分布式光纖測量流量裝置及方法

2023-12-10 00:56:01 1

專利名稱：分布式光纖測量流量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及分布式光纖傳感技術領域，尤其涉及分布式光纖測量流量的技術領 域。
背景技術：
流量測量涉及範圍非常廣泛，並且隨著工業技術的發展，被測介質品種也越來越 多，目前世界上每年都要添加上萬種新介質，其中與生活及實踐有密切關聯的介質就有 五六萬種之多。這些介質涉及液體、氣體以及雙相、多相流體，流體溫度從高溫到及低溫，流 體壓強有低壓、中壓、高壓甚至於超高壓的，流體流動形態有層流、湍流、脈動流，這些介質， 既有牛頓型流體，又有非牛頓型流體，既有大流量流體流量測量，又有微流量流體流量測 量，這些問題就給流體流量監測工作帶來了極大的困難。除此之外，目前已有的測量流量的裝置通常一次只能測量單一管道在某處的流 量，對於大面積測量流速，集中處理數據，目前尚未有類似的裝置問世。

發明內容
為了解決上述技術中的問題，本發明提供分布式光纖測量流量裝置及方法。本發明採用的技術方案為分布式光纖測量流量裝置，包括分布式光纖傳感主機和傳感光纖，待測流場管道 內部設置一障礙物，傳感光纖纏繞在待測流場管道表面，傳感光纖始端連接在分布式光纖 傳感主機上。所述的分布式光纖傳感主機包括發光單元、光纖環形器、光接收模塊、AD採集器、 檢測分析處理系統。所述的發光單元結構為，由窄線寬光源的輸出接入電光調製器輸入，電光調製器 被窄脈衝驅動電路驅動輸出窄脈衝光，電光調製器輸出接入光放大器輸入，光放大器輸出 所需大功率窄脈衝光。所述的窄脈衝驅動電路發出同步信號，控制AD採集器的數據採集。發光單元發出的光通過環形器進入傳感光纖，將傳感光纖纏繞在待測流場管道表 面或者裡面，該傳感光纖可與多個待測流場相連；在待測流場內部設置一障礙物，流體遇到 障礙物後將形成有規則的兩列旋轉方向相反的並排旋渦稱為卡門渦街。此旋渦頻率與流 速成正比。此傳感光纖受旋渦衝力的作用而作受迫振動，傳感光纖中產生的後向散射光信 號也就被此振動調製，後向散射光中的瑞利散射光通過光纖環形器進入光接收模塊，再進 入AD採集器，最終進入檢測分析處理系統。檢測光接收模塊所收到的光信號的相位變化頻 率(旋渦產生的頻率)即可求出流場的流速，當測流場局限在有限通道時，由流速與流量的 一一對應關係即可得到流量信號。傳感光纖內光信號相位的改變時通過幹涉儀輸出的光強與受到相應的振動對應。 本發明運用Φ-光時域反射計的幹涉機理，外界擾動作用在傳感光纖上面或附近產生的壓 力或振動導致傳感光纖中瑞利散射光相位發生變化，由於幹涉作用，光相位變化將引起光強度的變化，通過實時將當前時刻的管道所纏繞的某一段傳感光纖後向瑞利散射信號與其 前一時刻的後向瑞利散射信號連續相干檢測效應來定位管道位置，並實現將光相位的變化 轉化成為光信號的變化，幹涉信號反映的傳感光纖的感應振動頻率與流速成比例。傳感光纖被流體振動調製的光相位變化量採用光時域反射和幹涉式測量方法進 行解調，通過一根傳感光纖把多個待測流場串聯起來，從而實現對多個待測流場流體流動 產生的振動進行分布式測量。光時域反射和幹涉式測量裝置採用後向散射光原理，由窄線寬光源的輸出接入電 光調製器輸入，電光調製器被窄脈衝驅動電路驅動輸出窄脈衝光，電光調製器輸出接入光 放大器EDFA輸入，光放大器EDFA輸出所需大功率窄脈衝光，大功率窄脈衝光經光纖環形器 注入到傳感光纖中，在傳感光纖中將產生後向散射光得攜帶振動信號的瑞利散射光，自此 便完成了攜帶振動信息光信號的提取工作；瑞利散射光再分別進入光接收模塊進行光電轉 換，從而完成信號的光電探測工作；而後分別由同步信號採集器進行模數轉換，從而得到數 字信號，再由監測分析處理系統，便最終監測分析處理系統的分析得到整串光纖流量傳感 探頭所在流量信息。分布式光纖測量流量的方法，包括以下步驟步驟一，窄線寬光源經電光調製器和窄脈衝驅動電路調製驅動產生光脈衝和同步
信號；步驟二，所述光脈衝經光放大器放大後經過光纖環形器進入傳感光纖，受待測流 場裡旋渦衝力的作用而作受迫振動，傳感光纖中產生的後向散射光信號也就被此振動調製 生成攜帶振動信號的後向散射光即瑞利散射光信號；步驟三，所述瑞利散射光進入光接收模塊轉換成電信號，最後進入AD採集器；步驟四，所述同步信號控制雙通道AD採集器對AD信號的採集；步驟五，監測分析處理系統接收所述AD採集器採集的數據，並對數據進行數據預 處理、數據定標、數據解調、數據修正得到流量信息。本發明所述的分布式光纖測量流量裝置相對於現有技術優點在於本發明是非電 測量、安全可靠、能實時連續分布式遙測，通過採用一根傳感光纖即可探測光纖所纏繞的待 測流體場的所有流體的流量。比其它光纖流量計有更高的靈敏度和性價比，而且由於檢測 的是相位信號，故不受光源波動、溫度變化等因素的影響，特別適合在如煤礦一類防爆環境 下的管道氣體流量測試。


圖1為本發明所述的裝置結構示意圖；圖2是本發明所述的傳感光纖在待測流體場的纏繞示意具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的具體實施方式
。結合圖1、圖2可知，分布式光纖測量流量裝置，包括分布式光纖傳感主機和傳感 光纖，待測流場管道內部設置一障礙物，傳感光纖纏繞在待測流場管道表面，傳感光纖始端 連接在分布式光纖傳感主機上。
分布式光纖傳感主機包括發光單元、光纖環形器5、光接收模塊6、AD採集器7、檢 測分析處理系統8。發光單元中，窄線寬光源1的輸出接入電光調製器3輸入，電光調製器3被窄脈衝 驅動電路2驅動輸出窄脈衝光，電光調製器3輸出接入光放大器EDFA4輸入，窄脈衝光在光 放大器EDFA4中放大輸出所需大功率窄脈衝光，大功率窄脈衝光經光纖環形器5注入到傳 感光纖中，將傳感光纖纏繞在多個待測流場管道表面，成為多個光纖探頭10-n，在待測流場 內部分別設置一障礙物，流體遇到障礙物後將形成有規則的兩列旋轉方向相反的並排旋渦 稱為卡門渦街9。此旋渦頻率與流速成正比。纏繞在待測流場管道表面的光纖探頭10-n 受旋渦衝力的作用而作受迫振動，傳感光纖中產生的後向瑞利散射光信號也就被此振動調 制，調製後的後向瑞利散射光信號經過光纖環形器5進入光接收模塊6，自此便完成了攜帶 振動信息光信號的提取工作；瑞利散射光經過光接收模塊6進行光電轉換，從而完成光信 號的光電探測工作；而後分別由AD採集器7進行模數轉換，從而得到數位訊號，再由監測分 析處理系統8分析處理，最終得到整串光纖流量傳感探頭所在待測流場的流量信息。分布式光纖流量測量方法方法，包括以下步驟步驟一，窄線寬光源1經電光調製器3和窄脈衝驅動電路2調製驅動產生光脈衝 和同步信號；步驟二，所述光脈衝經光放大器4放大後經過光纖環形器5進入傳感光纖，受待測 流場裡旋渦衝力的作用而作受迫振動，傳感光纖中產生的後向散射光信號也就被此振動調 制生成攜帶振動信號的後向散射光即瑞利散射光信號；步驟三，所述瑞利散射光進入光接收模塊6轉換成電信號，最後進入AD採集器7 ；步驟四，所述同步信號控制雙通道AD採集器7對AD信號的採集；步驟五，監測分析處理系統8接收所述AD採集器採集的數據，並對數據進行數據 預處理、數據定標、數據解調、數據修正得到流量信息。這裡本發明的描述和應用是說明性的，並非想將本發明的範圍限制在上述實施例 中。這裡所披露的實施例的變形和改變是可能的，對於那些本領域的普通技術人員來說實 施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明 的精神或本質特徵的情況下，本發明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他元件、 材料和部件來實現。
權利要求
1.分布式光纖測量流量裝置，包括分布式光纖傳感主機和傳感光纖，其特徵在於待 測流場管道內部設置一障礙物，傳感光纖纏繞在待測流場管道表面，傳感光纖始端連接在 分布式光纖傳感主機上。
2.根據權利要求1所述的分布式光纖測量流量裝置，其特徵在於所述的傳感光纖可 以同時纏繞在多個待測流場管道表面，同時測量多個流場流量。
3.根據權利要求1所述的分布式光纖測量流量裝置，其特徵在於所述的分布式光纖 傳感主機包括發光單元、光纖環形器、光接收模塊、AD採集器、檢測分析處理系統。
4.根據權利要求3所述的分布式光纖測量流量裝置，其特徵在於所述的發光單元結 構為，由窄線寬光源的輸出接入電光調製器輸入，電光調製器被窄脈衝驅動電路驅動輸出 窄脈衝光，電光調製器輸出接入光放大器輸入，光放大器輸出所需大功率窄脈衝光。
5.根據權利要求4所述的分布式光纖測量流量裝置，其特徵在於所述的窄脈衝驅動 電路發出同步信號，控制AD採集器的數據採集。
6.根據權利要求1所述的分布式光纖測量流量的方法，其特徵在於，包括下列步驟a、窄線寬光源經電光調製器和窄脈衝驅動電路調製驅動產生窄脈衝光和同步信號；b、所述窄脈衝光經光放大器放大後經過光纖環形器進入傳感光纖，受待測流場裡旋渦 衝力的作用而作受迫振動，傳感光纖中產生的後向散射光信號相位也就被此振動調製，由 於幹涉作用，光相位變化將引起光強度的變化，通過實時將當前時刻的管道所纏繞的某一 段光纖後向瑞利散射信號與其前一時刻的後向瑞利散射信號連續相干檢測效應來定位管 道位置，並實現將光相位的變化轉化成為光強的變化，幹涉信號反映的傳感光纖的感應振 動頻率與流速成比例，從而可求出流場的流速；C、所述瑞利散射光進入光接收模塊轉換成電信號，最後進入AD採集器；d、所述同步信號控制雙通道AD採集器對AD信號的採集；e、監測分析處理系統接收所述AD採集器採集的數據，並對數據進行數據預處理、數據 定標、數據解調、數據修正得到流量信息。
全文摘要
本發明公開了分布式光纖測量流量裝置及其測量方法，通過利用一根傳感光纖將多個待測流場管道連接在一起，在每個流場裡分別設置一個障礙物，流體遇到障礙物後將形成有規則的兩列旋轉方向相反的並排旋渦稱為卡門渦街。此旋渦頻率與流速成正比。本產品解調基於Φ-光時域反射計的幹涉機理，此傳感光纖受旋渦衝力的作用而作受迫振動，傳感光纖中產生的後向散射光信號相位也就被此振動調製，從而可求出流場的流速。本發明是非電測量、安全可靠、能實時連續分布式遙測，通過採用一根傳感光纖即可探測光纖所纏繞的待測流體場的所有流體的流速。比其它光纖流量計有更高的靈敏度和性價比。
文檔編號G01F1/32GK102128653SQ201010619118
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月29日 優先權日2010年12月29日
發明者仝芳軒, 周正仙, 席剛, 楊斌, 皋魏 申請人:上海華魏光纖傳感技術有限公司