基于光纤光栅的热式流量传感器的燃气流量计量方法

摘要

基于光纤光栅的热式流量传感器的燃气流量计量方法，属于燃气流量测量技术领域。本发明是为了解决现有燃气流量计量采用的装置基于电子器件构成，防爆效果差，使用不安全的问题。它采用光纤光栅解调仪采集获得光纤光栅温度传感器测量管内的当前温度T

说明书

技术领域

本发明涉及基于光纤光栅的热式流量传感器的燃气流量计量方法，属于燃气流量测量 技术领域。

背景技术

传统技术中用于测量燃气流量的热式流量计主要有两种：一种是利用流动流体传递热 量，进而改变测量管壁温度分布的热传导分布效应的热分布式流量计；另一种是采用热耗 散的原理的热式质量流量计，它遵循金氏定律原理：燃气通过热源带走热量，流速越快， 带走热量越多，温差改变越大，所需要增加的光功率越大，热式质量流量计通过上述线性 关系测量燃气流量。

目前燃气的输运和供给主要通过管道来实现，管线中燃气的流量计量是燃气公司极为 重要的管理环节。传统的燃气流量计量传感器主要是基于电子器件的流量传感器，由于它 在易燃易爆场合受到防爆等因素的制约，会存在很多不安全因素。

在一些特殊应用场合，光纤光栅传感器作为智能化结构的传感器，存在诸多使用优势， 首先，它具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、易集成、结构简单等优点； 其次它可以埋覆在被测物体和材料内部，对压强、温度、应力、应变、流速、流量、粘度 等物理量进行检测。

发明内容

本发明目的是为了解决现有燃气流量计量采用的装置基于电子器件构成，防爆效果 差，使用不安全的问题，提供了一种基于光纤光栅的热式流量传感器的燃气流量计量方法。

本发明所述基于光纤光栅的热式流量传感器的燃气流量计量方法，所述热式流量传感 器包括光纤光栅解调仪、带有光栅的光纤、组合透镜耦合器、大功率LED光源、光纤光 栅温度传感器、自热式光纤光栅温度传感器、塑料光纤和测温光纤，

光纤光栅温度传感器和自热式光纤光栅温度传感器并行设置于燃气供气管道内，光纤 光栅温度传感器设置于近气源侧，光纤光栅温度传感器和自热式光纤光栅温度传感器之间 间隔预定距离；

光纤光栅温度传感器的温度信号经带有光栅的光纤传递至光纤光栅解调仪的一个温 度信号输入端，自热式光纤光栅温度传感器的温度信号经测温光纤传递至光纤光栅解调仪 的另一个温度信号输入端；光纤光栅解调仪的数据传输接口与大功率LED光源的数据传 输接口连接，大功率LED光源的出射光经组合透镜耦合器和塑料光纤后，由塑料光纤侧 壁的光溢出口溢出，经光选择性吸收薄膜转化为热能，传输至自热式光纤光栅温度传感器；

所述燃气流量计量方法为：采用光纤光栅解调仪调控大功率LED光源的输出功率， 对自热式光纤光栅温度传感器进行自加热，并使其达到预定温度T₂；

当有燃气通过时，采用光纤光栅解调仪采集获得光纤光栅温度传感器测量管内的当前 温度T₁和自热式光纤光栅温度传感器测量管内的当前温度T，大功率LED光源内部的控 制单片机获取自热式光纤光栅温度传感器测量管内的当前温度T后，对当前温度T进行 数据处理，并根据数据处理结果控制大功率LED光源的输出功率，使自热式光纤光栅温 度传感器的测量管内温度达到预定温度T₂，并维持恒定，从面使两传感器温差ΔT恒定；

再由大功率LED光源的输出功率与燃气流速的线性关系，根据大功率LED光源的输 出功率计算获得燃气供气管道内的燃气流量数值。

光纤光栅温度传感器的两端和自热式光纤光栅温度传感器的两端在燃气供气管道内 均采用固定件与管壁进行固定。

所述固定件为内六角固定螺栓。

大功率LED光源为白光光源。

塑料光纤的侧壁上设置光溢出口，并在光溢出口处镀光选择性吸收薄膜，光选择性吸 收薄膜吸收光溢出口溢出的光能，并转化为热能，作为自热式光纤光栅温度传感器的热源。

本发明的优点：本发明基于光纤光栅制成，通过光纤传递的光能作为自热式光纤光栅 温度传感器的加热源，实现了燃气流量的全光测量，从而确保了燃气计量的安全稳定进行。

本发明适用于燃气计量等防爆要求极高的场合，并且测量精度高，稳定性好。

附图说明

图1是本发明所述基于光纤光栅的热式流量传感器的燃气流量计量方法的原理框图； 图中箭头所示为燃气的流动方向；

图2是自热式光纤光栅温度传感器的结构示意图；

图3是自热式光纤光栅温度传感器的内部结构示意图；

图4是封装塑料光纤和测温光纤的一体化封装管的结构示意图；

图5是光纤光栅温度传感器的结构示意图；

图6是光选择性吸收薄膜的结构示意图；

图7是燃气供气管道内设置光纤光栅温度传感器和自热式光纤光栅温度传感器的结 构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述基于光纤光 栅的热式流量传感器的燃气流量计量方法，所述热式流量传感器包括光纤光栅解调仪1、 带有光栅的光纤2、组合透镜耦合器3、大功率LED光源4、光纤光栅温度传感器5、自 热式光纤光栅温度传感器6、塑料光纤7和测温光纤8，

光纤光栅温度传感器5和自热式光纤光栅温度传感器6并行设置于燃气供气管道内， 光纤光栅温度传感器5设置于近气源侧，光纤光栅温度传感器5和自热式光纤光栅温度传 感器6之间间隔预定距离；

光纤光栅温度传感器5的温度信号经带有光栅的光纤2传递至光纤光栅解调仪1的一 个温度信号输入端，自热式光纤光栅温度传感器6的温度信号经测温光纤8传递至光纤光 栅解调仪1的另一个温度信号输入端；光纤光栅解调仪1的数据传输接口与大功率LED 光源4的数据传输接口连接，大功率LED光源4的出射光经组合透镜耦合器3和塑料光 纤7后，由塑料光纤7侧壁的光溢出口溢出，经光选择性吸收薄膜转化为热能，传输至自 热式光纤光栅温度传感器6；

所述燃气流量计量方法为：采用光纤光栅解调仪1调控大功率LED光源4的输出功 率，对自热式光纤光栅温度传感器6进行自加热，并使其达到预定温度T₂；

当有燃气通过时，采用光纤光栅解调仪1采集获得光纤光栅温度传感器5测量管内的 当前温度T₁和自热式光纤光栅温度传感器6测量管内的当前温度T，大功率LED光源4 内部的控制单片机获取自热式光纤光栅温度传感器6测量管内的当前温度T后，对当前 温度T进行数据处理，并根据数据处理结果控制大功率LED光源4的输出功率，使自热 式光纤光栅温度传感器6的测量管内温度达到预定温度T₂，并维持恒定，从面使两传感 器温差ΔT恒定；

再由大功率LED光源4的输出功率与燃气流速的线性关系，根据大功率LED光源4 的输出功率计算获得燃气供气管道内的燃气流量数值。

本实施方式中的大功率LED光源4包括大功率白光LED灯珠，驱动电路和控制系统； 光纤光栅温度传感器5适用于燃气管道，大功率LED光源4通过组合透镜耦合器3连接 到自热式光纤光栅温度传感器6进行光加热，两传感器都连接到光纤光栅解调仪1进行测 温的数据处理，光纤光栅解调仪1与大功率LED光源4内部的控制单元，即单片机连接， 从而调节大功率白光LED灯珠的输出功率。光纤光栅解调仪1与单片机通过网络协议匹 配，从而对大功率白光LED光源进行反馈，控制和调节。

如图2和图3所示，自热式光纤光栅温度传感器6采用双管一体化设计，将塑料光纤 7和测温光纤8封装在一起，塑料光纤7实现对自热式光纤光栅温度传感器6的加热，测 温光纤8实现温度的测量并传输，测温光纤8采用普通光纤完成。图2中，自热式光纤光 栅温度传感器6的固定端9带螺纹，两根光纤封装在金属管10中，并使光栅位于封装管 10的正中间，另一固定端11插入燃气管道的管壁内凹槽中。

具体实施方式二：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作 进一步说明，光纤光栅温度传感器5的两端和自热式光纤光栅温度传感器6的两端在燃气 供气管道内均采用固定件与管壁进行固定。

两个传感器同时进行双头固定，能够减少燃气通过时对传感器的应力影响。同时，两 个传感器的封装金属管外壁均涂覆防腐防挂水涂层，为了适应于燃气环境的测量，减小腐 蚀和挂水对温度传感器的影响。

图5所示，光纤光栅温度传感器5的固定端15带螺纹，带有光栅的光纤2封装于金 属管16中，并使光栅位于金属管16的正中间，另一固定端17插入燃气管道管壁凹槽中。 金属管16外表面涂有防腐防挂水涂层。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述固定件为内六角固定 螺栓。

将光纤光栅温度传感器5和自热式光纤光栅温度传感器6的固定端设计成配套的内六 角螺纹，方便固定并确定方向，能够确保两传感器加热和测温部分处于同一水平线上。

具体实施方式四：结合图1对本实施方式进行说明，本实施方式对实施方式一、二或 三作进一步说明，大功率LED光源4为白光光源。

大功率LED白光作为光源，具有输出光波长范围宽，功率调节时线性输出稳定的特 点。LED白光光源由红，蓝，绿三色光混合而成，最大输出功率12W。

如图1所示，光通过塑料光纤7传播到光纤被特殊加工的部分，由于全内反射被破坏， 大部分模式的光从加工处泄露，加工处镀有0.5cm长的光选择性薄膜，选择性薄膜吸收泄 漏光并成为热源。测温光纤8带有光纤光栅的单模光纤，封装于自热式光纤光栅温度传感 器6中。带有光栅的光纤2封装于光纤光栅温度传感器5中。

具体实施方式五：下面结合图2、图3和图6说明本实施方式，本实施方式对实施方 式一、二、三或四作进一步说明，塑料光纤7的侧壁上设置光溢出口，并在光溢出口处镀 光选择性吸收薄膜，光选择性吸收薄膜吸收光溢出口溢出的光能，并转化为热能，作为自 热式光纤光栅温度传感器6的热源。

本实施方式中的塑料光纤7表面进行了特殊处理，来破坏光纤全内反射，使塑料光纤 7传输的光最终溢出，再设置光选择性吸收薄膜，该薄膜可以选择太阳能选择性薄膜，来 吸收泄漏光，使光能转化成热能，从而作为热源。

光选择性吸收薄膜是一种复合材料，它对可见光区有较高的吸收率α，对红外光区有 较低的发射率ε，能做到尽可能多地吸收光能，同时又尽可能少地减少自身热辐射损失， 从而提高光热转换效率。

图3所示，在封装管10中，特殊加工的塑料光纤7的加工处镀上光选择性薄膜13， 测温光纤8用导热硅脂12封装于封装管10中，并保证光栅处于封装管10的正中间。封 装管10外表面涂有防腐防挂水涂层。

结合图3和图6所示，泄漏光入射到光选择性薄膜13的金属电介质层18上，金属电 介质层18对光辐射吸收并升温，光达到高反射金属层19时，由于高反射金属层19自发 辐射热损较低，从而到达聚热目的。

本发明的光耦合效率，光损耗，光泄露效率，和光选择性吸收薄膜的吸收效率均为固 定值。本发明利用金氏定律原理，采用恒温差测量方法，在传统燃气测量传感器基础上改 良形成测量燃气流量的光纤传感器，进而获得燃气流量计量方法。涉及的流量公式为：

Q＝AU；

其中：A为满管前提下管道内部的横截面积；U为燃气气体流速；Q为燃气体积流量。

其中的两个光纤光栅传感器形状不同，功能分工不同。

利用金氏定律的恒温差法测量气体流速就是保持ΔT不变：

ΔT＝T₂-T₁。

当无燃气通过时，光源发出的光功率为定值，此时ΔT不变；当有燃气通过时，自热 式光纤光栅温度传感器6的热源的热量被带走，ΔT改变，为使ΔT不变必须通过反馈提 高光源输出功率，其他条件为定值时，光源输出功率或光源驱动电流与燃气流速成线性关 系。通过监测光源输出功率或光源驱动电流从而得到燃气流速，进而得到燃气流量。

具体地说，大功率LED光源4发出的光经组合透镜耦合器3后进入塑料光纤7，光 在塑料光纤7的特殊加工部分泄露，光选择性薄膜吸收泄露的光从而升温成热源，另一根 测温光纤8连接光纤光栅解调仪1进行温度数据采集，光纤光栅温度传感器5也连接光纤 光栅解调仪1，进行管内温度数据采集，当有燃气通过，带走热源热量，ΔT改变，为保 持两传感器温差ΔT不变，解调仪会将要改变参量反馈给单片机，并由单片机控制驱动电 路改变输出光功率。通过输出光功率参量进而运算得到管内燃气流量。