CN209541795U - 液体流量及温差传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型给出了一种液体流量及温差传感器，具体涉及一种基于轴向位移的排除温度影响的单光纤双光栅测量温度和流量的光纤光栅传感器。该传感器包括光纤光栅、导杆、悬臂、金属片、迎液靶片、弹簧。当环境温度变化时，金属片伸长(缩短)补偿环境温度引起的光纤光栅波长变化。

Description

液体流量及温差传感器

技术领域

本实用新型涉及一种液体流量及温差传感器。

背景技术

液体流量及温差传感器多应用于统计液体的流量，一般包括计量型液体流量及温差传感器、模仿量信号输出流量传感器等；但现有技术中液体流量及温差传感器的普遍存在测量精度和受到液体温度影响的问题。

光纤光栅具有许多其它传感器无法比拟的优点：全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰；体积小、重量轻、灵敏度高、零点无漂移，长期稳定；以反射光的中心波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响；绝对量测量，系统安装及长期使用过程中无需定标；使用寿命长、易于复用及构成传感网络等等。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种测量精度高、不受温度影响的液体流量及温差传感器。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种液体流量及温差传感器；

包括光纤光栅、导杆、悬臂、迎液靶片、弹簧；

所述导杆侧壁开有固定光纤光栅的安装槽，安装槽的走向与导杆的轴向方向一致，悬臂开有前、后方向的装配孔，导杆贯穿悬臂的装配孔，光纤光栅处于导杆的安装槽内，光纤光栅与悬臂之间设有第三连接组件，第三连接组件包括金属片和中空螺栓，悬臂对应光纤光栅开有螺纹孔，螺纹孔的走向与导杆的轴向方向一致，中空螺栓与悬臂的螺纹孔配合，中空螺栓内部沿其轴向方向开有贯穿其前、后端面的通孔，中空螺栓的前部与金属片固定连接，光纤光栅贯穿中空螺栓的通孔；

光纤光栅与导杆安装槽的后部连接，光纤光栅与安装槽的后部的固定处为第一固定点，光纤光栅与悬臂之间固定连接，光纤光栅与悬臂之间的固定处为第二固定点，中空螺栓与第三连接组件的金属片的后部固定连接，金属片后部与中空螺栓的固定处为第三固定点，光纤光栅与第三连接组件的金属片的前部固定连接，光纤光栅与金属片前部的固定处为第四固定点，光纤光栅始端与导杆安装槽的前部连接，光纤光栅始端与安装槽前部的固定处为第五固定点；

处于第一固定点和第二固定点之间的光纤光栅为第一栅区，处于第四固定点和第五固定点之间的光纤光栅为第二栅区，第一栅区与第二栅区的长度相同，第一栅区与第二栅区的中心波长不同且第一栅区与第二栅区不会出现中心波长重合区域；

迎液靶片与导杆前端固定连接，弹簧套装在导杆外侧，弹簧一端抵靠在迎液靶片的后端面上，弹簧另一端抵靠在悬臂上。

作为本实用新型的优选，所述导杆包括导杆本体和组合块，导杆本体侧壁上部开有安装槽口，安装槽口的长度方向与导杆本体的轴向方向一致，安装槽口延伸至导杆本体的前端面且终止于导杆本体的后部；

组合块固定连接在导杆本体的安装槽口前部，组合块上部外壁契合导杆本体外壁轮廓，组合块与导杆本体后部之间的安装槽口构成安装槽。

作为本实用新型的优选，所述的光纤光栅前端通过第一连接组件与导杆安装槽的前部连接，第一连接组件包括第一滑块和第一调节螺栓，所述组合块开有与第一调节螺栓配合的螺纹孔，螺纹孔的走向与导杆的轴向方向一致，第一调节螺栓与组合块的螺纹孔配合，第一调节螺栓伸入安装槽内且与第一滑块前部固定连接，光纤光栅始端与第一滑块后部固定连接，光纤光栅始端与第一滑块后部的固定处为第五固定点；

所述的光纤光栅后部通过第二连接组件与导杆安装槽的后部连接，第二连接组件包括第二滑块和第二调节螺栓，导杆本体的后端面开有与安装槽相通的螺纹孔，螺纹孔的走向与导杆的轴向方向一致，第二调节螺栓与导杆本体的螺纹孔配合，第二调节螺栓伸入安装槽内且与第二滑块后部固定连接，光纤光栅与第二滑块前部固定连接，光纤光栅与第二滑块前部的固定处为第一固定点。

作为本实用新型的优选，假设，d为第一栅区或第二栅区的长度，L为第三固定点与第四固定点之间金属片的距离，α_L为金属片的热膨胀系数，ξ为热光系数，α_FBG为光纤光栅的热膨胀系数，P_e为光电常数；

初始状态时，满足

作为本实用新型的优选，本液体流量及温差传感器还包括限位块，限位块固定连接在导杆的侧壁上，限位块处于悬臂后侧，限位块限制悬臂在导杆轴向方向的最后端行程位置。

作为本实用新型的优选，所述的金属片的材质为钛合金、铬、合金钢、镍合金、铜、不锈钢、铝合金、锌合金、或铝。

光纤光栅对轴向位移非常敏感，利用这一特征，通过把光纤光栅的两端分别与导杆相连，光纤光栅的中部与悬臂相连，当液体流动时，导致光纤光栅的长度和返回波长也相应的发生了变化，实现液体的流量和温度测量。当环境温度变化时，金属片(缩短)补偿环境温度引起的光纤光栅波长变化，起到温度补偿作用。

导杆与悬臂的适配孔配合，对应的螺丝为中空螺丝，能够穿过光纤光栅。通过调节第一连接组件的第一调节螺栓，可改变第一滑块的位置，实现对光纤光栅的预拉调整，同理通过调节第二连接组件的第二调节螺栓，可改变第二滑块的位置，也可实现对光纤光栅的预拉调整，光纤光栅选择时，光纤光栅的两个栅区的中心波长不同且测量时也不存在重合的波长范围。

待测温度要求和封装时环境温度，给光纤光栅的两个栅区一个适当的预拉伸量，使得光栅量程的中心值波长对应于待测温度变化范围的中心值。当被测液体流动或温度变化时，引起两光栅长度的变化，光纤光栅返回中心波长值也将发生变化，进而实现液体温度和流量的测量。

本液体流量及温差传感器的检测方法，包括以下步骤：

a)将液体流量及温差传感器安装在待测管道内，悬臂的一端与待测管道内壁固定连接，迎液靶片的前端面对准液体流动方向，并处于管道的中心位置，光纤光栅末端与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪收集光纤光栅的两个栅区的波长变化量，外部控制器与光纤光栅解调仪连接；

b)液体流动推动迎液靶片向后移动，进而改变光纤光栅的两个栅区的长度，外部控制器根据光纤光栅解调仪收集光纤光栅的波长变化量计算液体流量；

假设，导杆的位移量Δx,Δλ₂为光纤光栅的第二栅区波长变化量，λ_B1为光纤光栅第一栅区的反射波中心波长,λ_B2为光纤光栅第二栅区的反射波中心波长,ρ为流体密度，为局部阻力系数，υ为迎液靶片与管道环隙的平均流速，A为迎液靶片面积，k弹簧的弹性系数，ΔT为温度变化值，可得：

进而实现液体流量的测量；

其中，光纤光栅两个栅区的量程的中心值波长对应于待测温度变化范围的中心值，当被测液体流动或温度变化时，引起两光栅长度的变化，光纤光栅返回中心波长值也将发生变化；

c)外部控制器根据光纤光栅解调仪收集光纤光栅的波长变化量计算液体温度；

假设，液体初始温度为T₀，瞬时液体温度为T_r,可得：

实现对液体温度进行测量。

迎液靶片受力为：

其中，ρ为流体密度，为局部阻力系数，υ为迎液靶片与管道环隙的平均流速，A为迎液靶片面积。

导杆的位移量为

其中k为弹簧的弹性系数。

由应变、温度引起光纤光栅波长变化为

Δλ＝λ_B(1-P_e)Δε_FBG+λ_B(α_FBG+ξ)ΔT (3)

其中Δλ为光纤光栅的波长变化量，λ_B为光纤光栅反射波中心波长，P_e为光电常数(P_e≈0.22)，α_FBG为光纤光栅的热膨胀系数(α_FBG＝5.5×10^-7/℃)，ξ为热光系数(ξ＝6.7×10^-6/℃)，ΔT为温度变化值。

测量时光纤光栅1、2的波长变化量分别为

Δλ₁＝λ_B1(1-P_e)Δε_FBG1+λ_B1(α_FBG+ξ)ΔT (4)

Δλ₂＝λ_B2(1-P_e)Δε_FBG2+λ_B2(α_FBG+ξ)ΔT (5)

则

其中d为光纤光栅1、2两端的固定点之间的距离，L为金属片两固定点之间的距离，α_L为金属片的热膨胀系数。

把(6)、(7)式分别带入(4)、(5)式整理可得：

对于式(9)，当时，就可实现对光纤光栅2的温度补偿作用，此时式(9)光纤光栅波长的变化Δλ₂就是被液体流量的函数，此时：

把(10)式带入(8)式并整理可得：

液体流速可近似由下列公式联立求出：

(公式中负号表示导杆(或弹簧)位移方向与第二栅区变化量的方向相反，求解流速时对此式取模值)。

根据待测温度要求和封装时环境温度，给栅区一个适当的预拉伸量，使得光栅量程的中心值波长对应于待测温度变化范围的中心值。当被测液体流动或温度变化时，引起两光栅长度的变化，光纤光栅返回中心波长值也将发生变化，进而实现液体温度和流量的测量。

附图说明

图1是本液体流量及温差传感器实施例的结构示意图的剖视图。

图2图1的A部放大图。

图3是本液体流量及温差传感器实施例使用状态的剖视图。

具体实施方式

实施例一

如图1至3所示。

本液体流量及温差传感器包括光纤光栅3、导杆、悬臂2、迎液靶片8、弹簧10和限位块9。

导杆包括导杆本体1a和组合块1b，导杆本体1a侧壁上部开有安装槽口，安装槽口的长度方向与导杆本体1a的轴向方向一致，安装槽口延伸至导杆本体1a的前端面且终止于导杆本体1a的后部，组合块1b通过螺栓固定在导杆本体1a的安装槽口前部，组合块1b上部外壁契合导杆本体1a外壁轮廓，组合块1b与导杆本体1a后部之间的安装槽口构成安装槽1c。

悬臂2下部开有前、后走向的装配孔2a，导杆本体1a从悬臂2后侧贯穿悬臂2的装配孔2a，组合块1b再与导杆本体1a固定，使悬臂2可以沿导杆轴向方向往复移动，悬臂2呈竖直状态，悬臂2的上端与待测管道11内壁固定。

光纤光栅3处于导杆的安装槽1c内，光纤光栅3前端通过第一连接组件与导杆安装槽1c的前部连接，第一连接组件包括第一滑块4a和第一调节螺栓4b，所述组合块1b开有与第一调节螺栓4b配合的螺纹孔，螺纹孔的走向与导杆的轴向方向一致，第一调节螺栓4b与组合块1b的螺纹孔配合，第一调节螺栓4b伸入安装槽1c内且与第一滑块4a前部焊接固定，光纤光栅3始端与第一滑块4a后部通过粘接固定，光纤光栅3始端与第一滑块4a后部的固定处为第五固定点7e。

光纤光栅3后部通过第二连接组件与导杆安装槽1c的后部连接，第二连接组件包括第二滑块5a和第二调节螺栓5b，导杆本体1a的后端面开有与安装槽1c相通的螺纹孔，螺纹孔的走向与导杆的轴向方向一致，第二调节螺栓5b与导杆本体1a的螺纹孔配合，第二调节螺栓5b伸入安装槽1c内且与第二滑块5a后部焊接固定，光纤光栅3与第二滑块5a前部粘接固定，光纤光栅3与第二滑块5a前部的固定处为第一固定点7a。

光纤光栅3与悬臂2之间设有第三连接组件，第三连接组件包括金属片6a和中空螺栓6b，悬臂2对应光纤光栅3开有螺纹孔，螺纹孔的走向与导杆的轴向方向一致，中空螺栓6b内部沿其轴向方向开有贯穿其前、后端面的通孔，金属片6a后部具有折弯，中空螺栓6b的前部贯穿金属片6a的折弯与悬臂2的螺纹孔配合，使金属片6a、中空螺栓6b及悬臂2相对固定，光纤光栅3贯穿中空螺栓6b的通孔，即光纤光栅3沿悬臂2径向方向贯穿悬臂2；

光纤光栅3与悬臂2的螺纹孔内壁之间粘接固定，光纤光栅3与悬臂2之间的固定处为第二固定点7b，光纤光栅3与第三连接组件的金属片6a的前部粘接固定，光纤光栅3与金属片6a前部的固定处为第四固定点7d，中空螺栓6b与金属片6a后部的固定处为第三固定点7c，第二固定点7b和第四固定点7d之间的光纤光栅3要有一定的冗余。

处于第一固定点7a和第二固定点7b之间的光纤光栅3具有第一栅区3a，处于第四固定点7d和第五固定点7e之间的光纤光栅3具有第二栅区3b，第一栅区3a与第二栅区3b的中心波长不同；

迎液靶片8与导杆前端通过螺纹固定，迎液靶片8的中心线与导杆的中心线一致，迎液靶片8对准液体流动方向，弹簧10套装在导杆外侧，弹簧10一端抵靠在迎液靶片8的后端面上，弹簧10另一端抵靠在悬臂2上。

限位块9固定连接在导杆的侧壁上，限位块9处于悬臂2后侧，限位块9限制悬臂2在导杆轴向方向的最后端行程位置。

温度引起的金属片6a长度的变化转移给了光纤光栅3的第二栅区3b，使得光纤光栅3的第二栅区3b的长度发生了大小相同、方向相反的变化。光纤光栅3的第二栅区3b的长度的变化，引起了其返回波长的变化；通过合理选择金属片的热膨胀系数和长度，该返回波长的变化可以抵消热光效应造成的光纤光栅3的第二栅区3b的波长变化。

悬臂2内部开有孔，光纤光栅3的末端可以通过悬臂2的孔与外部光纤光栅3解调仪连接，光纤光栅3的末端通过悬臂2孔后通过注胶2b密封。

d为第四固定点7d与第五固定点7e之间第一栅区3a的长度(第一栅区3a的长度和第二栅区3b的长度相同，即第一固定点7a与第二固定点7b之间的长度也为d)，L为第三固定点7c与第四固定点7d之间金属片6a的距离，α_L为金属片6a的热膨胀系数，ξ为热光系数，α_FBG为光纤光栅3的热膨胀系数，P_e为光电常数，导杆的位移量Δx,Δλ为光纤光栅3的波长变化量，λ_B1为光纤光栅3第一栅区3a的反射波中心波长,λ_B2为光纤光栅3第二栅区3b的反射波中心波长,ΔT为温度变化值；

需要满足：

本实施例中金属片6a采用铝材料，其热膨胀系数α_L＝23.2×10^-6/℃；光纤光栅3的第二栅区3b长度为10mm，其热膨胀系数α_FBG＝5.5×10^-7/℃，则由可计算出金属片6a的长度为4mm。

利用本液体流量及温差传感器检测管道11内液体流量及温度的方法，包括：

a)将待测管道11的侧壁开孔，将液体流量及温差传感器放置在待测管道11内，液体流量及温差传感器的迎液靶片8的前端面对准液体流动方向，将液体流量及温差传感器的悬臂2的上端与堵头11a焊接固定，堵头11a封堵在待测管道11的开口处；

将光纤光栅3末端与光纤光栅3解调仪连接，光纤光栅3解调仪收集光纤光栅3的两个栅区的波长变化量，外部控制器与光纤光栅3解调仪连接。

b)液体流动推动迎液靶片8向后移动，进而改变光纤光栅3的两个栅区的长度，外部控制器根据光纤光栅3解调仪收集光纤光栅3的波长变化量计算,其中求导函数如下：

进而实现液体流量的测量；

其中，光纤光栅两个栅区的量程的中心值波长对应于待测温度变化范围的中心值，当被测液体流动或温度变化时，引起两光栅长度的变化，光纤光栅返回中心波长值也将发生变化；

c)外部控制器根据光纤光栅解调仪收集光纤光栅的波长变化量计算；

假设，液体初始温度为T₀，瞬时液体温度为T_r,可得：

实现对液体温度进行测量。

导杆本体1a、组合块1b、第一连接组件、第二连接组件及中空螺栓要选用热膨胀系数极低的金属材料(如殷钢4J36)。

实施例二至九

以下实施例与实施例一的区别仅仅在于：金属片采用不同的金属材料(但是配合光纤光栅的第二栅区长度与实施例一一致，都是10mm，光纤光栅的热膨胀系数也一样，α_FBG＝5.5×10^-7/℃)，在环境温度变化时，也可以使液体流量及温差传感器具有自行温度补偿的技术效果，具体请见下表：

以上所述的仅是本实用新型的九种实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种液体流量及温差传感器，其特征为：

包括光纤光栅、导杆、悬臂、迎液靶片、弹簧；

所述导杆侧壁开有固定光纤光栅的安装槽，安装槽的走向与导杆的轴向方向一致，悬臂开有前、后方向的装配孔，导杆贯穿悬臂的装配孔，光纤光栅处于导杆的安装槽内，光纤光栅与悬臂之间设有第三连接组件，第三连接组件包括金属片和中空螺栓，悬臂对应光纤光栅开有螺纹孔，螺纹孔的走向与导杆的轴向方向一致，中空螺栓与悬臂的螺纹孔配合，中空螺栓内部沿其轴向方向开有贯穿其前、后端面的通孔，中空螺栓的前部与金属片固定连接，光纤光栅贯穿中空螺栓的通孔；

光纤光栅与导杆安装槽的后部连接，光纤光栅与安装槽的后部的固定处为第一固定点，光纤光栅与悬臂之间固定连接，光纤光栅与悬臂之间的固定处为第二固定点，中空螺栓与第三连接组件的金属片的后部固定连接，金属片后部与中空螺栓的固定处为第三固定点，光纤光栅与第三连接组件的金属片的前部固定连接，光纤光栅与金属片前部的固定处为第四固定点，光纤光栅始端与导杆安装槽的前部连接，光纤光栅始端与安装槽前部的固定处为第五固定点；

处于第一固定点和第二固定点之间的光纤光栅为第一栅区，处于第四固定点和第五固定点之间的光纤光栅为第二栅区，第一栅区与第二栅区的长度相同，第一栅区与第二栅区的中心波长不同且第一栅区与第二栅区不会出现中心波长重合区域；

迎液靶片与导杆前端固定连接，弹簧套装在导杆外侧，弹簧一端抵靠在迎液靶片的后端面上，弹簧另一端抵靠在悬臂上。

2.根据权利要求1所述的液体流量及温差传感器，其特征是：

所述导杆包括导杆本体和组合块，导杆本体侧壁上部开有安装槽口，安装槽口的长度方向与导杆本体的轴向方向一致，安装槽口延伸至导杆本体的前端面且终止于导杆本体的后部；

组合块固定连接在导杆本体的安装槽口前部，组合块上部外壁契合导杆本体外壁轮廓，组合块与导杆本体后部之间的安装槽口构成安装槽。

3.根据权利要求2所述的液体流量及温差传感器，其特征是：

所述的光纤光栅前端通过第一连接组件与导杆安装槽的前部连接，第一连接组件包括第一滑块和第一调节螺栓，所述组合块开有与第一调节螺栓配合的螺纹孔，螺纹孔的走向与导杆的轴向方向一致，第一调节螺栓与组合块的螺纹孔配合，第一调节螺栓伸入安装槽内且与第一滑块前部固定连接，光纤光栅始端与第一滑块后部固定连接，光纤光栅始端与第一滑块后部的固定处为第五固定点；

所述的光纤光栅后部通过第二连接组件与导杆安装槽的后部连接，第二连接组件包括第二滑块和第二调节螺栓，导杆本体的后端面开有与安装槽相通的螺纹孔，螺纹孔的走向与导杆的轴向方向一致，第二调节螺栓与导杆本体的螺纹孔配合，第二调节螺栓伸入安装槽内且与第二滑块后部固定连接，光纤光栅与第二滑块前部固定连接，光纤光栅与第二滑块前部的固定处为第一固定点。

4.根据权利要求3所述的液体流量及温差传感器，其特征是：

假设，为第一栅区或第二栅区的长度，为第三固定点与第四固定点之间金属片的距离，为金属片的热膨胀系数，为热光系数，为光纤光栅的热膨胀系数，为光电常数；

初始状态时，满足。

5.根据权利要求1所述的液体流量及温差传感器，其特征是：

还包括限位块，限位块固定连接在导杆的侧壁上，限位块处于悬臂后侧，限位块限制悬臂在导杆轴向方向的最后端行程位置。

6.根据权利要求4所述的液体流量及温差传感器，其特征是：

所述的金属片的材质为钛合金、铬、合金钢、镍合金、铜、不锈钢、铝合金、锌合金、或铝。