阵列的制作过程：将预先制作好的相位掩膜版置于普通单模光纤前，以248nm的紫外准分子激光通过相位掩膜版照射光纤，写入周期为掩膜版周期一半的单个布拉格光栅1。重复该操作并控制光栅间距，可在单根光纤上写入多个具有特定间距的布拉格光栅，构成光纤布拉格光栅温度传感阵列。
该实施例的光纤布拉格光栅温度传感阵列中，相邻两个布拉格光栅的布拉格波长间隔为 1nm，单个光栅的栅区长度为10mm，相邻两栅区间的间隔小于2mm。在C+L波段内可以连续设置80个光纤布拉格光栅，其构成的阵列监测总长度为96cm，测量精度优于15mm。
图2为本发明的碳纤维管2以及脉冲加热控制器3的结构连接示意图。本实施例碳纤维管2是一个密封有碳纤维加热丝的石英玻璃管，其长度为100cm，直径为10mm，功率为120 W，通过脉冲加热控制器接入直流电压进行供电，作为加热调制的热源；其电热转换效率高达90％，相对金属发热体节能30％左右。密封玻璃管两端各延伸出一根导线，导线一端在玻璃管内部与碳纤维加热丝连接，另一端与脉冲控制单元相连，为碳纤维加热丝供电。脉冲加热控制器为PWM脉宽控制器，用于定时打开和关闭碳纤维管的电源，控制加热调制周期。
本实施例脉冲加热控制器为PWM脉宽调制器，对碳纤维管的通电与断电进行控制。PWM 脉宽调制器的输入电压范围为5V～36V，静态电流为15mA，可设置0.1秒～999分钟的加热时间或散热时间。加热调制周期的典型时间设置为6分钟，其中加热过程1分钟，散热过程5分钟。加热过程期间脉冲加热控制器打开碳纤维管电源，对光纤布拉格光栅温度传感阵列进行加热，周围的液体和空气介质吸热升温。1分钟后，脉冲加热控制器关闭碳纤维管电源，液体和空气开始散热，至5分钟后液体和空气完全恢复至初始温度。
图3为本发明实施例一个加热调制周期内液体与空气温度变化示意图。一个加热调制周期的典型时间为6分钟，包括加热过程与散热过程。加热过程中，脉冲加热控制器打开电源，碳纤维管开始加热，待测液体与空气吸热，且气体区域的吸热速率远大于液体区域的吸热速率。电源开启1分钟后，光纤布拉格光栅温度传感阵列各个布拉格光栅的布拉格波长明显向长波长方向偏移，液体与气体的吸热速率已被测量。此时，脉冲加热控制器自动关闭电源，开启散热过程，光纤布拉格光栅温度传感阵列各个布拉格光栅的布拉格波长向短波长方向偏移，待5分钟后液体与空气均完全恢复至初始温度，布拉格波长恢复至初始波长。
图4为本发明传感器的使用时结构示意图，传感器包括光纤布拉格光栅温度传感阵列4、碳纤维管2、脉冲加热控制器3和信号解调仪7。碳纤维管垂直固定在目标容器底部，光纤布拉格光栅温度传感阵列并行贴附于碳纤维管2的玻璃管外部，且光纤布拉格光栅温度传感阵列未连接信号解调仪一端的首个布拉格光栅与目标容器底部接触。脉冲加热控制器对碳纤维管的加热调制周期进行控制，在加热调制周期中，光纤布拉格光栅温度传感阵列反射的波长信号从另一端传送至信号解调仪。
图5为本发明的信号解调系统的示意图。信号解调系统由光纤布拉格光栅温度传感阵列 4，信号解调仪7和计算机13组成。其中，信号解调仪7由宽带光源8、光环形器9、可调谐 F-P滤波器及其驱动电路10、光电探测器11和采集卡12组成。宽带光源输出的光被光环形器传输至光纤布拉格光栅温度传感阵列，由光纤布拉格光栅温度传感阵列反射的光波经光环形器进入可调谐F-P滤波器。腔长可调的F-P滤波器在驱动电路的驱动下对光纤布拉格光栅温度传感阵列反射的光波进行扫描滤波，并通过光电探测器将光信号转为电信号，最后由采集卡送入计算机处理。
图6为本发明实施例加热调制过程中，信号解调仪7输出的光纤光栅布拉格波长变化的示意图。在加热过程中，碳纤维管2对光纤布拉格光栅温度传感阵列4加热，光纤布拉格光栅温度传感阵列4周围的介质吸收该激发热量，且气体区域的吸热速率远大于液体区域的吸热速率，因此气体区域的温度升高速率远大于液体区域的温度升高速率。光纤布拉格光栅温度传感阵列4中布拉格光栅的布拉格波长因周围介质温度的变化而变化，且布拉格波长的变化速率与温度变化速率相关。通过信号解调仪7对传感信号进行解调，获得光纤布拉格光栅温度传感阵列4中各个光栅布拉格波长的变化速率，从而得到对应位置介质的吸热速率，由此可以准确地判断液体和气体交界面的位置。

Claims (4)

1.一种温度检测的光纤光栅液位传感器，其特征在于：包括碳纤维管、脉冲加热控制器、信号解调仪和光纤布拉格光栅温度传感阵列；
所述碳纤维管与脉冲加热控制器通过导线连接，作为加热调制的热源，碳纤维管接收脉冲加热控制器发出的信号，被脉冲加热控制器控制产生热量并传递给与其外部并行贴附设置的光纤布拉格光栅温度传感阵列，对光纤布拉格光栅温度传感阵列进行周期性的循环加热调制；
所述光纤布拉格光栅温度传感阵列并行贴附于碳纤维管外部，一端连接信号解调仪；
所述信号解调仪采集光纤布拉格光栅温度传感阵列反射的传感信号，并对传感信号进行解调。
2.如权利要求1所述温度检测的光纤光栅液位传感器，其特征在于：使用时，所述碳纤维管垂直固定在目标容器底部，且光纤布拉格光栅温度传感阵列未连接信号解调仪一端的首个布拉格光栅与目标容器底部接触；碳纤维管和光纤布拉格光栅温度传感阵列的高度均大于等于目标容器的高度。
3.如权利要求1所述温度检测的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述光纤布拉格光栅温度传感阵列中，相邻两个布拉格光栅的布拉格波长间隔为1nm，单个光栅的栅区长度为10mm，相邻两栅区间的间隔小于2mm；在C+L波段内连续设置80个光纤布拉格光栅，其构成的阵列监测总长度为96cm，测量精度优于15mm。
4.如权利要求1所述温度检测的光纤光栅液位传感器，其特征在于：
所述周期性的循环加热调制具体为：加热调制周期的典型时间设置为6分钟，其中加热过程1分钟，散热过程5分钟；加热过程期间脉冲加热控制器打开碳纤维管的电源，通过碳纤维管对光纤布拉格光栅温度传感阵列进行加热，周围的液体和空气介质吸热升温；1分钟后，脉冲加热控制器关闭碳纤维管的电源，液体和空气开始散热，至5分钟后液体和空气完全恢复至初始温度。
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