CN113804348A - 用于核动力装置高能管道压力测量的光纤fbg传感器及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器及系统，光纤FBG传感器包括膜片、膜盒、膜盒封闭部、感压FBG光纤和感温FBG光纤；所述膜片和膜盒封闭部分别设置在膜盒的两端，用于实现膜盒的密封；所述感压FBG光纤置于膜盒内且设置在膜片上，所述感温FBG光纤埋设在膜盒封闭部内，所述感压FBG光纤和感温FBG光纤穿过膜盒封闭部后汇合形成传输光缆。本发明所述的光纤FBG传感器中不含电子元器件，具有测量性能长期可靠的优点，并且光纤FBG传感器获得的测量信号可实现远距离传输，因此，在使用时可直接将光纤FBG传感器就近安装在高能管道上，且多个光纤FBG传感器汇聚形成同一路信号实现分布式测量，整个光纤FBG传感器部件少，使得整个体积较小。

Description

用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器及系统
技术领域
本发明涉及管道压力测量技术领域，具体涉及用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器及系统。
背景技术
在核动力装置中，高能管道压力参数承担监测高能管道正常运行与否的功能，在反应堆处于正常、异常运行和事故工况时，该参数结合其他参数可用于判断反应堆运行异常，在反应堆启动阶段该参数用作启堆时的控制参数，因此在核动力装置中，该参数是重要的安全级参数。传统的仪控设计中，采用压力变送器实现该参数的测量，主要有两种解决途径：
1)一体式压力变送器，该型传感器将压力信号转化为电容或者电阻信号，然后通过简单的电阻网络将电容或者电阻信号就近转化为标准的4mA～20mA电流信号，继而通过电缆将电流信号送往信号处理设备进行集中处理。该类型传感器由于在反应堆就近位置布置有电子元器件，在长期辐照累积和反应堆事故后传感器性能将会下降甚至无法完成测量功能；
2)分体式压力变送器，该型传感器将压力信号转化为位移信号，继而转化为电感信号，然后通过电缆将电感信号进行远距离传输后送往无辐照的区域处理成4mA～20mA电流信号，然后通过电缆将电流信号送往信号处理设备进行集中处理。该类型传感器在高辐照区域没有辐照敏感的电子元器件，因此可有效规避长期辐照累积和反应堆事故后的传感器性能下降问题。
上述两种类型传感器需要采用仪表管将高压介质传输到压力变送器的感压部件，而压力变送器本体为了实现压力信号到电信号的转换造成其体积较大，以上两点造成压力变送器的仪表布置较为繁琐。并且这种解决方案无法实现分布式的测量，信号处理设备的体积也较大。未来的先进核动力装置必然追求小型化智能化的目标，而以上这些因素就制约了该类型传感器在未来先进核动力装置的应用。
因此，有必要开发一种结构简单、性能长期可靠、小型化、可实现分布式测量、可耐受核动力装置中长期辐照效应和事故后恶劣环境的传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器，解决现有采用压力变送器导致的性能不可靠、体积大、不能实现分布式测量的问题。
此外，本发明还包括基于上述光纤FBG传感器的压力测量系统。
本发明通过下述技术方案实现：
用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器，包括膜片、膜盒、膜盒封闭部、感压FBG光纤和感温FBG光纤；
所述膜片和膜盒封闭部分别设置在膜盒的两端，用于实现膜盒的密封；
所述感压FBG光纤置于膜盒内且设置在膜片上，所述感温FBG光纤埋设在膜盒封闭部内，所述感压FBG光纤和感温FBG光纤穿过膜盒封闭部后汇合形成传输光缆。
本发明所述膜片用于直接接触测量介质，实时感受介质压力，膜盒用于吸收膜片的形变，感压FBG光纤用于感受膜片的形变从而感受介质压力，感温FBG光纤布置于膜盒端部10中用于补偿膜盒温度影响，本发明的感压FBG光纤和感温FBG光纤处于同一温度场。
本发明的FBG测量应变的原理如下：
光纤布拉格条件为式(1)
λB＝2neffΛ (1)
应变和温度分别通过弹光效应和热光效应影响neff，通过长度和热膨胀效应影响周期
Λ，从而使λB发生移动。因此，应变和温度变化对光栅中心波长的偏移为式(2)
Figure BDA0003273361620000021
式(2)中第一项表示应变对光纤的影响，第二项表示温度对光纤的影响。因此，外界扰动导致的中心波长的任何改变，都是由温度和应变两者的共同作用。
根据上述原理，通过在膜片上固定感压FBG光纤可表征膜片的应变和温度变化，感温FBG光纤可表征膜盒封闭部的应变和温度。膜盒封闭部基本不受膜盒中压力变化影响，因此通过感压FBG光纤和感温FBG光纤的计算，可解析获得膜片7的应变信息，进而获得膜片7的压力信息。同时由于两个传感器(感压FBG光纤和感温FBG光纤)处在同一温度场下，差分处理方式可以将温度漂移抵消，从而消除温度对传感器压力测量带来的干扰。
本发明的感压FBG光纤紧密固定在膜片上，膜片承受的外界压力造成膜片产生形变继而带来感压FBG光纤形变，由此实现精确准确的压力测量。
综上，本发明所述的光纤FBG传感器中不含电子元器件，具有测量性能长期可靠的优点，并且光纤FBG传感器获得的测量信号可实现远距离传输，因此，在使用时可直接将光纤FBG传感器就近安装在高能管道上，且多个光纤FBG传感器汇聚形成同一路信号实现分布式测量，整个光纤FBG传感器部件少，使得整个体积较小。
进一步地，感压FBG光纤和感温FBG光纤相互靠近设置。
所述相互靠近设置可以是将感压FBG光纤和感温FBG光纤设置在传感器的同一侧，以及将膜盒的体积设置的较小，同时将感温FBG光纤埋设在膜盒封闭部靠近膜盒的一端，减少感压FBG光纤和感温FBG光纤之间的间距。
感温FBG光纤应尽量靠近感压FBG光纤能够很好地完成温度补偿功能。
进一步地，膜片采用具有弹性的合金材料制成。
具有弹性的合金材料能够实现传感器的压力传递性能。
优选地，采用膜片采用弹性较好的合金材料；进一步优选地，膜片采用弹性模量较高的金属材料，可提高压力测量的分辨率。
进一步地，膜盒封闭部采用金属材料制成。
金属材料具有较好的抗形变能力，使得膜片受到的外部压力不造成感温FBG光纤的形变。
进一步地，膜盒封闭部的体积大于膜片的体积。
上述设置能够在一定程度上避免膜片受到的外部压力不造成感温FBG光纤的形变。
进一步地，膜片、膜盒和膜盒封闭部的端面均为圆形结构。
上述设置使得整个传感器呈圆柱状结构，能够提高传感器的耐高压能力，传感器部分尺寸较小，外径范围为20mm～100mm，高度范围为20mm～100mm。
进一步地，膜片的外侧端设置有隔离膜片和毛细管结构。
一种核动力装置高能管道压力测量系统，包括传感器、机械密封结构、传输光缆和解调仪；
所述传感器为上述光纤FBG传感器；
所述传感器通过机械密封结构安装在高能管道的侧壁上，所述传感器的膜片伸入高能管道内与冷却剂介质接触；
所述传感器通过传输光缆与解调仪电连接。
进一步地，机械密封结构与高能管道的连接方式为密封螺纹加密封焊接，该连接方式可有效确保核动力装置运行时高压的介质不会从高能管道的传感器位置泄漏出；为了提高传输通道的环境耐受力，传输光缆采用铠装形式，可较好地弥补光纤脆弱的弱点，提高传输光缆的耐高温、耐振动等能力。
进一步地，同一个高能管道上至少设置有一个传感器，当设置有多个传感器时，将多个传感器所用的传输光缆组合形成多芯光缆传输至解调仪，或将多个传感器所用的传输光缆采用耦合器将光信号偶合成同一路信号，同时传递给解调仪。
上述设置能够实现分布式测量。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述的光纤FBG传感器体积微小，可大幅节省布置空间。
2、本发明的传感器和传输光缆部分没有电磁信号发送接收，具有极强的抗电磁干扰能力。
3、本发明的传感器和传输光缆部分的材料能耐受高温和高辐照，因此可大幅提高耐高温和耐辐照能力。
4、本发明由于采用双FBG传感器分别测量压力和温度，因此除可大幅降低压力传感器的温度漂移以外，还可实现温度、压力一体式测量，大幅减少布置空间。
5、本发明由于传输光缆可采用耦合器将多个传感器的信号集成后传输，因此如采用电气贯穿件或者机械贯穿件形式贯穿堆舱墙体，可大幅减少贯穿件通道数量，还可大幅减少处理设备侧信号输入/输出部件的布置空间。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明压力测量系统的结构示意图；
图2为本发明光纤FBG传感器的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-高能管道，2-机械密封结构，3-传感器，4-传输光缆，5-解调仪，6-感压FBG光纤，7-膜片，8-膜盒，9-感温FBG光纤，10-膜盒封闭部。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1-图2所示，用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器，包括膜片7、膜盒8、膜盒封闭部10、感压FBG光纤6和感温FBG光纤9；
所述膜片7和膜盒封闭部10分别设置在膜盒8的两端，用于实现膜盒8的密封；
所述感压FBG光纤6置于膜盒8内且设置在膜片7上，所述感温FBG光纤9埋设在膜盒封闭部10内，所述感压FBG光纤6和感温FBG光纤9穿过膜盒封闭部10后汇合形成传输光缆4。
在实施例中，所述感压FBG光纤6和感温FBG光纤9相互靠近设置，即膜盒8的体积较小，使感压FBG光纤6和感温FBG光纤9之间的间距较小，且尽可能将感压FBG光纤6和感温FBG光纤9设置在同一侧，由于感温FBG光纤9与感压FBG光纤6距离较近，所处温度场温度几乎一致，以此实现温度补偿功能。
在实施例中，为了提高传感器的压力传递性能，膜片7采用弹性较好的合金材料(哈氏合金C-276)；为了准确反映介质压力，膜盒封闭部10设计为金属材质(316L不锈钢)，并且体积相对膜片7较大，膜片7感应的介质压力基本不会造成膜盒封闭部10的明显形变。
在实施例中，为了提高传感器3的耐高压能力，传感器3的外形为圆柱体形状，即膜片7、膜盒8、膜盒封闭部10的端面形状为圆形，且膜片7、膜盒8、膜盒封闭部10的端面的面积相同，不同在于轴向高度不同，三者的轴向高度从大到小依次为膜盒封闭部10、膜盒8和膜片7。
在实施例中，为了避免高能管道1介质中杂质对膜片7的腐蚀和撞击破坏，膜盒8与介质可通过压力变送器通用的隔离膜片和毛细管结构连接；由于传感器3中没有电子元器件，并且传感器3获得的测量信号可实现远距离传输，因此传感器3可就近布置于高能管道1的附近，即使考虑隔离膜片和毛细管结构，整个传感器3及其附加结构体积也很小。
本实施例实现了传感器小型化的目的，传感器3的外径最小可为20mm，高度最小可为20mm，相比现有压力变送器外径大约200mm，高度大约200mm的尺寸，可极大节省布置空间。
实施例2：
如图1-图2所示，一种核动力装置高能管道压力测量系统，包括传感器3、机械密封结构2、传输光缆4和解调仪5；
所述传感器3为实施例1所述的光纤FBG传感器；
所述传感器3通过机械密封结构2安装在高能管道1的侧壁上，所述传感器3的膜片7伸入高能管道1内与冷却剂介质接触；
所述传感器3通过传输光缆4与解调仪5电连接。
在本实施例中；所述机械密封结构2与高能管道1的连接方式为密封螺纹加密封焊接，该连接方式可有效确保核动力装置运行时高压的介质不会从高能管道1的传感器3位置泄漏出来；为了提高传输通道的环境耐受力，传输光缆4采用铠装形式，可较好地弥补光纤脆弱的弱点，提高传输光缆4的耐高温、耐振动等能力。
在本实施例中同一个高能管道1上至少设置有一个传感器3，为了实现分布式测量的目的，当设置有多个传感器3时，将多个传感器3所用的传输光缆4组合形成多芯光缆传输至解调仪5，或将多个传感器3所用的传输光缆4采用耦合器将光信号偶合成同一路信号，同时传递给解调仪5，可大幅缩减传输光缆的空间消耗。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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.用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器，其特征在于，包括膜片(7)、膜盒(8)、膜盒封闭部(10)、感压FBG光纤(6)和感温FBG光纤(9)；
所述膜片(7)和膜盒封闭部(10)分别设置在膜盒(8)的两端，用于实现膜盒(8)的密封；
所述感压FBG光纤(6)置于膜盒(8)内且设置在膜片(7)上，所述感温FBG光纤(9)埋设在膜盒封闭部(10)内，所述感压FBG光纤(6)和感温FBG光纤(9)穿过膜盒封闭部(10)后汇合形成传输光缆(4)。
2.根据权利要求1所述的用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器，其特征在于，所述感压FBG光纤(6)和感温FBG光纤(9)相互靠近设置。
3.根据权利要求1所述的用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器，其特征在于，所述膜片(7)采用具有弹性的合金材料制成。
4.根据权利要求1所述的用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器，其特征在于，所述膜盒封闭部(10)采用金属材料制成。
5.根据权利要求1所述的用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器，其特征在于，所述膜盒封闭部(10)的体积大于膜片(7)的体积。
6.根据权利要求1所述的用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器，其特征在于，所述膜片(7)、膜盒(8)和膜盒封闭部(10)的端面均为圆形结构。
7.根据权利要求1所述的用于核动力装置高能管道压力测量的光纤FBG传感器，其特征在于，所述膜片(7)的外侧端设置有隔离膜片和毛细管结构。
8.一种核动力装置高能管道压力测量系统，其特征在于，包括传感器(3)、机械密封结构(2)、传输光缆(4)和解调仪(5)；
所述传感器(3)为权利要求1-7任一项所述光纤FBG传感器；
所述传感器(3)通过机械密封结构(2)安装在高能管道(1)的侧壁上，所述传感器(3)的膜片(7)伸入高能管道(1)内与冷却剂介质接触；
所述传感器(3)通过传输光缆(4)与解调仪(5)电连接。
9.根据权利要求8所述的一种核动力装置高能管道压力测量系统，其特征在于，所述机械密封结构(2)与高能管道(1)的连接方式为密封螺纹加密封焊接；所述传输光缆(4)采用铠装形式。
10.根据权利要求8所述的一种核动力装置高能管道压力测量系统，其特征在于，同一个高能管道(1)上至少设置有一个传感器(3)，当设置有多个传感器(3)时，将多个传感器(3)所用的传输光缆(4)组合形成多芯光缆传输至解调仪(5)，或将多个传感器(3)所用的传输光缆(4)采用耦合器将光信号偶合成同一路信号，同时传递给解调仪(5)。
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