技術領域

本發(fā)明屬于管道測量技術領域，涉及一種溫度、壓力和流量同時測量的一體化光纖傳感器。

背景技術

管道是在一定溫度、壓力和流量下，用于運輸流體介質(zhì)的一種特殊設備，廣泛應用于石油、天然氣、冶金、化工等行業(yè)生產(chǎn)及燃氣系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)等公眾生活之中。溫度、壓力和流量是流體管道結(jié)構(gòu)的三個重要參數(shù)，關乎工程生產(chǎn)的安全及效益。然而，目前市面上用于溫度、壓力和流量單參數(shù)測量的各類傳感器已較多，而三參數(shù)同時測量的一體化傳感器較少。同時，傳統(tǒng)電式的各類傳感器在工作時易產(chǎn)生電火花，無法用于對易燃易爆流體的檢測。

光纖傳感器利用光進行傳感和傳輸，因此不受電磁干擾。同時，光纖傳感器具有徑細、質(zhì)軟、重量輕、絕緣、耐水、耐高溫、耐腐蝕的優(yōu)點。另外，光纖光柵是光纖傳感器家族中發(fā)展較為成熟的一種，具有成熟的制作工藝和低廉的價格。近年來，許多基于光纖光柵的溫度、壓力和流量單參數(shù)測量的傳感器被提出。

文進等人提出了一種光纖光柵溫度探頭(中國發(fā)明專利申請201010279045.9)，該種溫度探頭包括了介質(zhì)封裝筒，光纖光柵以及封裝裝置，封裝裝置將外界溫度傳遞至光纖光柵，利用光纖光柵對溫度敏感的特性實現(xiàn)對溫度的測量。該裝置的介質(zhì)封裝筒是由絕緣塑料制成的，且光纖光柵是懸空，熱傳遞較慢，傳感器響應速度較慢。

張?zhí)扈さ热颂岢隽艘环N用于管道檢測的光纖光柵壓力傳感器(中國發(fā)明專利申請201510415610.2)，該壓力傳感器通過彈性膜片將壓力變化轉(zhuǎn)換為膜片中心撓度變化，通過光纖光柵測量膜片中心撓度，從而實現(xiàn)對管道壓力的測量。該種結(jié)構(gòu)壓力傳感器體積較大，結(jié)構(gòu)復雜，同時力的傳遞機構(gòu)較多，容易造成誤差的累積。

李川等人提出了一種靶式光纖光柵液體流量計(中國發(fā)明專利申請20091004845.0)，該流量計利用圓靶、連接桿等裝置將流體作用于圓靶上的力傳遞給光纖光柵，通過測量光纖光柵中心反射波長的移動量實現(xiàn)對流量的測量。該設計通過軸封膜片實現(xiàn)密封，結(jié)構(gòu)復雜，可靠性低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種溫度、壓力和流量同時測量的一體化光纖傳感器，解決了存在的下述問題：光纖流量計體積較大，結(jié)構(gòu)復雜同時無法實現(xiàn)溫度、壓力和流量同時測量等問題。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方式如下：

一種溫度、壓力和流量同時測量的一體化光纖傳感器，包括：外殼、靶片、應變棒、第一光纖光柵、第二光纖光柵、薄壁圓筒、第三光纖光柵和第四光纖光柵。

該一體化傳感器與被測管道通過外殼連接；靶片設置在流體流經(jīng)的測量管道，位于管道測量中心，感受流量信息。

所述的靶片開有通孔，用于安裝應變棒自由端。

應變棒為空心圓柱結(jié)構(gòu)，其內(nèi)安裝第一光纖光柵和第二光纖光柵；應變棒的一端固定于靶片的靶片通孔內(nèi)，一端固定于薄壁圓筒底部法蘭的圓筒通孔內(nèi)；第一光纖光柵和第二光纖光柵都是沿應變棒軸線方向?qū)ΨQ粘貼于應變棒的內(nèi)壁，且第一光纖光柵和第一光纖光柵所處平面與外殼軸線方向平行。

薄壁圓筒內(nèi)安裝第三光纖光柵和第四光纖光柵，第三光纖光柵沿圓周方向粘貼于薄壁圓筒中間凹槽內(nèi)，第四光纖光柵沿圓周方向粘貼于薄壁圓筒頂部凹槽內(nèi)；第四光纖光柵所處位置為實心結(jié)構(gòu)。

上述方案中，所述的一體化傳感器設置外保護套筒(9)，所述的外殼的連接方式為法蘭連接。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提出的一種溫度、壓力和流量同時測量的一體化光纖傳感器，將光纖光柵、與流體分隔開，避免其被流體沖擊而損壞，提高了傳感器的使用壽命；同時，將溫度、壓力和流量探頭集成于一個探頭內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧。

附圖說明

圖1為基于溫度、壓力和流量同時測量的一體化光纖傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為靶片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為薄壁圓筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為第一光纖光柵4和第二光纖光柵5中心波長與溫度的關系。

圖5為第一光纖光柵4和第二光纖光柵5中心波長與流量的關系。

圖6為第三光纖光柵7和第四光纖光柵8中心波長與壓力的關系。

圖中：1外殼；2靶片；3應變棒；4第一光纖光柵；5第二光纖光柵；6薄壁圓筒；7第三光纖光柵；8第四光纖光柵；9外保護套筒；10靶片通孔；11圓筒通孔；12第一凹槽；13第二凹槽。

具體實施方式

以下結(jié)合技術方案和附圖說細敘述本發(fā)明的實施例。

如圖1、圖2、圖3所示，一種溫度、壓力和流量同時測量的一體化光纖傳感器，該傳感器包括：安裝一體化傳感器和實現(xiàn)與被測管道連接的外殼1，感受流量信息的靶片2，安裝第一光纖光柵4和第二光纖光柵5的應變棒3，感受壓力信息的薄壁圓筒6，用于感受不同流量下應變棒3產(chǎn)生應變大小的第一光纖光柵4和第二光纖光柵5，用于感受不同壓力下薄壁圓筒6產(chǎn)生應變大小的第三光纖光柵7和第四光纖光柵8，用于保護一體化傳感器的外保護套筒9。其工作過程是：流體流經(jīng)測量管道，流體溫度通過應變棒傳遞給第一光纖光柵4和第二光纖光柵5，導致其中心波長向同一方向移動，如圖4所示；流體沖擊靶片，迫使應變棒3產(chǎn)生屈服變形，從而使安裝于應變棒3內(nèi)壁上的第一光纖光柵4和第二光纖光柵5的中心波長向相反方向移動，如圖5所示。通過測量第一光纖光柵4和第二光纖光柵5的中心波長，便能實現(xiàn)對溫度、流量的同時測量。溫度的變化導致第三光纖光柵7和第四光纖光柵8中心反射波長向同一方向移動；壓力的變化導致薄壁圓筒中空部分膨脹，使第三光纖光柵7受到拉伸應變，中心反射波長紅移，第四光纖光柵8所處位置為實心結(jié)構(gòu)，壓力的變化幾乎不會使第四光纖光柵8受到拉伸應變，從而第四光纖光柵8中心波長大小與壓力無關，如圖6所示。通過測量第三光纖光柵7和第四光纖光柵8的中心波長，便能實現(xiàn)對壓力的測量。