CN116879577A - 一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，包括以下步骤：S1，布置测量装置；所述测量装置包括光纤、热源棒和多个FBG传感器；S2，采用恒定激光加热热源棒；S3，计算一个所述FBG传感器处的温度变化ΔT(r,θ)，将温度变化ΔT(r,θ)无量纲化，得到无量纲温度变化ΔT′(r′,θ)，根据ΔT′(r′,θ)计算液体流速v；S4，计算多个所述FBG传感器处的温度变化ΔTi，结合求得液体流向θflow，i为所述FBG传感器的个数。本发明采用光纤传感测量流速流向，相比基于电类的传感测量方法，具有快速响应的特点，且可以实现同时测量；本发明通过恒定激光的方式提供热源，相比电加热具有防电磁干扰的优势，在液体尤其是易燃易爆液体中的测量中尤其具有优势，还可用于测量气体。
Description
技术领域
本发明涉及低流速测量领域，具体是涉及一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法。
背景技术
对于水利水库大坝渗流、以及其它极端情况下超低流速的测量问题，基于传统测量原理的常规流速仪传感器存在较大困难，本发明专利在利用温度场分布测量流速的基础上，还可以实现多角度流向测量。
Seunghyun Kim et al.(Kim S,Kim S,Kim Y,et al.A circular-type thermalflow direction sensor free from temperature compensation[J].Sensors andActuators A:Physical,2003,108(1-3):64-68.)设计了一种无需温度补偿的圆形热式流向传感器，基于传统的热线风速仪的测量原理和MEMS技术，设计了一个圆形结构的传感器，将流向信息转化为传感器上电阻率的不同变化规律实现对流向的测量；魏泽文(魏泽文,秦明,黄庆安.一种新型硅电容式流速流向传感器的设计[J].传感技术学报,2006(05):2041-2043+2046.)等人提出了一种电容式的流速流向传感器，设计阻流体和支撑梁结构，将流体的流速和流向等信息转化为阻流体间的位移，进而转化为电容的变化，通过对电容信息的测量和处理可以同时得到流体的流速和流向；Rong-Hua Ma et.Al(Ma R H,Wang D A,Hsueh T H,et al.AMEMS-based flow rate and flow direction sensing platformwith integrated temperature compensation scheme[J].Sensors,2009,9(7):5460-5476.)利用MEMS技术设计了一种同时测量气体流速和流向的；基于热线风速仪的测量原理，对称结构的压敏电阻在温度补偿之后将流速和流向信息转化为电阻的变化，进而实现对流速和流向的同时测量，但是流向的需要在获取流速之后才能进一步获取，不能实现真正意义上的同时测量。
随着光纤光敏技术和光栅制造技术的进步，光纤光栅凭借其结构紧凑、稳定性高、信号强、快速响应、精度高、不受光源波动和链路损耗变化的影响、抗干扰能力强等优点，成为应用领域最为广泛的光纤传感技术，在研究较多的热式流速传感器中有许多结合光纤光栅传感测量的方法：贾振安(贾振安,杨凯庆,赵显锋,白燕,高宏.一种新型FBG热式液体流量传感器[J].光子学报,2021,50(02):45-51.)等人提出了一种采用陶瓷加热的热式流量传感器，将微型陶瓷加热片与光纤光栅粘在一起后放入不锈钢保护管进行封装，陶瓷加热片通电后发热作为热源，FBG作为传感元件实现流速的测量；陶瓷加热片需要引入两根电极供电，因此需要对封装结构进行密闭防水处理。张天熙(张天熙.光纤热线式低启动流量传感技术研究[D].西北大学,2021.DOI:10.27405/d.cnki.gxbdu.2021.)制作了一种光纤布拉格光栅非本征法布里珀罗结构的FBG-EFPI流速传感器，传感器热源有陶瓷加热管提供，并将光纤传感结构FBG-EFPI封装到陶瓷加热管内，实现热线结构的流速传感器。然而，这些基于光纤光栅的流速传感器均采用电加热的方式提供热源，无法完全实现全光纤化，仍然需要考虑在水下工作时对电导线的封装以及对电极的保护。
发明内容
为解决现有技术中液体低流速测量和流向测量的不足，本发明提出一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，包括以下步骤：
S1，布置测量装置；所述测量装置包括光纤、热源棒和多个FBG传感器；所述光纤包括加热光纤和传感光纤，加热光纤与所述热源棒连接，用于加热热源棒；传感光纤与所述FBG传感器连接，用于接收FBG传感器的传感信息至光纤光栅解调仪；所述FBG传感器与所述热源棒平行布置，布置方向满足所述FBG传感器的横截面与所述热源棒的横截面均平行于液体流向，且所述FBG传感器的横截面位于以所述热源棒的横截面为原点的圆周上；所述热源棒为金属管；
S2，采用恒定激光加热热源棒；
S3，计算一个所述FBG传感器处的温度变化ΔT(r,θ)，r为该所述FBG传感器处到热源棒的距离，θ为该所述FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角；将温度变化ΔT(r,θ)无量纲化，得到无量纲温度变化ΔT′(r′,θ)，其中，表示所述FBG传感器到热源棒的无量纲化距离，其中，Rh为热源棒的半径；根据ΔT′(r′,θ)计算液体流速v；
S4，计算多个所述FBG传感器处的温度变化ΔTi，结合求得液体流向θflow，i为所述FBG传感器的个数。
优选的，所述S3中，由所述FBG传感器测定的光谱图的中心波长的变化，得出该点的温度T(r,θ)，根据ΔT(r,θ)＝T(r,θ)-T0(r,θ)求得温度变化ΔT(r,θ)，其中，T0(r,θ)为未加热时的流体温度，由一开始布置传感器时测量得到。
优选的，所述S3中，将温度变化ΔT(r,θ)无量纲化，得到无量纲温度变化ΔT′(r′,θ)表示如下：
其中，K0，K1分别表示零阶和一阶的第二类贝塞尔函数，Pe为佩克莱数，表示如下：
其中，ρ、Cp分别为流体的密度、热容，k为流体的热导率，α为流体热扩散系数。
优选的，所述S4中，ΔTi由所述FBG传感器测定的光谱图的中心波长的变化，得出该点的温度ΔTi。
优选的，所述FBG传感器的数量为三个，分别为第一FBG传感器、第二FBG传感器和第三FBG传感器。
优选的，所述S4的θflow表示如下：
其中，ΔT1为第一FBG传感器测得的温度，θ1为第一FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角；ΔT2为第二FBG传感器测得的温度，θ2为第二FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角；ΔT3为第三FBG传感器测得的温度，θ3为第三FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角。
优选的，所述热源棒与所述加热光纤封装于金属管内。
优选的，在所述加热光纤周围用金属粉末填充增加温度的传导性。
优选的，所述金属管和所述热源棒的材质为不锈钢。
优选的，所述热源棒外径为1.1mm，所述金属管外径为1.8mm，所述金属管内径可为1.1mm。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用光纤传感测量流速流向，相比基于电类的传感测量方法，具有快速响应的特点，且可以实现同时测量；
(2)本发明通过恒定激光的方式提供热源，相比电加热具有防电磁干扰的优势，在流体尤其是易燃易爆液体中的流速流向测量中具有优势，可同时测量流体的流速流向，包括但不限于测量液体、气体。
附图说明
图1为本发明实施例的步骤图；
图2为本发明实施例的测量装置结构图；
图3为本发明实施例的热源棒结构图；
图4为本发明实施例的测量装置布设平面坐标图；
图5为本发明实施例在以热源棒为圆心的圆周上的不同流速下归一化温度变化。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进行进一步说明。
参见图1所示，为本发明实施例的步骤图，包括：
S1，布置测量装置；所述测量装置包括光纤、热源棒和多个FBG传感器；所述光纤包括加热光纤和传感光纤，加热光纤与所述热源棒连接，用于加热热源棒；传感光纤与所述FBG传感器连接，用于接收FBG传感器的传感信息至光纤光栅解调仪；所述FBG传感器与所述热源棒平行布置，布置方向满足所述FBG传感器的横截面与所述热源棒的横截面均平行于液体流向，且所述FBG传感器的横截面位于以所述热源棒的横截面为原点的圆周上；所述热源棒为金属管；
S2，采用恒定激光加热热源棒；
S3，计算一个所述FBG传感器处的温度变化ΔT(r,θ)，r为该所述FBG传感器处到热源棒的距离，θ为该所述FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角；将温度变化ΔT(r,θ)无量纲化，得到无量纲温度变化ΔT′(r′,θ)，其中，表示所述FBG传感器到热源棒的无量纲化距离，其中，Rh为热源棒的半径；根据ΔT′(r′,θ)计算液体流速v；
S4，计算多个所述FBG传感器处的温度变化ΔTi，结合求得液体流向θflow，i为所述FBG传感器的个数。
具体的，所述S3中，由所述FBG传感器测定的光谱图的中心波长的变化，得出该点的温度T(r,θ)，根据ΔT(r,θ)＝T(r,θ)-T0(r,θ)求得温度变化ΔT(r,θ)，其中，T0(r,θ)为未加热时的流体温度，由一开始布置传感器时测量得到。
具体的，所述S3中，将温度变化ΔT(r,θ)无量纲化，得到无量纲温度变化ΔT′(r′,θ)表示如下：
其中，K0，K1分别表示零阶和一阶的第二类贝塞尔函数，Pe为佩克莱数，表示如下：
其中，ρ、Cp分别为流体的密度、热容，k为流体的热导率，α为流体的热扩散系数。
具体的，所述S4中，ΔTi由所述FBG传感器测定的光谱图的中心波长的变化，得出该点的温度ΔTi。
具体的，所述FBG传感器的数量为三个，分别为第一FBG传感器、第二FBG传感器和第三FBG传感器。
具体的，所述S4的θflow表示如下：
其中，ΔT1为第一FBG传感器测得的温度，θ1为第一FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角；ΔT2为第二FBG传感器测得的温度，θ2为第二FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角；ΔT3为第三FBG传感器测得的温度，θ3为第三FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角。
参见图2所示，为本发明实施例的测量装置结构图；所述测量装置包括光纤、热源棒2和FBG传感器；所述光纤包括加热光纤11和传感光纤12，加热光纤11与所述热源棒2连接，用于加热热源棒2；传感光纤12与所述FBG传感器连接，用于接收FBG传感器的传感信息至光纤光栅解调仪；FBG传感器包括第一FBG传感器31、第二FBG传感器32和第三FBG传感器33；所述FBG传感器与所述热源棒2平行布置，布置方向满足截面平行于液体流向4，所述FBG传感器布置在以所述热源棒2为原点的圆周上；所述热源棒2为金属管。
具体的，参见图3所示，为本发明实施例的热源棒结构图；所述热源棒2与所述加热光纤11封装于金属管5内；在所述加热光纤11周围用金属粉末6填充增加温度的传导性。
参见图4所示，为本发明实施例的测量装置布设平面坐标图；水流方向与加热棒横截面平行，在加热棒横截面上以加热棒中心为原点建立极坐标系，以水平向右方向为极轴。
当水流速度为20um/s时，Pe＝0.2847，得到热源外热圆周上不同角度的无量纲温度分布。同理分别代入水流速度为40um/s、60um/s、80um/s对应的Pe取值分别为0.5695、0.8542，1.139，不同流速下热源外圆周上的无量纲温度分布如图5所示，由图可知：同一个角度下，不同流速的温度值不同，因此在流速传感器标定后，通过测量布置在已知角度的光纤传感器的温度值，并求得无量纲化温度差，根据公式(1)可以计算出流速；在同一个流速下，圆周上不同角度的温度不同，通过测量布置在多个不同的已知角度的光纤传感器的温度值，根据公式(2)可以计算出流向。
因此，本发明通过在热源周围布置FBG传感器，测量热源周围的温度变化，结合FBG传感器的布置角度，可以同时计算出流速与流向。
Claims (10)
1.一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，布置测量装置；所述测量装置包括光纤、热源棒和多个FBG传感器；所述光纤包括加热光纤和传感光纤，加热光纤与所述热源棒连接，用于加热热源棒；传感光纤与所述FBG传感器连接，用于接收FBG传感器的传感信息至光纤光栅解调仪；所述FBG传感器与所述热源棒平行布置，布置方向满足所述FBG传感器的横截面与所述热源棒的横截面均平行于液体流向，且所述FBG传感器的横截面位于以所述热源棒的横截面为原点的圆周上；所述热源棒为金属管；
S2，采用恒定激光加热热源棒；
S3，计算一个所述FBG传感器处的温度变化ΔT(r,θ)，r为该所述FBG传感器处到热源棒的距离，θ为该所述FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角；将温度变化ΔT(r,θ)无量纲化，得到无量纲温度变化ΔT′(r′,θ)，其中，表示所述FBG传感器到热源棒的无量纲化距离，其中，Rh为热源棒的半径；根据ΔT′(r′,θ)计算液体流速v；
S4，计算多个所述FBG传感器处的温度变化ΔTi，结合求得液体流向θflow，i为所述FBG传感器的个数。
2.根据权利要求1所述的一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，其特征在于，所述S3中，由所述FBG传感器测定的光谱图的中心波长的变化，得出该点的温度T(r,θ)，根据ΔT(r,θ)＝T(r,θ)-T0(r,θ)求得温度变化ΔT(r,θ)，其中，T0(r,θ)为未加热时的流体温度，由一开始布置传感器时测量得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，其特征在于，所述S3中，将温度变化ΔT(r,θ)无量纲化，得到无量纲温度变化ΔT′(r′,θ)表示如下：
其中，K0，K1分别表示零阶和一阶的第二类贝塞尔函数，Pe为佩克莱数，表示如下：
其中，ρ、Cp分别为流体的密度、热容，k为流体的热导率，α为流体的热扩散系数。
4.根据权利要求1所述的一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，其特征在于，所述S4中，ΔTi由所述FBG传感器测定的光谱图的中心波长的变化，得出该点的温度ΔTi。
5.根据权利要求1所述的一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，其特征在于，所述FBG传感器的数量为三个，分别为第一FBG传感器、第二FBG传感器和第三FBG传感器。
6.根据权利要求5所述的一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，其特征在于，所述S4的θflow表示如下：
其中，ΔT1为第一FBG传感器测得的温度，θ1为第一FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角；ΔT2为第二FBG传感器测得的温度，θ2为第二FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角；ΔT3为第三FBG传感器测得的温度，θ3为第三FBG传感器到热源棒的连线与液体流向的夹角。
7.根据权利要求1所述的一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，其特征在于，所述热源棒与所述加热光纤封装于金属管内。
8.根据权利要求7所述的一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，其特征在于，在所述加热光纤周围用金属粉末填充增加温度的传导性。
9.根据权利要求7所述的一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，其特征在于，所述金属管和所述热源棒的材质为不锈钢。
10.根据权利要求1所述的一种基于恒定激光和温度分布的光纤流速流向测量方法，其特征在于，所述热源棒外径为1.1mm，所述金属管外径为1.8mm，所述金属管内径可为1.1mm。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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