CN112098677B - 一种高低量程一体式的光纤流速测量装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种高低量程一体式的光纤流速测量装置及其方法，装置包括：一体式光纤流速传感器，包括传感器本体；传感器本体内部设置有流体通道、流体通孔、全压通道、静压通道、低压室和高压室；低压室和高压室之间设置有第一光纤传感元件；流体通孔内设置有第二光纤传感元件，且第二光纤传感元件垂直于待测流体的流向；第一光纤传感元件和第二光纤传感元件通过一根单模光纤依次串联；单模光纤的两端均接入波分复用器；泵浦光源与波分复用器通过普通光纤连接；光纤光栅解调仪与波分复用器通过普通光纤连接；流速运算器与光纤光栅解调仪电连接。以解决将不同原理的流速转换装置集成为一体存在电路过于复杂，不便于一体式集成等问题。

Description

一种高低量程一体式的光纤流速测量装置及其方法
技术领域
本申请涉及光纤传感技术领域，具体的涉及一种高低量程一体式的光纤流速测量装置及其方法。
背景技术
流速测量在石油化工、生物医学、能源计量和环境监测等众多的领域有着较为重要的应用。目前，主要有差压式、涡街式、热线式和超声式等不同原理的流速传感器用于流体流速的测量。但是，每种流速传感器的检测原理各不相同，也存在着自身的缺陷。例如，在微流、低速检测方面只有热线式传感器具有较高的灵敏度和精度，但其量程范围有限；其余种类的流速传感器主要应用在高速、大流量的检测场所，在低速、小流量的检测方面性能较差。现有的流速传感器根据原理的不同，采用电流信号分别将差压、温度、频率等信号值传送至流速转换装置中，经过一系列运算得出流体流速，但是，每种流速传感器计算的过程中都涉及两次数模信号转换，不可避免地会造成计量精度的损失。
然而，为提高测量精度，将不同原理的流速转换装置集成为一体，存在着电路过于复杂的问题，以及不同流速传感器的传感元件不同，不便于一体式集成的问题。
发明内容
本申请提供一种高低量程一体式的光纤流速测量装置及其方法，以解决将不同原理的流速转换装置集成为一体存在电路过于复杂，不便于一体式集成等问题。
一方面，一种高低量程一体式的光纤流速测量装置，包括：
一体式光纤流速传感器，包括传感器本体；所述传感器本体包括流体接触端和感应端；所述流体接触端的端面设置有流体入口和全压进口，所述传感器本体内部设置有流体通道、流体通孔、全压通道、静压通道、低压室和高压室；所述传感器本体的侧壁设置有静压进口；
所述流体入口、所述流体通道和所述流体通孔依次连通，所述全压进口、所述全压通道和所述高压室依次连通，所述静压进口、所述静压通道和所述低压室依次连通；所述低压室和所述高压室之间设置有第一光纤传感元件；所述流体通孔内设置有第二光纤传感元件，且所述第二光纤传感元件垂直于待测流体的流向；
所述第一光纤传感元件包括弹性膜片、第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅分别贴附于所述弹性膜片的两侧，所述第一光纤光栅靠近所述低压室，所述第二光纤光栅靠近所述高压室；所述第二光纤传感元件包括第三光纤光栅，所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅通过一根单模光纤依次串联；
波分复用器，所述单模光纤的两端均接入所述波分复用器；
泵浦光源，与所述波分复用器通过普通光纤连接；
光纤光栅解调仪，与所述波分复用器通过普通光纤连接；
流速运算器，与所述光纤光栅解调仪电连接。
另一方面，一种高低量程一体式的光纤流速测量方法，包括：
将高低量程一体式的光纤流速测量装置放置于待测位置，将一体式光纤流速传感器的流体接触端迎着流体流向放置；
设定流速临界值；
开启所述高低量程一体式的光纤流速测量装置；
获取第一光纤传感元件测量得到的第一流速值和第二光纤传感元件测量得到的第二流速值；
将所述第一流速值和所述第二流速值与所述流速临界值进行比对；
如果所述第一流速值和所述第二流速值均大于所述流速临界值，将所述第一流速值作为最终测量得到的流速输出并显示；
如果所述第一流速值和所述第二流速值均小于或等于所述流速临界值，将所述第二流速值作为最终测量得到的流速输出并显示；
如果所述第一流速值和所述第二流速值的其中之一大于所述流速临界值，另一个小于所述流速临界值，计算所述第一流速值和所述第二流速值分别与所述流速临界值的差值，将差值最小的流速值作为最终测量得到的流速输出并显示。
本提供的高低量程一体式的光纤流速测量装置及其方法，通过设置两个光纤传感元件，且两个光纤传感元件的测量原理不同，可以分别适用于低量程测量和高量程测量，通过一台光纤光栅解调仪对两个光纤传感元件内的光栅进行波长变化量的解调，最终通过计算得到两个流速，并通过设定流速临界值来判定最终的流速。通过将不同传感原理的高、低量程的光纤传感元件集成为一体，根据具体测量情况选取最终流速输出，能够实现较高的测量精确度和灵敏度，光纤光栅分别利用温度和形变引起的波长变化来反映流体流速，整体装置的结构较为简单，容易实现。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请提供的第一种高低量程一体式的光纤流速测量装置拓扑图；
图2为图1所示一体式光纤流速传感器的结构图；
图3为图2所示第一光纤传感元件与第二光纤传感元件的连接示意图；
图4为第一光纤传感元件沿图3所示T-T′的剖面图；
图5为本申请提供的第二种高低量程一体式的光纤流速测量装置拓扑图；
图6为本申请提供的一种高低量程一体式的光纤流速测量方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请提供的第一种高低量程一体式的光纤流速测量装置拓扑图；图2为图1所示一体式光纤流速传感器的结构图。结合图1和图2，本申请实施例提供一种高低量程一体式的光纤流速测量装置，包括：一体式光纤流速传感器1，一体式光纤流速传感器1包括传感器本体11，传感器本体11可以为直筒型；传感器本体11包括流体接触端111和感应端112；流体接触端111的端面可以设置有流体入口1111和全压进口1112，传感器本体11内部设置有流体通道113、流体通孔114、全压通道115、静压通道116、低压室117和高压室118；传感器本体11的侧壁设置有静压进口119。流体入口1111、流体通道113和流体通孔114依次连通；流体接触端111迎着待测流体的流向D放置，流体可以是液态流体，也可以是气态流体；待测流体从流体入口1111流入，经过流体通道113进入流体通孔114，图2所示的方向F则为待测流体在流体通道113和流体通孔114内的流向。全压进口1112、全压通道115和高压室118依次连通，全压进口1112和流体入口1111可以平齐设置，待测流体也可以从全压进口1112进入全压通道115，再进入高压室118内。静压进口119、静压通道116和低压室117依次连通；静压进口119与流体入口1111和全压进口1112不同侧设置，静压进口119在传感器本体11的侧壁上，所以静压进口119没有正面迎接待测流体，只会有较少的待测流体进入到静压进口119或者没有待测流体进入静压进口119，因此，待测流体在低压室117和高压室118会产生不同的压强。低压室117和高压室118之间设置有第一光纤传感元件11A；流体通孔114内设置有第二光纤传感元件11B，且第二光纤传感元件11B垂直于待测流体的流向F，也可以理解为第二光纤传感元件11B垂直于流体通孔114的侧壁设置，可以实现待测流体垂直流过第二光纤传感元件11B的表面。
图3为图2所示第一光纤传感元件与第二光纤传感元件的连接示意图；图4为第一光纤传感元件沿图3所示T-T′的剖面图。第一光纤传感元件11A可以包括弹性膜片11A1、第一光纤光栅11A2、第二光纤光栅11A3以及膜片基座11A4，弹性膜片11A1嵌设在膜片基座11A4上，膜片基座11A4可以设置有第一通孔11A41和第二通孔11A42，第一通孔11A41和第二通孔11A42可以分别位于弹性膜片11A1相对的两端，串联有第一光纤光栅11A2和第二光纤光栅11A3的单模光纤11AB依次穿过第一通孔11A41、第二通孔11A42和第一通孔11A41；最终实现第一光纤光栅11A2和第二光纤光栅11A3分别贴附于弹性膜片11A1的两侧，第一光纤光栅11A2靠近低压室117，第二光纤光栅11A3靠近高压室118；第一光纤光栅11A2和第二光纤光栅11A3可以是粘附在弹性膜片11A1的表面，且相对于弹性膜片对称粘附，弹性膜片11A1的尺寸和其他材料参数可以根据具体的检测范围确定；容易理解的是，串联有第一光纤光栅11A2和第二光纤光栅11A3的单模光纤11AB从第一通孔11A41穿入，再从第二通孔11A42穿出，实现围绕弹性膜片11A1一周，第一通孔11A41和第二通孔11A42的孔径延伸方向可以是垂直的或者有一定角度的，图3和图4所示的是第一通孔11A41和第二通孔11A42的孔径延伸方向是相互垂直的。图4所示的虚线表示另一侧的单模光纤11AB，粗虚线代表第二光纤光栅11A3。第二光纤传感元件11B包括第三光纤光栅11B1，第一光纤光栅11A2、第二光纤光栅11A3和第三光纤光栅11B1通过一根单模光纤11AB依次串联；第二光纤传感元件11B进一步包括导热套管11B2，第三光纤光栅11B1位于导热套管11B2内，导热套管11B2可以增强第三光纤光栅11B1的机械强度，起到保护第三光纤光栅11B1的作用，导热套管11B2可以是导热性好的金属套管，本申请不作具体限定。第三光纤光栅11B1可以为掺杂光纤光栅、拉锥光纤和多模-单模光纤中的一种，第三光纤光栅11B1只要能实现较好的光热转化即可，对于其具体种类不作限定。
继续参考图1和图3，本申请实施例提供一种高低量程一体式的光纤流速测量装置进一步包括波分复用器(Wavelength Division Multiplexing，WDM)2，单模光纤11AB的两端均接入波分复用器2；具体的，串联有第一光纤光栅11A2和第二光纤光栅11A3的单模光纤11AB一端接入波分复用器2，另一端串联第三光纤光栅11B1后接入波分复用器2。泵浦光源3，与波分复用器2通过普通光纤连接；光纤光栅解调仪4，与波分复用器2通过普通光纤连接。波分复用器2处理的波长可以分别是1480nm和1550nm，也可以是两个波段，本申请不作具体限定。泵浦光源3和光纤光栅解调仪4分别接入波分复用器2两种波长的接口端，波分复用器2的另一端接入的是一体式光纤流速传感器1的单模光纤11AB，泵浦光源3对应的是1480nm波长接口，光纤光栅解调仪4对应的是1550nm波长接口。流速运算器5，与光纤光栅解调仪4电连接，流速运算器5可以用于光纤光栅解调仪输出的参数经过相应的运算，计算出待测流体的最终流速。
结合图1-图4，对本实施例提供的高低量程一体式的光纤流速测量装置检测原理作简要说明如下：当高低量程一体式的光纤流速测量装置开启进行流体流速测量的时候，首先泵浦光源3发出第一光束L1，光纤光栅解调仪4发出第二光束L2，第一光束L1和第二光束L2均通过普通光纤传送至波分复用器2，经过波分复用器2的光耦合，得到耦合光束L3，耦合光束L3经过单模光纤11AB传送至一体式光纤流速传感器1，如图3所示，耦合光束L3从单模光纤11AB串联有第三光纤光栅11B1的一端射入，分别经过第三光纤光栅11B1、第二光纤光栅11A3和第一光纤光栅11A2，从另一端射出感测光束L4；可以从串联有第一光纤光栅11A2的一端射入耦合光束L3，另一端射出感测光束L4，本申请不作具体限定。感测光束L4经过波分复用器2和普通光纤返回至光纤光栅解调仪4，进行光波长的解调。如果第三光纤光栅11B1是掺杂光纤光栅，耦合光束L3中的1480nm波长的光会被吸收，通过非辐射式跃迁将光能转化为热能，升高第三光纤光栅11B1的表面温度，导致经过第三光纤光栅11B1的光波长变大，当待测流体流过第二光纤传感元件11B的表面时，带走部分或者更多的热量，使得第三光纤光栅11B1表面温度降低，经过第三光纤光栅11B1的光波长变小，光纤光栅解调仪4通过解调第三光纤光栅11B1的波长变化量，再经过流速运算器进行相应运算可以得到待测流体的流速。如果第三光纤光栅11B1是其他种类的光栅，则吸收的光波长也会有所差异，但测试原理相同，此处不作一一列举。由于流体进入低压室117和高压室118的量不同，导致低压室117和高压室118之间的压强有所差异，弹性膜片11A1也会由于压差产生相应形变，进而带动粘附在其表面的第一光纤光栅11A2和第二光纤光栅11A3发生形变，光栅的形变同样导致其波长的变化，同理，经过光纤光栅解调仪4解调第一光纤光栅11A2和第二光纤光栅11A3的波长变化量，再经过流速运算器5进行相应运算可以得到待测流体的流速。弹性膜片11A1的形变可以实现温度补偿，消除环境温度的影响。第一光纤传感元件11A是通过低压室117和高压室118的压差带动光栅形变，进而反映到波长变化，低压室117和高压室118的压差又受限于流入其内的待测流体量，因而第一光纤传感元件11A适用于高量程的测量。而第二光纤传感元件11B则通过待测流体带走热量来反映波长变化，较为直接和灵敏，适用于低量程的测量。用V1表示通过第一光纤传感元件11A测量得到的待测流体流速，用V2表示通过第二光纤传感元件11B测量得到的待测流体流速，在流速运算器5内可以预先设置一个流速临界值V0，用于界定高低量程的界限，流速临界值V0可以根据不同待测流体进行区别化设定，本申请不作限定。当V1和V2均大于V0，则将V1作为最终流速输出；当V1和V2均小于或等于V0，则将V2作为最终流速输出；当V1和V2分别位于V0的两侧时，将与V0差值最小的那个作为最终流速输出。
本实施例提供的高低量程一体式的光纤流速测量装置，通过设置两个光纤传感元件，且两个光纤传感元件的测量原理不同，可以分别适用于低量程测量和高量程测量，通过一台光纤光栅解调仪对两个光纤传感元件内的光栅进行波长变化量的解调，最终通过计算得到两个流速，并通过设定流速临界值来判定最终的流速。通过将不同传感原理的高、低量程的光纤传感元件集成为一体，根据具体测量情况选取最终流速输出，能够实现较高的测量精确度和灵敏度，光纤光栅分别利用温度和形变引起的波长变化来反映流体流速，整体装置的结构较为简单，容易实现。
图2所示的传感器本体11是直筒型的，图5为本申请提供的第二种高低量程一体式的光纤流速测量装置拓扑图。如图5所示，传感器本体11还可以是L型的，对应的流体通道113、全压通道115和静压通道116均是L型的。直筒型和L型的传感器本体11可以适用于不同测试环境或者待测流体的特性，本申请不作具体限定。
如图2所示，传感器本体11的流体接触端111和感应端112是一体式的。一体式的传感器本体11结构简单，制造工艺也简单。
如图5所示，传感器本体11的流体接触端111和感应端112是非一体式的。具体的，流体通道113与流体通孔114的连接处11D、全压通道115与高压室118的连接处11E以及静压通道116与低压室117的连接处11F均通过连接结构11C固定连接。可以通过焊接的方式，连接结构11C分别将流体通道113与流体通孔114的连接处11D、全压通道115与高压室118的连接处11E以及静压通道116与低压室117的连接处11F进行密封。分体式的传感器本体11可以适应不同形状的传感器本体11，且携带方便，易于安装拆卸。第一光纤传感元件和第二光纤传感元件均是光纤光栅，容易集成在一起。
图6为本申请提供的一种高低量程一体式的光纤流速测量方法流程图。如图6所示，本申请实施例提供一种高低量程一体式的光纤流速测量方法，包括如下步骤：
将高低量程一体式的光纤流速测量装置放置于待测位置，将一体式光纤流速传感器的流体接触端迎着流体流向放置。
设定流速临界值V0。
开启所述高低量程一体式的光纤流速测量装置。
获取第一光纤传感元件测量得到的第一流速值V1和第二光纤传感元件测量得到的第二流速值V2。
将第一流速值V1和第二流速值V2与流速临界值V0进行比对。
如果第一流速值V1和第二流速值V2均大于流速临界值V0，将第一流速值V1作为最终测量得到的流速V输出并显示。
如果第一流速值V1和第二流速值V2均小于或等于流速临界值V0，将第二流速值V2作为最终测量得到的流速V输出并显示。
如果第一流速值V1和第二流速值V2的其中之一大于流速临界值V0，另一个小于流速临界值V0，计算第一流速值V1和第二流速值V2分别与流速临界值V0的差值，将差值最小的流速值作为最终测量得到的流速V输出并显示。具体的，如果V1<V0<V2或者V2<V0<V1，则判断|V1-V0|≥|V2-V0|或者|V1-V0|≤|V2-V0|，如果|V1-V0|≥|V2-V0|，则V＝V2，如果|V1-V0|≤|V2-V0|，则V＝V1。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

Claims (9)

1.一种高低量程一体式的光纤流速测量装置，其特征在于，包括：
一体式光纤流速传感器(1)，包括传感器本体(11)；所述传感器本体(11)包括流体接触端(111)和感应端(112)；所述流体接触端(111)的端面设置有流体入口(1111)和全压进口(1112)，所述传感器本体(11)内部设置有流体通道(113)、流体通孔(114)、全压通道(115)、静压通道(116)、低压室(117)和高压室(118)；所述传感器本体(11)的侧壁设置有静压进口(119)；
所述流体入口(1111)、所述流体通道(113)和所述流体通孔(114)依次连通，所述全压进口(1112)、所述全压通道(115)和所述高压室(118)依次连通，所述静压进口(119)、所述静压通道(116)和所述低压室(117)依次连通；所述低压室(117)和所述高压室(118)之间设置有第一光纤传感元件(11A)；所述流体通孔(114)内设置有第二光纤传感元件(11B)，且所述第二光纤传感元件(11B)垂直于待测流体的流向(F)；
所述第一光纤传感元件(11A)包括弹性膜片(11A1)、第一光纤光栅(11A2)和第二光纤光栅(11A3)，所述第一光纤光栅(11A2)和所述第二光纤光栅(11A3)分别贴附于所述弹性膜片(11A1)的两侧，所述第一光纤光栅(11A2)靠近所述低压室(117)，所述第二光纤光栅(11A3)靠近所述高压室(118)；所述第二光纤传感元件(11B)包括第三光纤光栅(11B1)，所述第三光纤光栅(11B1)为参杂光纤光栅、拉锥光纤和多模-单模光纤中的一种，其能够实现较好的光热转化,所述第一光纤光栅(11A2)、所述第二光纤光栅(11A3)和所述第三光纤光栅(11B1)通过一根单模光纤(11AB)依次串联；
波分复用器(2)，所述单模光纤(11AB)的两端均接入所述波分复用器(2)；
泵浦光源(3)，与所述波分复用器(2)通过普通光纤连接；
光纤光栅解调仪(4)，与所述波分复用器(2)通过普通光纤连接；
流速运算器(5)，与所述光纤光栅解调仪(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的高低量程一体式的光纤流速测量装置，其特征在于，所述第一光纤传感元件(11A)进一步包括膜片基座(11A4)；所述弹性膜片(11A1)嵌设在所述膜片基座(11A4)上，所述膜片基座(11A4)设置有第一通孔(11A41)和第二通孔(11A42)，所述第一通孔(11A41)和所述第二通孔(11A42)分别位于所述弹性膜片(11A1)相对的两端，串联有所述第一光纤光栅(11A2)和所述第二光纤光栅(11A3)的所述单模光纤(11AB)依次穿过所述第一通孔(11A41)、所述第二通孔(11A42)和所述第一通孔(11A41)，串联有所述第一光纤光栅(11A2)和所述第二光纤光栅(11A3)的所述单模光纤(11AB)一端接入所述波分复用器(2)，另一端串联所述第三光纤光栅(11B1)。
3.根据权利要求2所述的高低量程一体式的光纤流速测量装置，其特征在于，所述第二光纤传感元件(11B)进一步包括导热套管(11B2)，所述第三光纤光栅(11B1)位于所述导热套管(11B2)内。
4.根据权利要求1所述的高低量程一体式的光纤流速测量装置，其特征在于，所述传感器本体(11)为L型。
5.根据权利要求1所述的高低量程一体式的光纤流速测量装置，其特征在于，所述传感器本体(11)为直筒型。
6.根据权利要求4或5所述的高低量程一体式的光纤流速测量装置，其特征在于，所述传感器本体的所述流体接触端(111)和所述感应端(112)是一体式的。
7.根据权利要求4或5所述的高低量程一体式的光纤流速测量装置，其特征在于，所述传感器本体(11)的所述流体接触端(111)和所述感应端(112)是非一体式的；
所述流体通道(113)与所述流体通孔(114)的连接处(11D)、所述全压通道(115)与所述高压室(118)的连接处(11E)以及所述静压通道(116)与所述低压室(117)的连接处(11F)均通过连接结构(11C)固定连接。
8.根据权利要求7所述的高低量程一体式的光纤流速测量装置，其特征在于，通过焊接的方式，所述连接结构(11C)分别将所述流体通道(113)与所述流体通孔(114)的连接处(11D)、所述全压通道(115)与所述高压室(118)的连接处(11E)以及所述静压通道(116)与所述低压室(117)的连接处(11F)进行密封。
9.一种基于如权利要求1所述的高低量程一体式的光纤流速测量装置的光纤流速测量方法，其特征在于，包括：
将所述高低量程一体式的光纤流速测量装置放置于待测位置，将一体式光纤流速传感器的流体接触端迎着流体流向放置；
设定流速临界值；
开启所述高低量程一体式的光纤流速测量装置；
获取第一光纤传感元件测量得到的第一流速值和第二光纤传感元件测量得到的第二流速值；
将所述第一流速值和所述第二流速值与所述流速临界值进行比对；
如果所述第一流速值和所述第二流速值均大于所述流速临界值，将所述第一流速值作为最终测量得到的流速输出并显示；
如果所述第一流速值和所述第二流速值均小于或等于所述流速临界值，将所述第二流速值作为最终测量得到的流速输出并显示；
如果所述第一流速值和所述第二流速值的其中之一大于所述流速临界值，另一个小于所述流速临界值，计算所述第一流速值和所述第二流速值分别与所述流速临界值的差值，将差值最小的流速值作为最终测量得到的流速输出并显示。
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