CN205002818U - 一种液体流量实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液体流量实时监测装置，其包括液体槽、潜水泵、ASE光源、光环行器、能够在待测液体的流动作用下发生应变的光纤光栅探头及用于观察光纤光栅反射谱的中心波长发生位移的光谱仪，潜水泵完全潜入液体槽内盛装的待测液体中，潜水泵的输出口上连接有输液管，输液管上设置有流量调节器，ASE光源的输出端与光环行器的第一个端口连接，光环行器的第二个端口与光纤光栅探头连接，光纤光栅探头置于输液管靠近出水口的位置中，光纤光栅探头位于流量调节器的下游，光环行器的第三个端口与光谱仪的输入端连接；优点是结构简单、操作简便，且利用了光纤光栅对应变敏感使光纤光栅反射谱的中心波长发生变化这一特性，使得该装置不受电磁干扰。

Description

一种液体流量实时监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种液体流量监测技术，尤其是涉及一种液体流量实时监测装置。

背景技术

光纤光栅是近期出现的一种新兴光子器件，其具有质量轻、抗电磁干扰、柔软性好、易设计加工等良好的物理性能。光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating，FBG）能够有效地监测温度、应力、形变等物理量，其工作原理是在满足相位匹配的前提条件下,使共振波长模式之间发生耦合来达到波长选择。光纤布拉格光栅传感器就是依据此工作原理发展起来的一种波长（还包括强度、相位、偏振态）调制型光学传感器。光纤布拉格光栅传感技术已被广泛应用于建筑结构、航空航天以及科学研究等许多领域。

液体的流量是工业生产过程等实际应用中的重要参量。现有的液体流量传感设备有：差压式流量计、容积式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计等，这些液体流量传感设备存在测量范围小、价格昂贵、易受电磁干扰等缺点。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作简便的液体流量实时监测装置，其利用了光纤光栅对应变敏感使光纤光栅反射谱的中心波长发生变化这一特性，使得该装置不受电磁干扰。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种液体流量实时监测装置，其特征在于：包括用于盛装待测液体的液体槽、用于从所述的液体槽内提取出待测液体的潜水泵、测试用的ASE光源、用于传输光信号的光环行器、能够在待测液体的流动作用下发生应变的光纤光栅探头及用于观察光纤光栅反射谱的中心波长发生位移的光谱仪，所述的潜水泵完全潜入所述的液体槽内盛装的待测液体中，所述的潜水泵的输出口上连接有输液管，所述的输液管上设置有用于调节待测液体的流量的流量调节器，所述的ASE光源的输出端与所述的光环行器的第一个端口连接，所述的光环行器的第二个端口与所述的光纤光栅探头连接，所述的光纤光栅探头完全置于所述的输液管靠近其出水口的位置中，且所述的光纤光栅探头位于所述的流量调节器的下游，所述的光环行器的第三个端口与所述的光谱仪的输入端连接。

所述的光纤光栅探头由裸光纤布拉格光栅和受力块组成，所述的裸光纤布拉格光栅的上端与所述的光环行器的第二个端口连接，所述的裸光纤布拉格光栅的下端与所述的受力块的受力面连接，所述的受力块的受力面与所述的裸光纤布拉格光栅中的光纤垂直，且当有待测液体流经所述的光纤光栅探头时，所述的受力块的受力面与待测液体的流动方向垂直。该光纤光栅探头工作时，具有不同流速的待测液体流经输液管作用在受力块的受力面上，使裸光纤布拉格光栅产生不同程度的应变，再通过在光谱仪上读出对应的反射谱中心波长的值就能准确的获取液体的流量。

所述的裸光纤布拉格光栅外包裹有用于保护所述的裸光纤布拉格光栅的弹性透明薄层。在此，弹性透明薄层的设置可有效地避免裸光纤布拉格光栅由于脆性在流动的待测液体的冲击力下可能发生的断裂。

所述的弹性透明薄层为均匀涂覆于所述的裸光纤布拉格光栅的外表面上的中性硅酮密封胶固化后形成的薄层。由于中性硅酮密封胶一旦接触空气中的水分就会固化成一种坚韧的橡胶类固体的材料，且粘结力强、抗拉强度大，同时又具有耐候性、抗振性、防潮、抗臭气和适应冷热变化大的特点，因此在裸光纤布拉格光栅的外表面上均匀涂覆中性硅酮密封胶，固化后形成的薄层能够很好的保护裸光纤布拉格光栅以避免在外力作用下断裂。

所述的裸光纤布拉格光栅的下端与所述的受力块的受力面之间通过粘接胶粘接并彻底固化后实现连接。在此，粘接胶可采用常用的502胶，彻底固化可采用室温下放置的形式，如室温下放置24小时使彻底固化。

该液体流量实时监测装置还包括用于盛放流经所述的光纤光栅探头后的待测液体的接收容器，所述的接收容器位于所述的输液管的出水口的正下方。

所述的接收容器采用带有刻度的量筒。在此，采用带有刻度的量筒作为接收容器，便于待测液体的流量的测量。

所述的输液管呈U型结构由依次一体连接的第一竖直子管、水平子管和第二竖直子管组成，所述的第一竖直子管的进水口与所述的潜水泵的输出口连接，所述的流量调节器设置于所述的水平子管上，所述的光纤光栅探头完全置于所述的第二竖直子管靠近其出水口的位置中。在此，将流量调节器设置于水平子管上，是为了使流量调节器设置于整根输液管的中部位置上；这种结构的输液管能够更好的保证受力块的受力面受力均匀，从而提高了液体流量的测量精度。

所述的ASE光源的输出端与所述的光环行器的第一个端口通过光纤连接，所述的光环行器的第二个端口与所述的光纤光栅探头通过光纤并采用现有的光纤熔接机焊接连接，所述的光环行器的第三个端口与所述的光谱仪的输入端通过光纤连接。

所述的潜水泵为低压潜水泵；所述的ASE光源采用波段为1525～1610nm的ASE光源；所述的光谱仪采用型号为AQ6370C的光谱分析仪。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1）利用光纤光栅探头对应变的敏感性，通过待测液体的流动对光纤光栅探头的作用使光纤光栅探头发生一定的应变，即可在光谱仪上观察到光纤光栅反射谱的中心波长发生位移，不同流量对应不同的光纤光栅反射谱中心波长，从而实现了对液体流量的监测，同时使得该液体流量实时监测装置不受电磁干扰。

2）该液体流量实时监测装置仅利用潜水泵、流量调节器、ASE光源、光环形器、光纤光栅探头和光谱仪就能够实现液体流量的实时监测，不仅结构简单，而且操作时仅需开启潜水泵和ASE光源即可，操作简便。

附图说明

图1为实施例一和实施例二的液体流量实时监测装置的组成示意图；

图2为实施例一和实施例三的液体流量实时监测装置中的光纤光栅探头的结构示意图；

图3为实施例二和实施例四的液体流量实时监测装置中的光纤光栅探头的结构示意图；

图4为实施例三和实施例四的液体流量实时监测装置的组成示意图；

图5为实施例五的液体流量实时监测装置的组成示意图；

图6为利用实施例五的液体流量实时监测装置测得的光纤光栅反射谱的中心波长与液体流量之间的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种液体流量实时监测装置，如图1和图2所示，其包括用于盛装待测液体的液体槽1、用于从液体槽1内提取出待测液体的潜水泵2、测试用的ASE光源3、用于传输光信号的光环行器4、能够在待测液体的流动作用下发生应变的光纤光栅探头5及用于观察光纤光栅反射谱的中心波长发生位移的光谱仪6，潜水泵2完全潜入液体槽1内盛装的待测液体中，潜水泵2的输出口上连接有输液管7，输液管7上设置有用于调节待测液体的流量的流量调节器8，ASE光源3的输出端与光环行器4的第一个端口连接，光环行器4的第二个端口与光纤光栅探头5连接，光纤光栅探头5完全置于输液管7靠近其出水口的位置中，且光纤光栅探头5位于流量调节器8的下游，光环行器4的第三个端口与光谱仪6的输入端连接。

在本实施例中，光纤光栅探头5由裸光纤布拉格光栅51和受力块52组成，裸光纤布拉格光栅51的上端与光环行器4的第二个端口连接，裸光纤布拉格光栅51的下端与受力块52的受力面连接，受力块52的受力面与裸光纤布拉格光栅51中的光纤垂直，且当有待测液体流经光纤光栅探头5时，受力块52的受力面与待测液体的流动方向垂直。该光纤光栅探头5工作时，具有不同流速的待测液体流经输液管7作用在受力块52的受力面上，使裸光纤布拉格光栅51产生不同程度的应变，再通过在光谱仪6上读出对应的反射谱中心波长的值就能准确的获取液体的流量。

实施例二：

本实施例提出的一种液体流量实时监测装置，如图1和图3所示，其对实施例一提出的一种液体流量实时监测装置中的光纤光栅探头5作了进一步的改进。

即本实施例的液体流量实时监测装置的具体结构为：其包括用于盛装待测液体的液体槽1、用于从液体槽1内提取出待测液体的潜水泵2、测试用的ASE光源3、用于传输光信号的光环行器4、能够在待测液体的流动作用下发生应变的光纤光栅探头5及用于观察光纤光栅反射谱的中心波长发生位移的光谱仪6，潜水泵2完全潜入液体槽1内盛装的待测液体中，潜水泵2的输出口上连接有输液管7，输液管7上设置有用于调节待测液体的流量的流量调节器8，ASE光源3的输出端与光环行器4的第一个端口连接，光环行器4的第二个端口与光纤光栅探头5连接，光纤光栅探头5完全置于输液管7靠近其出水口的位置中，且光纤光栅探头5位于流量调节器8的下游，光环行器4的第三个端口与光谱仪6的输入端连接。

在本实施例中，光纤光栅探头5由裸光纤布拉格光栅51和受力块52组成，裸光纤布拉格光栅51外包裹有用于保护裸光纤布拉格光栅51的弹性透明薄层53，裸光纤布拉格光栅51的上端与光环行器4的第二个端口连接，裸光纤布拉格光栅51的下端与受力块52的受力面连接，受力块52的受力面与裸光纤布拉格光栅51中的光纤垂直，且当有待测液体流经光纤光栅探头5时，受力块52的受力面与待测液体的流动方向垂直。该光纤光栅探头5工作时，具有不同流速的待测液体流经输液管7作用在受力块52的受力面上，使裸光纤布拉格光栅51产生不同程度的应变，再通过在光谱仪6上读出对应的反射谱中心波长的值就能准确的获取液体的流量。

在此，弹性透明薄层53的设置可有效地避免裸光纤布拉格光栅51由于脆性在流动的待测液体的冲击力下可能发生的断裂；弹性透明薄层53为均匀涂覆于裸光纤布拉格光栅51的外表面上的中性硅酮密封胶固化后形成的薄层，由于中性硅酮密封胶一旦接触空气中的水分就会固化成一种坚韧的橡胶类固体的材料，且粘结力强、抗拉强度大，同时又具有耐候性、抗振性、防潮、抗臭气和适应冷热变化大的特点，因此在裸光纤布拉格光栅51的外表面上均匀涂覆中性硅酮密封胶，固化后形成的薄层能够很好的保护裸光纤布拉格光栅51以避免在外力作用下断裂。

实施例三：

本实施例提出的一种液体流量实时监测装置，如图2和图4所示，其对实施例一提出的一种液体流量实时监测装置作了进一步的改进。

即本实施例的液体流量实时监测装置的具体结构为：其包括用于盛装待测液体的液体槽1、用于从液体槽1内提取出待测液体的潜水泵2、测试用的ASE光源3、用于传输光信号的光环行器4、能够在待测液体的流动作用下发生应变的光纤光栅探头5、用于观察光纤光栅反射谱的中心波长发生位移的光谱仪6及用于盛放流经光纤光栅探头5后的待测液体的接收容器9，潜水泵2完全潜入液体槽1内盛装的待测液体中，潜水泵2的输出口上连接有输液管7，输液管7上设置有用于调节待测液体的流量的流量调节器8，ASE光源3的输出端与光环行器4的第一个端口连接，光环行器4的第二个端口与光纤光栅探头5连接，光纤光栅探头5完全置于输液管7靠近其出水口的位置中，且光纤光栅探头5位于流量调节器8的下游，光环行器4的第三个端口与光谱仪6的输入端连接，接收容器9位于输液管7的出水口的正下方。

在本实施例中，光纤光栅探头5由裸光纤布拉格光栅51和受力块52组成，裸光纤布拉格光栅51的上端与光环行器4的第二个端口连接，裸光纤布拉格光栅51的下端与受力块52的受力面连接，受力块52的受力面与裸光纤布拉格光栅51中的光纤垂直，且当有待测液体流经光纤光栅探头5时，受力块52的受力面与待测液体的流动方向垂直。该光纤光栅探头5工作时，具有不同流速的待测液体流经输液管7作用在受力块52的受力面上，使裸光纤布拉格光栅51产生不同程度的应变，再通过在光谱仪6上读出对应的反射谱中心波长的值就能准确的获取液体的流量。

在此，接收容器9采用带有刻度的量筒，采用带有刻度的量筒作为接收容器，便于待测液体的流量的测量。

实施例四：

本实施例提出的一种液体流量实时监测装置，如图3和图4所示，其对实施例三提出的一种液体流量实时监测装置中的光纤光栅探头5作了进一步的改进。

即本实施例的液体流量实时监测装置的具体结构为：其包括用于盛装待测液体的液体槽1、用于从液体槽1内提取出待测液体的潜水泵2、测试用的ASE光源3、用于传输光信号的光环行器4、能够在待测液体的流动作用下发生应变的光纤光栅探头5、用于观察光纤光栅反射谱的中心波长发生位移的光谱仪6及用于盛放流经光纤光栅探头5后的待测液体的接收容器9，潜水泵2完全潜入液体槽1内盛装的待测液体中，潜水泵2的输出口上连接有输液管7，输液管7上设置有用于调节待测液体的流量的流量调节器8，ASE光源3的输出端与光环行器4的第一个端口连接，光环行器4的第二个端口与光纤光栅探头5连接，光纤光栅探头5完全置于输液管7靠近其出水口的位置中，且光纤光栅探头5位于流量调节器8的下游，光环行器4的第三个端口与光谱仪6的输入端连接，接收容器9位于输液管7的出水口的正下方。

在本实施例中，光纤光栅探头5由裸光纤布拉格光栅51和受力块52组成，裸光纤布拉格光栅51外包裹有用于保护裸光纤布拉格光栅51的弹性透明薄层53，裸光纤布拉格光栅51的上端与光环行器4的第二个端口连接，裸光纤布拉格光栅51的下端与受力块52的受力面连接，受力块52的受力面与裸光纤布拉格光栅51中的光纤垂直，且当有待测液体流经光纤光栅探头5时，受力块52的受力面与待测液体的流动方向垂直。该光纤光栅探头5工作时，具有不同流速的待测液体流经输液管7作用在受力块52的受力面上，使裸光纤布拉格光栅51产生不同程度的应变，再通过在光谱仪6上读出对应的反射谱中心波长的值就能准确的获取液体的流量。

在此，接收容器9采用带有刻度的量筒，采用带有刻度的量筒作为接收容器，便于待测液体的流量的测量。

在此，弹性透明薄层53的设置可有效地避免裸光纤布拉格光栅51由于脆性在流动的待测液体的冲击力下可能发生的断裂；弹性透明薄层53为均匀涂覆于裸光纤布拉格光栅51的外表面上的中性硅酮密封胶固化后形成的薄层，由于中性硅酮密封胶一旦接触空气中的水分就会固化成一种坚韧的橡胶类固体的材料，且粘结力强、抗拉强度大，同时又具有耐候性、抗振性、防潮、抗臭气和适应冷热变化大的特点，因此在裸光纤布拉格光栅51的外表面上均匀涂覆中性硅酮密封胶，固化后形成的薄层能够很好的保护裸光纤布拉格光栅51以避免在外力作用下断裂。

实施例五：

本实施例提出的一种液体流量实时监测装置，如图5所示，其对上述各个实施例提出的一种液体流量实时监测装置中的输液管7作了进一步的限定。即输液管7的结构为：输液管7呈U型结构由依次一体连接的第一竖直子管71、水平子管72和第二竖直子管73组成，第一竖直子管71的进水口与潜水泵2的输出口连接，流量调节器8设置于水平子管72上，光纤光栅探头5完全置于第二竖直子管73靠近其出水口的位置中。在此，将流量调节器8设置于水平子管72上，是为了使流量调节器8设置于整根输液管7的中部位置上；这种结构的输液管7能够更好的保证受力块52的受力面受力均匀，从而提高了液体流量的测量精度。

上述各个实施例中，潜水泵2为现有的低压潜水泵；ASE光源3采用现有的波段为1525～1610nm的ASE光源；光环形器4采用现有技术；光谱仪6采用现有的型号为AQ6370C的光谱分析仪，分辨率为0.02nm；流量调节器8采用现有技术。

上述各个实施例中，ASE光源3的输出端与光环行器4的第一个端口通过光纤连接，光环行器4的第二个端口与光纤光栅探头5通过光纤并采用现有的光纤熔接机焊接连接，光环行器4的第三个端口与光谱仪6的输入端通过光纤连接。

上述各个实施例中，裸光纤布拉格光栅51的下端与受力块52的受力面之间通过粘接胶粘接并彻底固化后实现连接。在此，粘接胶可采用常用的502胶，彻底固化可采用室温下放置的形式，如室温下放置24小时使彻底固化。

上述各个实施例中，受力块52一般采用圆形结构，并要求受力块52的直径要小于输液管7的内径，如：若采用内径为8～10mm的输液管7，则可将受力块52的直径设计为5～6mm，具体设计时可根据输液管7的具体内径而定，如输液管7的内径为9mm，则可将受力块52的直径设计为5mm；在输液管7中布置光纤光栅探头5时，可要求使受力块52刚好位于输液管7径向的中心位置上。

图6给出了利用实施例五的液体流量实时监测装置测得的光纤光栅反射谱的中心波长与液体（水）流量之间的关系曲线。从图6中可以看出，光纤光栅反射谱的中心波长与液体流量的平方成正比，这个实验结果与理论分析相一致。

本实用新型的液体流量实时监测装置测得的光纤光栅反射谱的中心波长除了与选用的裸光纤布拉格光栅51有关外，还与待测液体的密度、受力块52的尺寸大小、输液管7的内径等因素有关。即在不同的待测液体、受力块52的尺寸大小、输液管7的内径条件下，光纤光栅反射谱的中心波长与液体流量的平方关系的系数会有所不同。经过定标即可用该液体流量实时监测装置测量各种液体的流量大小。

Claims (10)

1.一种液体流量实时监测装置，其特征在于：包括用于盛装待测液体的液体槽、用于从所述的液体槽内提取出待测液体的潜水泵、测试用的ASE光源、用于传输光信号的光环行器、能够在待测液体的流动作用下发生应变的光纤光栅探头及用于观察光纤光栅反射谱的中心波长发生位移的光谱仪，所述的潜水泵完全潜入所述的液体槽内盛装的待测液体中，所述的潜水泵的输出口上连接有输液管，所述的输液管上设置有用于调节待测液体的流量的流量调节器，所述的ASE光源的输出端与所述的光环行器的第一个端口连接，所述的光环行器的第二个端口与所述的光纤光栅探头连接，所述的光纤光栅探头完全置于所述的输液管靠近其出水口的位置中，且所述的光纤光栅探头位于所述的流量调节器的下游，所述的光环行器的第三个端口与所述的光谱仪的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种液体流量实时监测装置，其特征在于：所述的光纤光栅探头由裸光纤布拉格光栅和受力块组成，所述的裸光纤布拉格光栅的上端与所述的光环行器的第二个端口连接，所述的裸光纤布拉格光栅的下端与所述的受力块的受力面连接，所述的受力块的受力面与所述的裸光纤布拉格光栅中的光纤垂直，且当有待测液体流经所述的光纤光栅探头时，所述的受力块的受力面与待测液体的流动方向垂直。

3.根据权利要求2所述的一种液体流量实时监测装置，其特征在于：所述的裸光纤布拉格光栅外包裹有用于保护所述的裸光纤布拉格光栅的弹性透明薄层。

4.根据权利要求3所述的一种液体流量实时监测装置，其特征在于：所述的弹性透明薄层为均匀涂覆于所述的裸光纤布拉格光栅的外表面上的中性硅酮密封胶固化后形成的薄层。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的一种液体流量实时监测装置，其特征在于：所述的裸光纤布拉格光栅的下端与所述的受力块的受力面之间通过粘接胶粘接并彻底固化后实现连接。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的一种液体流量实时监测装置，其特征在于：该液体流量实时监测装置还包括用于盛放流经所述的光纤光栅探头后的待测液体的接收容器，所述的接收容器位于所述的输液管的出水口的正下方。

7.根据权利要求6所述的一种液体流量实时监测装置，其特征在于：所述的接收容器采用带有刻度的量筒。

8.根据权利要求7所述的一种液体流量实时监测装置，其特征在于：所述的输液管呈U型结构由依次一体连接的第一竖直子管、水平子管和第二竖直子管组成，所述的第一竖直子管的进水口与所述的潜水泵的输出口连接，所述的流量调节器设置于所述的水平子管上，所述的光纤光栅探头完全置于所述的第二竖直子管靠近其出水口的位置中。

9.根据权利要求1所述的一种液体流量实时监测装置，其特征在于：所述的ASE光源的输出端与所述的光环行器的第一个端口通过光纤连接，所述的光环行器的第二个端口与所述的光纤光栅探头通过光纤并采用光纤熔接机焊接连接，所述的光环行器的第三个端口与所述的光谱仪的输入端通过光纤连接。

10.根据权利要求1所述的一种液体流量实时监测装置，其特征在于：所述的潜水泵为低压潜水泵；所述的ASE光源采用波段为1525～1610nm的ASE光源；所述的光谱仪采用型号为AQ6370C的光谱分析仪。