CN114279523A - 基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统及组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统及组件，涉及光纤测位系统，包括光纤芯，所述光纤芯的表面包裹有纤维加固层，所述纤维加固层的表面包裹有隔离层，所述隔离层的表面包裹有光纤发热层，所述光纤发热层的表面均匀排列有测位模块，利用光纤发热在液体和气体中散热情况不同导致温度显著不同，再通过贴敷的光纤来检测位度的变化点位，从而测量液位，解决了超低温液体测位的问题，在光电解析的时候，通过两组处理电路对信号进行双向滤波和双向放大调制，提高后续处理信号的准确性，减少由于光电信号过于微弱导致信号的细节难以判定的情况。

Description

基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统及组件

技术领域

本发明涉及光纤测位系统，具体为基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统及组件。

背景技术

瑞利散射是一种光学现象，属于散射的一种情况。又称“分子散射”。粒子尺度远小于入射光波长时（小于波长的十分之一），其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与入射光的波长四次方成反比，这种现象称为瑞利散射。

超低温液体例如液氮，液氧，液氢的液体与空气界面由于蒸发作用，温度差别小，无法用光纤测量温度的方法进行区别，传统的液位传感器是布置大量电子传感器，需要大量的接线，成本高，系统复杂，可靠性差。

分布式光纤测位系统依据后向散射原理可以分为三种：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射。目前发展比较成熟，且有产品应用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纤测位系统。它的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射（OTDR）原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。

本发明利用光纤发热在液体和气体中散热情况不同导致温度显著不同，再通过贴敷的光纤来检测位度的变化点位，从而测量超低温液体的温度，同时通过温度系数和距离系数以及常规参数的组合，可以通过规定公式得到内部的液位数据。

发明内容

解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明利用光纤发热在液体和气体中散热情况不同导致温度显著不同，再通过贴敷的光纤来检测位度的变化点位，从而测量液位，解决了超低温液体例如液氮，液氧，液氢的液体与空气界面由于蒸发作用，温度差别小，无法用光纤测量温度的方法进行区别的问题，同时通过温度系数和距离系数以及常规参数的组合，可以通过规定公式得到内部的液位数据避免了传统测位液位布局大量布线、测量麻烦的问题。

技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于光纤光频域反射的超低温液位传感组件，所述光纤芯的表面包裹有纤维加固层，所述纤维加固层的表面包裹有隔离层，所述隔离层的表面包裹有光纤发热层，所述光纤发热层的表面均匀排列有测位组件。

优选的，所述光纤芯的两端分别有光学泵浦通道和信号通道。

优选的，所述纤维加固层采用玻璃纤维，且纤维加固层的表面涂覆有金属漆，纤维加固层表面的金属漆采用银基金属漆。

优选的，所述测位组件包括嵌合在光纤发热层的测位光纤头，所述测位光纤头的首端贯穿光纤发热层，所述光纤发热层采用双光纤平行粘合固定，光纤发热层尾端连接有内置光纤，且内置光纤和测位光纤头之间设置有伸缩端，所述内置光纤的尾端连接有外置光纤，所述外置光纤和内置光纤的连接位置自上而下依次套接有封闭盖板，电磁屏蔽层，伸缩层和隔温层。

优选的，所述电磁屏蔽层采用高密度聚乙烯复合碳纤维管的板材压合成型，且电磁屏蔽层采用微孔板材，所述内置光纤的表面涂覆有钼镀层，所述伸缩端表面缠绕有高强度尼龙丝。

基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统，所述光纤测位系统的步骤如下：

Sp1、内置低温液体储罐：将光纤测位组件嵌合在超低温原料储罐之中；

Sp2、电阻加热：启动光纤发热层，且光纤发热层表面一部分浸没于液体之中，一部分暴露在储罐空气之中；

Sp3、测位模块测量：上述Sp1、Sp2运行开始之后，将测位组件接入光学处理单元之中，且光学处理单元的终端接入光学后向散射反射计。

Sp4、反馈信号：通过Sp3位置的测位组件可以测量得到大量的点位温度数据，通过数据分析，得到液气分界线的位置，得到准确的液位信息。

优选的，所述内置低温液体储罐过程中保证光纤测位组件至少三分之一至多三分之二的部位浸没于液体之中。

优选的，所述内置低温液体储罐过程中保证光纤测位组件至少三分之一至多三分之二的部位浸没于液体之中，所述测位模块测量过程中，需要保证测位模块在测位组件表面等间距均匀排列，且测位模块的光信号接收瑞利散射反馈的光信号。

优选的，所述测位模块测量的流程包括如下模块：

测位模组：所述测位模组的测位模块的信号接收端连接在超低温罐体的内壁上，并且呈几何整列均匀分布，所述测位模块的信号收发连接端连接有直连光电转换模块的示波器；

信号模块：所述信号模块包括和测位模块电连接的光信号模块、中间处理模块和后处理模块。

优选的，所述信号模块的中间处理模块包含和光信号模块电连接的处理电路，所述处理电路为两组，两组所述处理电路之间电连接有光探测模块，所述光探测模块和两端电连接的处理电路均和云端数据相互无线电连接，且光探测模块和两端电连接的处理电路和云端数据之间的电连接采用DES和Arnold结合的加密传输算法。

优选的，所述后处理模块包括和云端数据相互电信号连接的服务器，所述服务器和中间处理模块之间电连接有数据处理模组，所述数据处理模组为物理数据存储，且数据处理模组采用物理网络隔离，并且数据处理模组的信息在局域网中采用MAC独立配对的方式进行数据传输。

有益效果

本发明提供了基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统及组件。具备以下有益效果：

1、本发明利用光纤发热在液体和气体中散热情况不同导致温度显著不同，再通过贴敷的光纤来检测位度的变化点位，从而测量液位，解决了超低温液体例如液氮，液氧，液氢的液体与空气界面由于蒸发作用，温度差别小，无法用光纤测量温度的方法进行区别，传统的液位传感器是布置大量电子传感器，需要大量的接线，成本高，系统复杂，可靠性差的问题。

2、本发明在光电解析的时候，通过两组处理电路对信号进行双向滤波和双向放大调制，提高后续处理信号的准确性，减少由于光电信号过于微弱导致信号的细节难以判定的情况，同时在光探测模块的前后增加处理模块，处理模块中增加了滤波、调制、放大、功放等处理电路，避免了光探测模块在接收光信号以及在接收远程控制的时候的信号干扰，保证测量的准确性和稳定性。

3、本发明在探测模块的位置增加了伸缩层和伸缩端，避免整个光纤测位组件在使用的时候由于温度的剧烈变化导致的设备损伤，同时在测位组件的外置内置之间位置增加了电磁屏蔽层，减少外界信号干扰，提高测量数据的准确性。

附图说明

图1为本发明的光学纵向截面示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的横向截面示意图；

图4为本发明的纤芯截面示意图；

图5为本发明的工作流程图；

图6为本发明的测位模组工作形式图；

图7为本发明的光信号模块工作形势图；

图8为本发明的整体工作形势图；

图9为本发明的测位组件结构图；

图10为本发明光纤发热原理图。

其中：1、光纤芯；2、纤维加固层；3、隔离层；4、光学泵浦通道；5、信号通道；6、光纤发热层；7、测位组件；8、伸缩端；9、内置光纤；10、伸缩层；11、外置光纤；12、封闭盖板；13、电磁屏蔽层；14、隔温层；15、测位光纤头。

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、完整地描述，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。

具体实施例一：

如图1-4、9所示，基于光纤光频域反射的超低温液位传感组件，本实施列中的工况条件均是对超低温液体储罐内部进行测量的，储罐均为超低温液体的存量罐体，内部液位需要进行测量，包括光纤芯1，光纤芯1的两端分别有光学泵浦通道4和信号通道5，由于光学信号经过了泵浦之后，可以实现光信号的放大，从而在后续信号收集之后得到的光信号更加的明确，光纤芯1的表面包裹有纤维加固层2，纤维加固层2采用玻璃纤维，且纤维加固层2的表面涂覆有金属漆，纤维加固层2表面的金属漆采用银基金属漆，纤维加固层2的表面包裹有隔离层3，隔离层3采用高模量GFPR，且隔离层3采用的GFPR内部添加有化纤纤维，保证整个GFPR具有充分的可编织织物的性能，提高整个GFPR的整体韧性和抗拉性，隔离层3的表面包裹有光纤发热层6，光纤发热层6采用的为塑料基材，塑料基材的表面覆盖有铜材料的电阻，且光纤发热层6的塑料基材表面均匀贴合有玻璃纤维，提高光纤发热层6的整体强度，避免在工业使用环境下导致整体产生撕裂的情况，光纤发热层6的表面均匀排列有测位组件7，测位组件7包括嵌合在光纤发热层6的测位光纤头15，测位光纤头15的首端贯穿光纤发热层6，尾端连接有内置光纤9，光纤发热层6采用双光纤平行粘合固定，光纤发热层6尾端连接有内置光纤9，且内置光纤9和测位光纤头15之间设置有伸缩端8，内置光纤9的尾端连接有外置光纤11，外置光纤11和内置光纤9的连接位置自上而下依次套接有封闭盖板12，电磁屏蔽层13，伸缩层10和隔温层14，电磁屏蔽层13采用高密度聚乙烯复合碳纤维管的板材压合成型，且电磁屏蔽层13采用微孔板材，内置光纤9的表面涂覆有钼镀层，伸缩端8表面缠绕有高强度尼龙丝，测位组件7采用的排列点位包括但是不限于类似于表面矩形阵列、或者采用等间距螺旋线的均匀阵列方式，从而可以实现较好的整体的排列方式，同时采集的光信号为瑞利散射光信号，可以保证测量光信号的区域性，同时由于是散射光信号，可以保证散射光信号在储罐之中有较多的测量区域，保证测量出来的信号覆盖较多，同时由于光学本身的特性，因此可以探测的精度较高，同时光纤发热层6可以采用发热光纤可以是NiCr 合金线，直径200um,电阻23Ω/m，测位组件7的终端均连接在光信号询问单元，光信号询问单元和光纤反馈信号处理终端相互电连接，光信号询问单元需要满足温度分辨率和空间分辨率的两个关键要求，温度分辨率决定了当光纤以最小功率加热时，传感器区分液位高度的难易程度。空间分辨率决定了测量的精度，在对询问单元的接收器检测到的后向散射光干涉信号进行傅里叶变换后，可以提取干涉信号的频率，并映射到反向散射光的相应光纤段的位置。频移与影响纤维段的外部测量值成正比。本实施例基于光致发热的原理进行实现，在信号采集部分无电流产生，因此测量时更加安全，适用于易燃易爆液体的液位测量。

具体实施例二：

如图5-8所示，基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统，光纤测位系统的步骤如下：

Sp1、内置低温液体储罐：将光纤测位组件嵌合在超低温原料储罐之中；

Sp2、电阻加热：启动光纤发热层6，且光纤发热层6层表面一部分浸没于液体之中，一部分暴露在储罐空气之中；

Sp3、测位模块测量：上述Sp1、Sp2运行开始之后，将测位组件7接入光学处理单元之中，且光学处理单元的终端接入光学后向散射反射计。

Sp4、反馈信号：通过Sp3位置的测位组件7可以测量得到大量的点位温度数据，通过数据分析，得到液气分界线的位置，得到准确的液位信息。

内置低温液体储罐过程中保证光纤测位组件至少三分之一至多三分之二的部位浸没于液体之中。

内置低温液体储罐过程中保证光纤测位组件至少三分之一至多三分之二的部位浸没于液体之中，测位模块测量过程中，需要保证测位模块在测位组件表面等间距均匀排列，且测位模块的光信号接收瑞利散射反馈的光信号。

测位模块测量的流程包括如下模块：

测位模组：测位模组的测位组件7的信号接收端连接在超低温罐体的内壁上，并且呈几何整列均匀分布，测位模块的信号收发连接端连接有直连光电转换模块的示波器,光纤中发生拉曼散射，经过拉曼散射之后的光包括斯托克斯光和反斯托克斯光，反斯托克斯光对光纤所在环境温度变化极较为敏感，斯托克斯光对环境温度不敏感，可作为参考光，反斯托克斯光与斯托克斯光的比值可以用来计算温度值，采用的比值公式为：IaIs=ae−ℎcvkT,其中Ia反斯托克斯光，Is为斯托克斯光，h为普朗克系数，k为玻尔兹曼常熟，T为测位点的绝对温度值，经过积分换算后可以得到测位点的绝对温度值的基础计算公式为：T=ℎcvk[lna−ln(Ia/Is)]，因此可以得到一个准确的测位点温度，从而可以通过参考相关的温度变化系数，进一步得到液位数据信息，同时在使用过程中可以将光纤传输损耗通过Stokes的温度调制函数进行常量化匹配，同时光电解析的时候，通过两组处理电路对信号进行双向滤波和双向放大调制，提高后续处理信号的准确性，减少由于光电信号过于微弱导致信号的细节难以判定的情况，同时在光探测模块的前后增加处理模块，处理模块中增加了滤波、调制、放大、功放等处理电路，避免了光探测模块在接收光信号以及在接收远程控制的时候的信号干扰，保证测量的准确性和稳定性。

信号模块：信号模块包括和测位模块电连接的光信号模块、中间处理模块和后处理模块。

信号模块的中间处理模块包含和光信号模块电连接的处理电路，处理电路为两组，两组处理电路之间电连接有光探测模块，光探测模块和两端电连接的处理电路均和云端数据相互无线电连接，且光探测模块和两端电连接的处理电路和云端数据之间的电连接采用DES和Arnold结合的加密传输算法，后处理模块包括和云端数据相互电信号连接的服务器，服务器和中间处理模块之间电连接有数据处理模组，数据处理模组为物理数据存储，且数据处理模组采用物理网络隔离，并且数据处理模组的信息在局域网中采用MAC独立配对的方式进行数据传输。

内置低温液体储罐过程中保证光纤测位组件至少三分之一至多三分之二的部位浸没于液体之中，测位模块测量过程中，需要保证测位模块在测位组件表面等间距均匀排列，且测位模块的光信号接收瑞利散射反馈的光信号，采用光学瑞利后向散射技术来测量温差，并确定浸在液体中并暴露在蒸汽中的电加热光纤上的位置，光纤测位系统的工作原理与目前用于航天飞行器推进剂质量测量的硅二极管液位传感探头非常相似，硅二极管液点传感器的电压取决于硅二极管的温度，通过测量它上面的电压，可以确定硅二极管的温度，为了区分液体和蒸汽，每个硅二极管通过提供额外的电流来加热，并监测它之间的电压，当浸入液体推进剂中时，二氧化硅二极管的温度受到液体推进剂沸点温度的限制，浸没和未浸没的硅二极管之间的温差被用来区分液体和蒸汽，利用硅二极管传感器配置，可以进一步确定推进剂的液位。

同时参考图10，C-OFDR瑞利散射仪OBR，高相干连续波激光光源，波长1520-1610nm，对信号处理单元的接收机检测到的后向散射光干扰信号进行傅里叶变换后，可以提取出干扰信号的频率并将其映射到相应的后向散射光的光纤段的位置，频率位移与影响光纤段的外部测量值(如温度或应变)成正比，研究表明，OFDR具有优于0.1°C的温度分辨率，在几十米范围内具有毫米范围的空间分辨率，高衰减光纤是在纤芯中掺杂较高浓度的钴或者铬金属离子以增加光子的散射和吸收，从而获得较大的衰减系数，因此当光束注入其中时，就会由于光吸收沿光纤轴向形成温度梯度，再通过传感光纤与高衰减光纤的物理接触将此温度场传递给前者，即可在传感光纤中产生温度梯度，使用导热胶水将传感光纤与高衰减光纤并排粘贴在一起来完成热量的传递，通过使用此种光纤与传感光纤结合作为传感探测部分搭建传感装置进行液位测量，例如：加热光源波长1550nm,衰减系数10db,功率1000 mW。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个引用结构”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.基于光纤光频域反射的超低温液位传感组件，包括光纤芯（1），其特征在于：所述光纤芯（1）的表面包裹有纤维加固层（2），所述纤维加固层（2）的表面包裹有隔离层（3），所述隔离层（3）的表面包裹有光纤发热层（6），所述光纤发热层（6）的表面均匀排列有测位组件（7）。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光频域反射的超低温液位传感组件，其特征在于：所述光纤芯（1）的两端分别有光学泵浦通道（4）和信号通道（5）。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光频域反射的超低温液位传感组件，其特征在于：所述纤维加固层（2）采用玻璃纤维，且纤维加固层（2）的表面涂覆有金属漆，纤维加固层（2）表面的金属漆采用银基金属漆。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光频域反射的超低温液位传感组件，其特征在于：所述测位组件（7）包括嵌合在光纤发热层（6）的测位光纤头（15），所述测位光纤头（15）的首端贯穿光纤发热层（6），所述光纤发热层（6）采用双光纤平行粘合固定，光纤发热层（6）尾端连接有内置光纤（9），且内置光纤（9）和测位光纤头（15）之间设置有伸缩端（8），所述内置光纤（9）的尾端连接有外置光纤（11），所述外置光纤（11）和内置光纤（9）的连接位置自上而下依次套接有封闭盖板（12），电磁屏蔽层（13），伸缩层（10）和隔温层（14）。

5.根据权利要求4所述的基于光纤光频域反射的超低温液位传感组件，其特征在于：所述电磁屏蔽层（13）采用高密度聚乙烯复合碳纤维管的板材压合成型，且电磁屏蔽层（13）采用微孔板材，所述内置光纤（9）的表面涂覆有钼镀层，所述伸缩端（8）表面缠绕有高强度尼龙丝。

6.基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统，其特征在于：所述光纤测位系统的步骤如下：

Sp1、内置低温液体储罐：将光纤测位组件嵌合在超低温原料储罐之中；

Sp2、电阻加热：启动光纤发热层（6），且光纤发热层（6）表面一部分浸没于液体之中，一部分暴露在储罐空气之中；

Sp3、测位模块测量：上述Sp1、Sp2运行开始之后，将测位组件（7）接入光学处理单元之中，且光学处理单元的终端接入光学后向散射反射计；

Sp4、反馈信号：通过Sp3位置的测位组件（7）可以测量得到大量的点位温度数据，通过数据分析，得到液气分界线的位置，得到准确的液位信息。

7.根据权利要求6所述的基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统，其特征在于：所述内置低温液体储罐过程中保证光纤测位组件至少三分之一至多三分之二的部位浸没于液体之中，所述测位模块测量过程中，需要保证测位模块在测位组件表面等间距均匀排列，且测位模块的光信号接收瑞利散射反馈的光信号。

8.根据权利要求6所述的基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统，包括超低温罐体和安装于罐体表面的测位组件（7），其特征在于：所述测位模块测量的流程包括如下模块：

测位模组：所述测位模组的测位组件（7）的信号接收端连接在超低温罐体的内壁上，并且呈几何整列均匀分布，所述测位模块的信号收发连接端连接有直连光电转换模块的示波器；

信号模块：所述信号模块包括和测位模块电连接的光信号模块、中间处理模块和后处理模块。

9.根据权利要求8所述的基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统，其特征在于：所述信号模块的中间处理模块包含和光信号模块电连接的处理电路，所述处理电路为两组，两组所述处理电路之间电连接有光探测模块，所述光探测模块和两端电连接的处理电路均和云端数据相互无线电连接，且光探测模块和两端电连接的处理电路和云端数据之间的电连接采用DES和Arnold结合的加密传输算法。

10.根据权利要求8所述的基于光纤光频域反射的超低温液位传感系统，其特征在于：所述后处理模块包括和云端数据相互电信号连接的服务器，所述服务器和中间处理模块之间电连接有数据处理模组，所述数据处理模组为物理数据存储，且数据处理模组采用物理网络隔离，并且数据处理模组的信息在局域网中采用MAC独立配对的方式进行数据传输。

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