一种航空燃油中游离水含量在线测试光纤系统及方法

本发明涉及光电信息，具体涉及一种航空燃油中游离水含量在线测试光纤系统及方法。

背景技术：

1、航空燃油分为两大类，航空汽油和航空煤油。航空汽油的主要成分为烷烃、芳烃等碳氢化合物，航空煤油则主要由烷烃、芳香烃和烯烃类的碳氢化合物组成。飞机在高空低温条件下长时间飞行过程中，溶于航空燃料中的微量水会析出成为游离水并冻结成冰，引起阀门或过滤器等阻塞，导致发动机供油功能失常，进而引起发动机高空停机熄火，危及飞机飞行安全。以航空煤油为例，为安全起见，国外航空煤油的水含量要求控制在0-15ppm以内，而我国航空煤油的标准规定航空煤油中游离水的含量不能超过30ppm。因此，在飞机飞行前、飞行过程中对油箱中燃油的水含量进行在线监控是非常重要的。

2、目前用于石油产品水含量测试的方法主要有：(1)卡尔·费休库仑滴定法(例如：中国发明专利，申请号：cn201811519465.2，“一种航空煤油中微量游离水含量分析方法”)、(2)化学反应显色法(例如：中国发明专利，申请号cn 106990105a，“航空燃油微量水含量的检测试纸及其制备方法”)。上述两种方法都不能实现在线实时测试，而且需要专门的测试人员和测试设备，对飞机使用者和燃油处理工作者并不是友好的技术手段。此外，例如德国optek-danulat优培德公司发展出了光学散射法，即在前向、反向、和某个散射角度方向上测试对于单波长激光或窄带非相干光源的散射光强度，根据散射强度和不同散射角的依存关系，从而计算出燃油中微量游离水微球半径和单位体积的微球数，从而确定微量游离水的含量。其中，米(g.mie)在1908年根据麦克斯韦方程推导，发现完美球形微球产生的米氏散射强度存在严格的数学解(g.mie,annalen der physik330(3),377(1908))。但是，该方法基于空间几何光学原理实现，需要较大尺寸的液体样品池和较多的块状光学元件实现较为精准的光学测试。然而，在实际场景中，绝大多数使用航空燃油的高空飞行器对其所携带设备的尺寸和载重有着非常严格的限制。因此，迫切需要发展出一种结构紧凑、重量轻、同时对非光学专业使用者操作友好的、航空燃油中游离水含量的在线测试光纤系统及测试方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种航空燃油中游离水含量在线测试光纤系统及方法，通过引入多个激光波长，并考察波长跨度足够大的波段内空芯光纤液体取样池存在的米氏散射损耗和波长的依存关系，可以精确确定航空燃油中游离水微球的半径和含量。

2、为实现上述目的，一方面，本发明公开了一种航空燃油中游离水含量在线测试光纤系统，包括激光光源、空芯光纤液体样品池、带尾纤的光电探头、微流体取样泵、液体样品排出口、和上位机，其中，所述激光光源位于所述空芯光纤液体样品池的一侧，所述激光光源的尾纤与所述空芯光纤液体样品池的空芯光纤输入端通过第一光纤法兰耦合连接；所述光电探头位于所述空芯光纤液体样品池的另一侧，所述空芯光纤液体样品池的空芯光纤输出端和光电探头的尾纤通过第二光纤法兰耦合连接；所述微流体取样泵与航空燃油油罐连通，用于从航空燃油油罐中取样并向所述空芯光纤液体样品池中注入燃油样品；

3、所述激光光源(1)由n个不同波长的单波长激光器构成，单波长激光器输出线宽不大于5nm；波长分别为λ1、λ2、……λi、……、λn,且λ1<λ2<……<λi……<λn，通过尾纤输出耦合进入充满航空燃油的所述空芯光纤液体样品池，所述光电探头接收充满航空燃油的所述空芯光纤液体样品池输出的多波长激光功率，进行在线实时测试；

4、所述激光光源、所述空芯光纤液体样品池、所述光电探头、所述微流体取样泵分别与所述上位机相连，所述上位机用于根据不同游离水微球半径在不同波长产生米氏散射的精确解，采用数值逼近方法进行拟合，根据最小二乘法原则，计算得出所取航空燃油液体样品中的游离水微球半径和游离水的含量。

5、进一步地，还包括恒温装置，所述恒温装置紧贴于所述空芯光纤液体样品池下方；所述恒温装置与所述上位机相连，通过所述上位机控制恒温装置保持所述空芯光纤液体样品池处于恒定温度状态。

6、进一步地，所述激光光源的最短激光波长λ1和最长激光波长λn满足关系λn≥1.1λ1。

7、进一步地，所述空芯光纤液体样品池所使用的空芯光纤的环绕中空纤芯的材料的折射率高于航空燃油在工作波段的折射率，中空纤芯直径为20-2000微米，空芯光纤长度为0.1-10米。

8、进一步地，所述光电探头的工作波段覆盖所述激光光源中的所有单波长激光器的波长。

9、进一步地，所述第一光纤法兰通过一个对所述激光光源所有波长都透明的第一光学窗口隔断为输入端第一室和输入端第二室，所述输入端第一室用于固定所述激光光源的输出尾纤，并暴露于环境中；所述输入端第二室用于固定所述空芯光纤液体样品池的输入端；所述空芯光纤液体样品池的输入端和所述第一光纤法兰的插入部分密封；所述输入端第二室侧面与所述微流体取样泵的输出端连接。

10、进一步地，所述第二光纤法兰通过一个对所述激光光源所有波长都透明的第二光学窗口隔断为输出端第一室和输出端第二室，所述输出端第一室用于固定所述空芯光纤液体样品池的输出端；所述空芯光纤液体样品池的输出端和所述第二光纤法兰的插入部分密封；所述输出端第二室用于固定所述光电探头的输入尾纤，并暴露于环境中；输出端第一室侧面与所述液体样品排出口连接。

11、进一步地，所述微流体取样泵从航空燃油油罐内取样时，航空燃油液体流入到所述输入端第二室内，并通过所述第一光学窗口与所述空芯光纤液体样品池的输入端之间的缝隙流入空芯光纤纤芯内，并在整个空芯光纤长度上注满空芯光纤纤芯；之后，航空燃油液体通过所述第二光学窗口与所述空芯光纤液体样品池的输出端之间的缝隙流入输出端第一室内，并流入所述液体样品排出口。

12、另一方面，本发明还公开了一种航空燃油中游离水含量在线测试方法，基于上述所述的航空燃油中游离水含量在线测试光纤系统，所述测试方法包括如下步骤：

13、s1、上位机根据完美球形微球产生的米氏散射的数学解，计算在确定温度条件下，具有确定折射率的航空燃油液体介质中所悬浮的具有确定折射率的游离水散射微球所产生的米氏散射的精确解，建立确定温度条件下的不同游离水微球半径和不同激光波长之间的依存关系的数据库；

14、s2、上位机指令微流体泵从航空燃油油罐中取样，使之充满空芯光纤液体样品池；

15、s3、上位机指令激光光源将多个单波长激光器逐次打开，其激光输出通过尾纤耦合进入充满有航空燃油样品的空芯光纤液体样品池的输入端，上位机通过光电探头在充满有航空燃油样品的空芯光纤液体样品池的输出端接收测试得到各波长的激光输出功率，比照在相同温度条件和相同激光输入功率条件下、充满无水航空燃油标准样品的空芯光纤液体样品池在各波长的激光输出功率，计算得到所采航空燃油样品在各波长的散射损耗；

16、s4、根据步骤s3测试得到的充满实时取样航空燃油的空芯光纤液体样品池在各激光波长的散射损耗值，上位机给出游离水微球半径初始值r0，计算出根据步骤s1的数据库中给出当水微球半径r0时在不同波长处的拟合散射损耗值与根据步骤s3获得的实测散射损耗值之间相对误差的平方和δ0，按照最小二乘法原则，朝减小相对误差的平方和的方向，逐步改变游离水微球半径值r，通过逼近法，最终在满足不同波长处的拟合散射损耗值与实测散射损耗值之间相对误差的平方和δ达到最小的条件下，得到实际所取航空燃油样品中游离水微球半径值r；

17、s5、根据步骤s4中得到的样品中悬浮游离水微球半径和步骤s3中得到的充满航空燃油样品的空芯光纤液体样品池在各激光波长的散射损耗值，计算得到单位体积样品中的游离水微球数量，从而得到在线实时取样的航空燃油中的游离水的含量。

18、本发明的有益效果是：

19、(1)本发明通过在线测量充满航空燃油的空芯光纤液体样品池中悬浮的游离水微球所产生的米氏散射损耗与不同激光波长的依存关系，计算得出航空燃油中游离水微球半径和单位体积中游离水微球的数量，从而测出航空燃油中游离水的含量，由于游离水在高纯航空燃油中为完美的微小圆球，其作为散射中心产生的米氏散射存在精确解，通过在多于4个激光波长上考察航空燃油中游离水微球在空芯光纤中产生的米氏散射损耗，可以基于最小二乘法原则，通过非线性拟合精确地拟合出的航空燃油中游离水微球的半径和游离水含量；

20、(2)在所需测试的百万分之一(ppm)量级的游离水含量和亚微米级游离水微球半径条件下，其产生的米氏散射损耗较弱；由于空芯光纤波导具有比传统块体的散射装置具有更大的光程，采用米级长度的低损耗空芯光纤作为空芯光纤液体样品池，可以实现光信号和产生米氏散射的游离水微球散射中心在长光程上的有效重合，因此能够精确地测出在不同波长上的弱散射信号及其差异、从而实现高纯航空燃油中极低含量的游离水的精确测试；

21、(3)本系统可以实时在线检测航空燃油中的游离水含量，且系统整体体积小、重量轻，适合在高空飞行器上使用。