一种全光学化的流体质量流量监测装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种全光学化的流体质量流量监测装置和方法，该装置包括加热光源、检测光源、第一滤波式波分复用器、传感单元和光谱分析设备，传感单元为单模光纤-光热光纤-单模光纤的复合结构，在两段单模光纤上都刻写有光纤光栅，形成法布里-珀罗腔，光热光纤为共振腔。该方法是：传感单元上的光热光纤在吸收加热光源发出的光能后温度上升，上升到预定温度后保持稳定；待测流体流经传感单元并带走热量，使得法布里-珀罗腔的有效腔长发生变化并引起干涉峰的漂移，检测干涉峰漂移量，通过数据标定，得到当前流体的质量流量。本发明具有测量准确、灵敏、全光学化、小型化、安全等优点，尤其适用于易燃易爆流体的监测。
【专利说明】
一种全光学化的流体质量流量监测装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流体质量流量监测研究领域，特别涉及一种全光学化的流体质量流量监测装置和方法。
【背景技术】
[0002]目前，流体质量流量监测技术被广泛的应用于工业生产、能源计量、环境保护工程和交通运输等各个领域。该监测技术既可以进行流体质量流量计量工作，也可用于过程控制。市场上广泛使用的是热式质量流量计，这种流量计中的传感器是由热敏电阻组成，在进行监测时，通过电学的方法对传感单元加热。因此在监测过程中存在出现电火花的安全隐患，同时电热丝还容易受到腐蚀。在存在汽油、煤油、液化石油气等易燃易爆的液体的环境，以及瓦斯气体、一氧化碳和乙炔等高危气体或者是氯气、氯化氢等腐蚀性气体的工作环境下，这类传统质量流量计就无法适用。
[0003]随着光纤技术的逐渐成熟，采用光纤进行监测成为研究热点。光纤主要由二氧化硅组成，具有非常强的抗腐蚀性，因此应用场合不受环境限制。同时光纤监测无需通过电子器件进行传感，因此避免了出现电火花的问题。在传感领域，光纤布拉格光栅(Fiber BraggGrating,FBG)由于其对温度、应力、折射率变化非常敏感，而成为业内一个非常重要的传感器件。因此，寻求一种利用FBG特性，能够适用于各种流体，尤其是易燃易爆流体质量流量监测的装置和方法具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种全光学化的流体质量流量监测装置，该装置具有全光学化、小型化、结构简单的优点，整个传感单元皆由光纤构成，具有非常强的抗腐蚀性，并且无产生电火花的隐患，应用场合广泛，尤其是能应用于易燃易爆流体的监测。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种基于上述全光学化的流体质量流量监测装置的监测方法，该方法是预先使传感单元在待测流体处于静止状态下维持在预定温度后保持稳定，根据待测流体流过传感单元时温度的变化引起的干涉峰波长的变化来对质量流量进行测量，具有测量准确，灵敏，工作稳定的优点。
[0006]本发明的目的通过以下的技术方案实现:一种全光学化的流体质量流量监测装置，包括加热光源、检测光源、第一滤波式波分复用器、传感单元和光谱分析设备，第一滤波式波分复用器分别与检测光源、加热光源和传感单元连接，传感单元与光谱分析设备相连；所述传感单元为单模光纤-光热光纤-单模光纤的复合结构，在两段单模光纤上都刻写有光纤光栅，形成法布里-珀罗腔，光热光纤为共振腔；工作时，加热光源发出的加热光经第一滤波式波分复用器后被传感单元中的光热光纤吸收，检测光源发出的光经过第一滤波式波分复用器后进入传感单元，然后透射光进入光谱分析设备。本发明利用一对光纤光栅构成的法布里-珀罗腔以及光热光纤实现对流体质量流量的监测。
[0007]优选的，所述传感单元与光谱分析设备之间还设置一第二滤波式波分复用器，该第二滤波式波分复用器包括一能量输出端口，未被光热光纤吸收的加热光经能量输出端口离开监测装置，透射光经第二滤波式波分复用器进入光谱分析设备。因为加热光光能量比较大，增加这一第二滤波式波分复用器是为了弓I导残留的加热光光能量的方向，使其直接离开监测装置，而不是进入到光谱分析设备，进而保护光谱分析设备。
[0008]优选的，所述光热光纤长度不超过2mm。光热光纤构成的法布里-珀罗腔的腔体，腔体长度越小，法布里-珀罗腔的共振峰之间的波长间隔越大。光热光纤长度不超过2mm，能够保证光纤光栅的特征谱范围之内只出现一个法布里-珀罗腔的共振峰，给检测带来方便。
[0009]优选的，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅(FBG)，其长度为2mm到6mm。
[0010]优选的，所述流体质量流量监测装置包括若干个干涉峰波长位置不一样的传感单元，传感单元放置在若干个监控点，各个传感单元之间通过光纤串联。若某监控点流体质量流量发生变化，对应标注监控点干涉峰波长将发生漂移，从而可以实现多点监控测量。
[0011]一种基于上述全光学化的流体质量流量监测装置的监测方法，待测流体处于静止状态时传感单元上的光热光纤在吸收加热光源发出的光能后温度上升，上升到预定温度后保持稳定；待测流体流经传感单元并带走热量，使得法布里-珀罗腔的有效腔长发生变化并引起干涉峰的漂移，检测干涉峰漂移量，通过数据标定，最终计算得到当前流体的质量流量。
[0012]具体的，包括以下步骤:
[0013](I)将传感单元放置于待测流体流通的管道中；
[0014](2)开启加热光源和检测光源，传感单元上的光热光纤吸收加热光源发出的光能，在待测液体处于静止状态下使得传感单元的温度上升到一预定温度后保持稳定，当待测流体流经传感单元时，带走传感单元的热量并引起其温度的变化，使得法布里-珀罗腔的有效腔长发生变化并引起干涉峰波长的漂移；检测光源发出的光经过第一滤波式波分复用器进入传感单元，然后透射光经第二滤波式波分复用器进入光谱分析设备；所述加热光源的波长设置在光热光纤的吸收带内，并且不覆盖光纤光栅的特征反射波长，检测光源的波长范围覆盖光纤光栅的特征反射波长；
[0015](3)光谱分析设备检测经传感单元后的透射光谱，得到干涉峰漂移量，通过数据标定，最终计算得到当前流体的质量流量。
[0016]优选的，通过调节加热光源的功率或者改变光热光纤的光热吸收系数来调节流体质量流量监测的灵敏度。
[0017]本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0018]1、本发明在预知流体的种类和浓度的情况下，可以检测任何不对光纤产生腐蚀的流体的质量流量，特别是适用于易燃易爆流体质量流量计量和易燃易爆流体过程控制，与传统的流体质量流量计相比，本发明采用的传感单元是光纤传感单元，尺寸很小，采用全光设计结构，暴露在易燃易爆流体中的传感单元不需要任何电子器件，不会受外界电磁干扰，也不会产生电火花等安全隐患。
[0019]2、本发明的传感单元全部采用光纤，与电热丝相比，具有能长期稳定地在腐蚀性环境下工作的特点。
[0020]3、本发明采用光纤结构，监测信号能传输很长的距离，可以做到远程在线监控测量。
[0021]4、本发明可以在不同的监控点处放置干涉峰波长位置不一样的传感单元，并将各传感单元用光纤串联。若某监控点易燃易爆流体质量流量发生变化，对应标注监控点干涉峰波长将发生漂移，从而实现多点监控测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明装置的结构示意图；
[0023]图2是本发明装置中传感单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0025]实施例1
[0026]如图1所示，本实施例一种全光学化的流体质量流量监测装置，包括加热光源1、检测光源2、第一滤波式波分复用器3、传感单元4、第二滤波式波分复用器5和光谱分析设备6。其中加热光源1、检测光源2、传感单元4均分别与第一滤波式波分复用器3连接，第二滤波式波分复用器5分别连接传感单元4另一端、光谱分析设备6。
[0027]本实施例中的传感单元结构如图2所示，传感单元4为单模光纤(4-1)-光热光纤(4-3)-单模光纤(4-5)的复合结构，三者通过熔接机熔接而成。两段单模光纤4-1和4-5上分别刻写有光纤布拉格光栅4-2和4-4，形成法布里-珀罗腔，光热光纤4-3为共振腔，本实施例中光热光纤采用掺杂了 Co(钴)元素的光纤，该光纤可将在光纤内传播的光能转化为热能。本实施例针对汽油、煤油、液化石油气等易燃易爆的液体的环境，光纤布拉格光栅
4-2和4-4的长度选择为6mm,光热光纤长度选择2mm。
[0028]如图1中所示，第一滤波式波分复用器3包括3个接口，其中加热光源I与第一滤波式波分复用器3的3-2端口光连接，检测光源2与第一滤波式波分复用器3的3-3端口光连接，传感单元4与第一滤波式波分复用器3的3-1端口光连接。第二滤波式波分复用器5同样有3个接口，其中，第二滤波式波分复用器5的5-1端口与传感单元4的另一端连接，光谱分析设备6与第二滤波式波分复用器5的5-2端口连接，第二滤波式波分复用器5的
5-3端口为能量输出端口，不连接任何设备，未被光热光纤吸收的加热光经能量输出端口离开监测装置。
[0029]上述全光学化的流体质量流量监测装置的监测方法，包括以下步骤:
[0030](I)将传感单元4置于待测流体流通的管道中。
[0031](2)开启加热光源I和检测光源2，其中传感单元4上的光热光纤吸收加热光源I发出的光能，在待测流体处于静止状态下使得传感单元4的温度上升到达一个相对高的温度，当待测流体流经传感单元4时，带走传感单元的热量并引起其温度的变化，使得法布里-珀罗腔的有效腔长发生变化；加热光最后经第二滤波式波分复用器5的5-3端离开监测系统；检测光源2发出的光经过第一滤波式波分复用器3进入传感单元4，然后透射光经第二滤波式波分复用器5的5-2端进入光谱分析设备6。加热光源I的波长设置在光热光纤的吸收带内，并且不覆盖光纤光栅的特征反射波长，检测光源2的波长范围覆盖光纤光栅的特征反射波长。
[0032](3)光谱分析设备6检测经传感单元后的透射光谱，得到干涉峰漂移量，通过数据标定，最终计算得到当前流体的质量流量。
[0033]本实施例中，加热光源1、检测光源2、第一滤波式波分复用器3、第二滤波式波分复用器5、光谱分析设备6、传感单兀4上的单模光纤4-1和4-5和光热光纤4-3为成熟产品，单模光纤4-1和4-5上制作光纤光栅4-2和4-4为成熟技术,光谱分析设备6检测到的光谱与流体质量流量的数据标定算法为现有技术。
[0034]实施例2
[0035]本实施例除下述特征外其他结构同实施例1:
[0036]本实施例针对瓦斯气体、一氧化碳和乙炔等高危气体或者是氯气、氯化氢等腐蚀性气体，光纤布拉格光栅4-2和4-4的长度选择为2mm，光热光纤4_3的长度选择1mm。
[0037]实施例3
[0038]本实施例除下述特征外其他结构同实施例1:
[0039]本实施例针对乙醇、异丙酮等易燃易爆液体，光纤布拉格光栅4-2和4-4的长度选择为2mm，光热光纤4-3的长度选择1mm。
[0040]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种全光学化的流体质量流量监测装置，其特征在于，包括加热光源、检测光源、第一滤波式波分复用器、传感单元和光谱分析设备，第一滤波式波分复用器分别与检测光源、加热光源和传感单元连接，传感单元与光谱分析设备相连；所述传感单元为单模光纤-光热光纤-单模光纤的复合结构，在两段单模光纤上都刻写有光纤光栅，形成法布里-珀罗腔，光热光纤为共振腔；工作时，加热光源发出的加热光经第一滤波式波分复用器后被传感单元中的光热光纤吸收，检测光源发出的光经过第一滤波式波分复用器后进入传感单元，然后透射光进入光谱分析设备。
2.根据权利要求1所述的全光学化的流体质量流量监测装置，其特征在于，所述传感单元与光谱分析设备之间还设置一第二滤波式波分复用器，该第二滤波式波分复用器包括一能量输出端口，未被光热光纤吸收的加热光经能量输出端口离开监测装置，透射光经第二滤波式波分复用器进入光谱分析设备。
3.根据权利要求1所述的全光学化的流体质量流量监测装置，其特征在于，所述光热光纤长度不超过2mm。
4.根据权利要求1所述的全光学化的流体质量流量监测装置，其特征在于，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅，其长度为2mm到6mm。
5.根据权利要求1所述的全光学化的流体质量流量监测装置，其特征在于，所述流体质量流量监测装置包括若干个干涉峰波长位置不一样的传感单元，传感单元放置在若干个监控点，各个传感单元之间通过光纤串联。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的全光学化的流体质量流量监测装置的监测方法，其特征在于，传感单元上的光热光纤在吸收加热光源发出的光能后温度上升，上升到预定温度后保持稳定；待测流体流经传感单元并带走热量，使得法布里-珀罗腔的有效腔长发生变化并引起干涉峰的漂移，检测干涉峰漂移量，通过数据标定，最终计算得到当前流体的质量流量。
7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将传感单元放置于待测流体流通的管道中； (2)开启加热光源和检测光源，传感单元上的光热光纤吸收加热光源发出的光能，在待测流体处于静止状态下使得传感单元的温度上升到一预定温度后保持稳定，当待测流体流经传感单元时，带走传感单元的热量并引起其温度的变化，使得法布里-珀罗腔的有效腔长发生变化并引起干涉峰波长的漂移；检测光源发出的光经过第一滤波式波分复用器进入传感单元，然后透射光经第二滤波式波分复用器进入光谱分析设备；所述加热光源的波长设置在光热光纤的吸收带内，并且不覆盖光纤光栅的特征反射波长，检测光源的波长范围覆盖光纤光栅的特征反射波长； (3)光谱分析设备检测经传感单元后的透射光谱，得到干涉峰漂移量，通过数据标定，最终计算得到当前流体的质量流量。
8.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，通过调节加热光源的功率或者改变光热光纤的光热吸收系数来调节流体质量流量监测的灵敏度。
【文档编号】G01F1/76GK104390671SQ201410725414
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】周斌, 姜恒和, 何赛灵, 陈卓, 高少锐 申请人:华南师范大学