CN202547822U - 用光纤光栅对油罐温度进行监测的装置 - Google Patents

Abstract

用光纤光栅对油罐温度进行监测的装置，属光纤光栅检测技术领域，包括ASE光源、光谱解调仪、计算机等，其特征在于ASE光源经光纤和3db耦合器的输入端相连接，3db耦合器的输出端由光纤将其连接到光开关上，光开关的输出端经光缆和分路器相连接，分路器输出端经光缆和多路光纤光栅相连接；3db耦合器的另一输出端由光纤将其连接到光谱解调仪上，光谱解调仪和计算机相连接；计算机和报警器相连接。本实用新型装置先进行温度定标，再对油罐的温度适时监测，通过计算机具有测量快速、准确、灵敏、安全、稳定，且可同时测量油温及油气温度的优点，可代替原有复杂的、易受外界因素影响的测量仪器，从而降低了成本。

Description

用光纤光栅对油罐温度进行监测的装置

技术领域

本实用新型涉及一种用光纤光栅对油罐温度进行监测的装置，属光纤光栅检测技术领域。

背景技术

根据光纤光栅可以反射特定波长的光这一重要性质，光纤光栅在不同的温度、介质等条件下会反射不同波长的光，利用光纤光栅这一性质把光纤光栅作为传感器的温度等传感系统已经被广泛应用与生产生活中的诸多领域。石油产品在储存期间，由于油料具有热膨胀性的特点，随着温度的升高，油罐内的油料体积将受热膨胀，原油在油库的储油罐中必然有一定的存储时间，随着罐存时间的增长，原油温度将逐渐下降，而其温度决不允许低于某个数值(一般为29℃)，否则将造成凝罐等恶性事故，使原油储运工作无法正常进行，其后果将是十分严重的。所以要保证油罐运行既安全又经济，必须正确确定油罐的储油温度。(测试油罐内空气温度的必要性)

因此寻找快速、准确、灵敏、安全的测量油罐温度的方法有重要意义。目前应用于油罐温度测量的系统多依靠铂热电阻温度传感器测量油温，设备复杂，灵敏度较低，受外界因素影响较大，如专利号为200920251207.0，实用新型名称为《油罐温度计》的专利，即为此种情况。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本实用新型提出了一种用光纤光栅对油罐温度进行监测的装置，旨在能够方便、准确的测量，代替原有测量仪器，从而降低成本。

本实用新型的技术方案如下：

一种用光纤光栅对油罐温度进行监测的装置，包括ASE光源、3db耦合器、光开关、光谱解调仪、计算机、分路器、光缆、光纤光栅，其特征在于ASE光源经光纤和3db耦合器的输入端相连接，3db耦合器的输出端由光纤将其连接到光开关上，光开关的输出端经光缆和分路器相连接，分路器输出端经光缆和多路光纤光栅相连接；3db耦合器的另一输出端由光纤将其连接到光谱解调仪上，光谱解调仪和计算机相连接；计算机和报警器相连接。

所述的光纤光栅是0.4nm带宽光纤布拉格光栅(FBG)，光纤光栅的路数为8-64路，每个油罐设置2-4路光纤光栅监测点，借助装置中的光开关的切换同时监测各个被测油罐的温度。

所述的多路光纤光栅中每路光纤光栅跟其他的光纤光栅的中心反射波长是不相同的。

上述的ASE光源是指C波段放大自发辐射光源。光源主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的泵浦激光器。

上述的FBG是Fiber Bragg Grating的缩写，即光纤布拉格光栅。

本实用新型装置中ASE光源发出的光经过3db耦合器、光开关以及光缆的传输，到达光纤光栅，先将光纤光栅竖向安装固定在被测油罐中。FBG的反射光的光波长满足：λ_g＝2n_effΛ，其中n_eff表示FBG的有效折射率，A表示FBG的固有周期。多路FBG应选择具有不同参数的，以便在反射谱上均匀分布无交叉，易于读取。反射光经相同路径返回至波长解调系统，在计算机上得到反射光的光功率谱。由于光纤光栅处在不同介质中时，反射谱中的谱峰会分裂为两个相邻的峰，其中双峰中对应的短波长峰值一记为P₁，长波长峰值二记为P₂，对应的波长为别为λ₁与λ₂。波长λ₁的光功率P₁、波长λ₂的光功率P₂均由波长解调仪解调得出，并输入到计算机由其实时读取。

本实用新型装置中ASE光源的波长范围较宽，光谱形状、功率较为稳定，而当FBG处在不同介质中时反射回的光有较小的谱宽，故可以利用多个FBG在同一油罐内分布测量，从而增加数据的可靠性、多样性利用光开关切换测量不同油罐内数据，增加监测的容量。

本实用新型装置对油罐温度进行监测的原理如下：当温度变化时，会使得光纤光栅的有效折射率以及栅距的变化，从而造成对光纤光栅布拉格波长的漂移。由光纤光栅布拉格波长λ_g的表达式λ_g＝2n_efffΛ知，λ_g随温度T变化的公式如下：

得： $\frac{{\∂\mathrm{\λ}}_g}{\∂T}=2[\frac{{\∂n}_{\mathrm{efff}}}{\∂T}\mathrm{\Λ}+n_{\mathrm{efff}}\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T}]$

即： ${\mathrm{d\λ}}_g=2[\mathrm{\Λ}\frac{{\∂n}_{\mathrm{efff}}}{\∂T}\mathrm{dT}+n_{\mathrm{efff}}\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T}\mathrm{dT}]$

于是有：Δλ_g＝2(ΛΔn_efff+n_efffΔΛ)    (1)

其中，Δn_efff为光纤光栅有效折射率随温度的变化而产生的变化，ΔΛ为光纤光栅栅距因温度的改变而产生的变化，而

Δn_efff＝ζΔTne_fff(ζ为热光系数)

ΔΛ＝αΔTΛ(α为热膨胀系数)

将两式带入上述的(1)式中得：

Δλ_g＝2(ΛζΔTn_efff+n_efffαΔTΛ)＝2n_efffΛ(ζ+α)ΔT    (2)

因为α远小于ζ，可以忽若α，由λ_g＝2n_efffΛ及(2)式可得到Δλ_g＝λ_gζΔT，由上式可见温度改变时即改变ΔT能引起布拉格反射波长λ_g的漂移即Δλ_g，温度的变化值ΔT与布拉格反射波长的漂移Δλ_g成正比，即温度升高，反射光波长变长。

利用上述装置进行温度监测的方法，步骤如下：

1、光纤光栅的温度定标

将装置连接好，将测温用光纤光栅放置在恒温装置中，改变恒温装置里的温度，由光纤光栅的温度特性曲线T₀-λ₀测量并确定出光纤光栅的中心波长和温度之间的一一对应关系，由计算机记录下来；根据油罐的安全油温数值，确定光纤光栅的中心波长的漂移范围，设定安全油温为T_min-T_max，对应光纤光栅的中心波长为λ_min-λ_max；对每根测温用光纤光栅重复上述定标过程，完成了整个装置测温用光纤光栅的温度定标；

2、监测装置对油罐的温度监测

将定标后的光纤光栅装在被测油罐的内壁上，连接好监测装置，ASE光源经耦合器、光开关、分路器、以及光缆的传输到达光纤光栅，光纤光栅反射回的光经相同路径反射回波长解调仪，将反射谱以二维坐标的形式显示出来，由计算机读取数据后绘制出每根测温用光纤光栅的中心波长-时间的二维波形图，通过拟合公式显示出对应的温度值；

3、监测温度的超限报警

监测装置检测到被测油罐的温度低于T_min或者高于T_max时，通过和计算机相连接的报警器进行报警，以提示某一油罐温度超限，从而排除安全隐患。

本实用新型装置具有测量快速、准确、灵敏、安全、稳定，且可同时测量油温及油气温度的优点，可代替原有复杂的、易受外界因素影响的测量仪器，从而降低了成本。

附图说明

图1是本实用新型装置的结构示意图：

其中：1-ASE光源，2-3db耦合器，3-光开关，4-光谱解调仪，5-计算机，6-分路器，7-光缆，8-光纤光栅(各个光纤光栅具有不同的中心波长)，9-光缆，10-报警器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本实用新型实施例1如图1所示，一种用光纤光栅对油罐温度进行监测的装置，包括ASE光源1、3db耦合器2、光开关3、光谱解调仪4、计算机5、分路器6、光纤光栅8，其特征在于ASE光源1经光纤和3db耦合器2的输入端相连接，3db耦合器2的输出端由光纤将其连接到光开关3上，光开关3的输出端经光缆和分路器6相连接，分路器6输出端经光缆7和多路光纤光栅8相连接；3db耦合器2的另一输出端由光纤将其连接到光谱解调仪4上，光谱解调仪4和计算机5相连接；计算机5和报警器10相连接。

所述的光纤光栅8是0.4nm带宽光纤布拉格光栅(FBG)，光纤光栅的路数为16路，每个油罐设置2路光纤光栅监测点，借助装置中的光开关3的切换同时监测8个被测油罐的温度。

所述的多路光纤光栅中每路光纤光栅8跟其他的光纤光栅的中心反射波长是不相同的。

实施例2：

和实施例1相同，只是光纤光栅的路数为64路，每个油罐设置4路光纤光栅监测点，借助光开关3的切换同时监测16个油罐。

Claims (3)

1.一种用光纤光栅对油罐温度进行监测的装置，包括ASE光源、3db耦合器、光开关、光谱解调仪、计算机、分路器、光缆、光纤光栅，其特征在于ASE光源经光纤和3db耦合器的输入端相连接，3db耦合器的输出端由光纤将其连接到光开关上，光开关的输出端经光缆和分路器相连接，分路器输出端经光缆和多路光纤光栅相连接；3db耦合器的另一输出端由光纤将其连接到光谱解调仪上，光谱解调仪和计算机相连接；计算机和报警器相连接。

2.如权利要求1所述的一种用光纤光栅对油罐温度进行监测的装置，其特征在于所述的光纤光栅是0.4nm带宽光纤布拉格光栅，光纤光栅的路数为8-64路，每个油罐设置2-4路光纤光栅监测点。

3.如权利要求1所述的一种用光纤光栅对油罐温度进行监测的装置，其特征在于所述的多路光纤光栅中每路光纤光栅跟其他的光纤光栅的中心反射波长是不相同的。

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