局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置與測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置，包括入口法蘭、測試管和出口法蘭，高壓端光纖法珀壓力傳感器連第一環形器，第一環形器連第一光源和第一光學信號解調系統，第一光學信號解調系統連第一線陣CCD相機，低壓端光纖法珀壓力傳感器連第二環形器，第二環形器連第二光源和第二光學信號解調系統，第二光學信號解調系統連第二線陣CCD相機，第一線陣CCD相機和第二線陣CCD相機連信號調理采集電路，信號調理采集電路連數據處理單元。方法：高壓力信號和低壓力信號導致法珀腔長度變化，高壓端電信號和低壓端電信號送到數據處理單元，計算流體流量。本發明解決了溫度對壓力式流量測試的交叉敏感問題，提高了流量測試精度。
【專利說明】
局部彎曲導流的光纖法拍式流量測試裝置與測試方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種裝置和方法，更具體的說，是涉及一種局部彎曲導流的光纖法珀 式流量測試裝置與方法。
【背景技術】
[0002] 當前工業生產中，流量測試場合廣泛。流量測試方法主要集中在渦輪式、渦街式、 文丘里管壓力式、電磁式等常規方法上。隨著光纖傳感技術的發展，以及流量測試環境的多 樣化，為了實現防磁、防爆、高溫高壓等惡劣環境下的流量檢測，結合光纖傳感測試法有良 好的防磁防爆抗干擾能力，目前有較多基于光纖傳感技術的流量檢測方法研究。
[0003] 張文濤等人公布了 一種基于光纖測力的流量計（中國發明專利申請 201210464779.3)，通過導流結構將主管道內流體按照一定流速比例導流到測試支管內，在 支管內通過測力膜片裝置傳遞給光纖傳感結構實現流量測試。李天詩等人公布了一種油田 井下光纖流量傳感器（中國發明專利申請201310174087.X)，采用耐高壓的不銹鋼膜片封裝 而成，通過測試壓力致光程差實現流量檢測。
[0004] Hua Xia等人公布了一種適用于惡劣環境下的光纖傳感系統（專利號：US2011/ 0170823AI)，光纖傳感器結構由具有周期性或準周期性的微晶體或二氧化硅四面體以及一 個適應于光纖裸纖的外包層結構組成。Mikko J等人公布了一款流量檢測用光纖系統(專利 號:US2014/0260588AI)，傳感器裝置于鉆桿頭端，采用雙光纖光柵實現小流量測試。
[0005] 雖然光纖光柵傳感技術可實現流量測試，但因其溫度敏感性強，所以會受到溫度 交叉影響；因此，如何解決高溫高壓環境下現有光纖流量檢測技術中存在的流量測試受到 溫度交叉敏感影響等問題，已經成為當前光纖流量檢測技術的重點研究方向。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種局部彎曲導流的光纖法珀 式流量測試裝置與方法，在傳感結構不探入管道內的特點，簡化了光纖流量測試裝置的結 構設計，同時基于光纖法珀壓力傳感器與絕對相位差同步解調解決了溫度對壓力式流量測 試的交叉敏感問題，提高了流量測試精度。
[0007] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0008] 本發明的局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置，由裝置本體構成，所述裝置 本體包括由左至右依次連接的入口法蘭、測試管和出口法蘭，所述測試管左右兩端設置為 直線型，中部設置為圓弧型，所述測試管中部圓弧型管壁上下兩側沿對稱軸線分別設置有 與測試管相連通的內部設置有傳輸光線的高壓端光纖法珀壓力傳感器和低壓端光纖法珀 壓力傳感器；
[0009] 所述高壓端光纖法珀壓力傳感器連接有第一環形器，所述第一環形器連接有第一 光源和第一光學信號解調系統，所述第一光學信號解調系統連接有第一線陣CCD相機，所述 低壓端光纖法珀壓力傳感器連接有第二環形器，所述第二環形器連接有第二光源和第二光 學信號解調系統，所述第二光學信號解調系統連接有第二線陣CCD相機，所述第一線陣CCD 相機的輸出端和第二線陣CCD相機的輸出端均與信號調理采集電路的輸入端相連接，所述 信號調理采集電路的輸出端連接數據處理單元。
[0010] 所述高壓端光纖法珀壓力傳感器和低壓端光纖法珀壓力傳感器均通過輔助連接 裝置與測試管固定連接，所述輔助連接裝置設置為中空圓柱體，所述輔助連接裝置包括由 外而內依次設置的固接結構、密封結構和密封填料層。
[0011]所述高壓端光纖法珀壓力傳感器和低壓端光纖法珀壓力傳感器均采用激光熔接 技術進行封裝，均采用單晶硅片和腐蝕有坑的玻璃片形成法珀腔。
[0012] 所述測試管中部圓弧型管段的彎曲角度設置為30°~360°，彎徑比設置為1.1~ 2.5〇
[0013] 所述測試管兩端直線型管段的長度均設置為被測管道直徑的5~10倍。
[0014] 本發明的目的還可通過以下技術方案實現。
[0015] -種局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置的測試方法，包括以下步驟：
[0016] (1)將所述局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置與被測管道連接，打開第一 光源和第二光源，流體流過測試管中部圓弧型管段時，在圓弧型管段的外側和內側形成高 壓力集中區和低壓力集中區；
[0017] (2)所述高壓端光纖法珀壓力傳感器和低壓端光纖法珀壓力傳感器分別感應測試 管中部圓弧型管段的高壓力信號和低壓力信號，高壓力信號和低壓力信號分別直接作用于 高壓端光纖法珀壓力傳感器膜片和低壓端光纖法珀壓力傳感器膜片，導致其法珀腔長度均 發生變化，高壓力信息和低壓力信息均隱含在各自的反射光信號變化的光程差中；
[0018] (3)所述高壓端的反射光信號通過第一環形器輸入到第一光學信號解調系統，所 述低壓端的反射光信號通過第二環形器輸入到第二光學信號解調系統，第一光學信號解調 系統和第二光學信號解調系統將分別含有不同光程差信息的反射光信號解調為空間低相 干干涉圖樣；
[0019] (4)所述第一線陣CCD相機接收來自第一光學信號解調系統的空間低相干干涉圖 樣，并將其轉化為高壓端電信號，所述第二線陣CCD相機接收來自第二光學信號解調系統的 空間低相干干涉圖樣，并將其轉化為低壓端電信號；
[0020] (5)所述高壓端電信號和低壓端電信號均通過信號調理采集電路輸送到數據處理 單元，首先求出高低壓端絕對相位差A as，然后根據公式
，求 出高低壓端絕對壓力差AP，其中，E為膜片材料特性彈性模量，D為膜片直徑，1為膜片厚度， V為泊松比，k^s點波數;最后根據強制旋流理i
計算得 到被測管道內的流體流量Q，其中，β為修正系數，R為測試管中部圓弧型管段的曲率半徑，A 為測試管中部圓弧型管段的內徑，P為流體密度。
[0021] 與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：
[0022] (1)本發明中，測試管中部設置為圓弧型，在圓弧型管壁上下分別設置有與測試管 相連通的高壓端光纖法珀壓力傳感器和低壓端光纖法珀壓力傳感器，不探入測試管內部， 消除了對測試管內流場的擾動性影響；
[0023] (2)本發明中，高壓端光纖法珀壓力傳感器和低壓端光纖法珀壓力傳感器采用激 光熔接封裝技術和差壓非對稱雙傳感器布置結構，有效降低了高溫環境下溫度交叉敏感導 致的測試誤差；
[0024] (3)本發明中，由于采用高低壓端絕對相位差的差求解管道內流體的流量，從算法 上避免了溫度壓力的交叉敏感，提高了管道內流體流量的測試精度。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的結構示意圖；
[0026] 圖2是高壓端光纖法珀壓力傳感器整體密封固接結構截面圖；
[0027] 圖3是低壓端光纖法珀壓力傳感器整體密封固接結構截面圖。
[0028] 附圖標記：1入口法蘭；2測試管；3出口法蘭;4高壓端光纖法珀壓力傳感器;5低壓 端光纖法珀壓力傳感器;6固接結構;7密封結構;8密封填料層;9第一光源；10第二光源；11 第一環形器；12第二環形器；13第一光學信號解調系統；14第二光學信號解調系統；15第一 線陣CXD相機;16第二線陣CXD相機;17信號調理采集電路;18數據處理單元。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
[0030]如圖1和圖3所示，本發明的局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置，由裝置本 體構成，所述裝置本體包括由左至右依次連接的入口法蘭1、測試管2和出口法蘭3,所述入 口法蘭1和出口法蘭3用于與被測管道相連接，所述測試管2左右兩端均設置為直線型，中部 設置為圓弧型，所述測試管2兩端直線型管段的長度均設置為被測管道直徑的5~10倍，所 述測試管2中部圓弧型管段的彎曲角度設置為30°~360°，優選為90°，圓弧型管段中心線半 徑與測試管2內徑之比稱之為彎徑比，所述彎徑比設置為1.1~2.5,優選為1.44。所述測試 管2中部圓弧型管壁上下兩側沿對稱軸線分別設置有與測試管2相連通的內部設置有傳輸 光線的高壓端光纖法珀壓力傳感器4和低壓端光纖法珀壓力傳感器5,所述高壓端光纖法珀 壓力傳感器4和低壓端光纖法珀壓力傳感器5的端面均貼近圓弧型管段的內壁但不探入圓 弧型管段內。所述傳輸光纖形式并不局限于多模光纖一種形式，還包括大芯徑光纖、單模光 纖等，所述傳輸光線用于實現光學信號的傳輸，包括入射光和出射光，所述傳輸光纖與光纖 法珀壓力傳感器固定連接一體，并通過連接法蘭實現光纖法珀壓力傳感器與光源及信號處 理系統的連接。
[0031] 所述高壓端光纖法珀壓力傳感器4和低壓端光纖法珀壓力傳感器5均采用激光熔 接技術進行封裝，整體無傳統膠封，避免了膠封時的高溫形變，且均采用單晶硅片和腐蝕有 微坑的玻璃片形成法珀腔。單晶硅片形成壓力感應膜片，抗高溫玻璃片微坑深度形成法珀 腔體的初始長度為IOOym~300ym。高壓端光纖法珀壓力傳感器4和低壓端光纖法珀壓力傳 感器5直徑均設置為1mm~IOmm，長度均設置為5_~40_。
[0032] 所述高壓端光纖法珀壓力傳感，4和低壓端光纖法珀壓力傳感器5均通過輔助連接 裝置與測試管2固定連接，所述輔助連接裝置設置為中空圓柱體，所述輔助連接裝置包括由 外而內依次設置的中空的固接結構6和密封結構7,所述密封結構7內設置有高壓端光纖法 ?白壓力傳感器4或低壓端光纖法?自壓力傳感器5,所述高壓端光纖法?自壓力傳感器4與密封 結構7之間設置有耐高溫的密封填料層8,還可采用O形圈和墊片加強密封。所述低壓端光纖 法珀壓力傳感器5與密封結構7之間設置有密封填料層8,所述密封結構7采用高強度不銹鋼 材料，通過螺紋方式與固接結構6連接，底部可設置有限位端臺，控制高壓端光纖法珀壓力 傳感器4和低壓端光纖法珀壓力傳感器5在貼近測試管2內壁的同時不探入其內部。
[0033] 所述高壓端光纖法珀壓力傳感器4連接有第一環形器11，所述第一環形器11連接 有第一光源9和第一光學信號解調系統13,第一光學信號解調系統13連接有第一線陣CCD相 機15,所述低壓端光纖法珀壓力傳感器5連接有第二環形器12,所述第二環形器12連接有第 二光源10和第二光學信號解調系統14,所述第二光學信號解調系統14連接有第二線陣CCD 相機16,所述第一線陣CCD相機15的輸出端和第二線陣CCD相機16的輸出端均與信號調理米 集電路17的輸入端相連接，所述信號調理采集電路17的輸出端連接數據處理單元18。所述 第一光源9和第二光源10均采用寬帶光源。所述第一光學信號解調系統13和第二光學信號 解調系統14均包括沿光路依次設置的光學柱面準直鏡、光學起偏器、光楔、檢偏器和解調信 號輸出接口等。所述光學柱面準直鏡實現光纖法珀傳感器反射信號的校準，使其盡量垂直 輸入到光學起偏器中；所述光學起偏器完成光學信號尋常光〇光和非尋常光E光的分離，實 現偏振光提取;所述光楔實現光學信號的等厚干涉功能，完成空間低相干干涉信號的等效 轉換;所述檢偏器實現干涉信號疊加，獲取最大干涉強度信號;所述解調信號輸出接口為光 學借條信號的輸出接口，與所述線陣CCD相機密封接觸，避免外界自然光的干擾輸入。所述 信號調理采集電路17實現多通道CCD電信號的采集提取，以及采集信號傳輸給后續數據處 理單元18,型號包括但不局限于嵌入式多通道高頻數據采集設備、NIUSB系列數據采集卡 (如 6210、6341、6361等）。
[0034] 上述局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置的測試方法，包括以下步驟：
[0035] 首先，將所述局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置與被測管道連接，打開第 一光源9和第二光源10,發射光分別進入第一環形器11和第二環形器12后入射到高壓端光 纖法珀壓力傳感器4法珀腔和低壓端光纖法珀壓力傳感器5法珀腔內。當流體以一定流速流 過測試管2,通過中部圓弧型管段時在1/2彎角外側和內側壁面，因流體離心運動測試管2承 受的壓力發生變化，分別形成高壓力集中區和低壓力集中區，產生與流速有一定關系的壓 力差。
[0036] 然后，所述高壓端光纖法珀壓力傳感器4和低壓端光纖法珀壓力傳感器5分別感應 測試管2中部圓弧型管段的高壓力信號和低壓力信號，高壓力信號和低壓力信號分別直接 作用于高壓端光纖法珀壓力傳感器4膜片和低壓端光纖法珀壓力傳感器5膜片，導致其法珀 腔長度均發生變化，從而導致反射光發生偏移使得光程差不斷發生變化，最終使高壓力信 息和低壓力信息均隱含在各自的反射光信號變化的光程差中。
[0037] 其次，所述高壓端的反射光信號通過第一環形器11輸入到第一光學信號解調系統 13,所述低壓端的反射光信號通過第二環形器12輸入到第二光學信號解調系統14,第一光 學信號解調系統13和第二光學信號解調系統14分別將含有不同光程差信息的反射光信號 解調為空間低相干干涉圖樣。
[0038] 所述第一線陣CXD相機15接收來自第一光學信號解調系統13的空間低相干干涉圖 樣，并將其轉化為高壓端電信號，所述第二線陣CCD相機16接收來自第二光學信號解調系統 14的空間低相干干涉圖樣，并將其轉化為低壓端電信號。
[0039]所述高壓端電信號和低壓端電信號均通過信號調理采集電路17輸送到數據處理 單元18(嵌入式系統或PC工業電腦），完成信號處理與顯示等。
[0040]首先，結合空間低相干干涉理論求高低壓端絕對相位，需要求得某波數點s的相對 相位9(0及干涉級次m。
[0041 ] s點的絕對相位計算表達式：
[0042]
U)
[0043]其中，P(S)為低相干干涉信號fft變換后的頻域值，m為fft變換后求解所得干涉級 次;arctan{Im(P(s))/Re(P(s))}定義為s點的相對相位識(印
[0044] 高壓端絕對相位：
[0045] φ,, (.9) = φ1ι (I) - Ιιη,,π ?'2)
[0046] 低壓端絕對相位：
[0047] φ, (^) = φ, {?)-2ιη,π (3)
[0048] 其中，妳(〇為高壓端相對相位，外仍為低壓端相對相位，mh為高壓端干涉級次，nu為 低壓端干涉級次。高低壓端s點相對相位的值取fft變換后中心頻率(去直流分量后能量最 大處一階頻率)值對應的相位值近似為0。
[0049] 因此，得到簡化后的高低壓端絕對相位差計算表達式：
[0050]
(4)
[0051 ] 根據絕對壓力差和絕對相位差之間存在的關系：
[0052；
(5)
[0053]式中，E為膜片材料特性彈性模量，D為膜片直徑，1為膜片厚度，松比，ksSS 點波數。
[0056]式中，Q為流體流量，β為修正系數，R為測試管中部圓弧型管段的曲率半徑，A為測 試管中部圓弧型管段的內徑，P為流體密度。
[0054]依據流體力學中的強制旋流理，可推導出流體流量和高低壓端絕對相位差的關 系：
[0055； C 6)
[0057] 如此，可計算求解被測管道內流體的流量。因高、低壓端測試壓力點在同一圓周截 面上，結合管道局部流體溫度場分布等勢性，知兩點溫度分布場近似相同，則此時因溫度變 化導致光纖法珀腔長微變在高低壓端上相同，從而使得反射光絕對相位內含有等量溫度應 變成分，那么采用先對高低壓端測試所得絕對相位進行差值處理方法，可更進一步消除等 溫場下溫度交叉敏感，最終提高流量測試精度。
[0058] 盡管上面結合附圖對本發明的功能及工作過程進行了描述，但本發明并不局限于 上述的具體功能和工作過程，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領 域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況 下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。
【主權項】
1. 一種局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置，由裝置本體構成，其特征在于，所述 裝置本體包括由左至右依次連接的入口法蘭、測試管和出口法蘭，所述測試管左右兩端設 置為直線型，中部設置為圓弧型，所述測試管中部圓弧型管壁上下兩側沿對稱軸線分別設 置有與測試管相連通的內部設置有傳輸光線的高壓端光纖法珀壓力傳感器和低壓端光纖 法?白壓力傳感器； 所述高壓端光纖法珀壓力傳感器連接有第一環形器，所述第一環形器連接有第一光源 和第一光學信號解調系統，所述第一光學信號解調系統連接有第一線陣CCD相機，所述低壓 端光纖法珀壓力傳感器連接有第二環形器，所述第二環形器連接有第二光源和第二光學信 號解調系統，所述第二光學信號解調系統連接有第二線陣CCD相機，所述第一線陣CCD相機 的輸出端和第二線陣CCD相機的輸出端均與信號調理采集電路的輸入端相連接，所述信號 調理采集電路的輸出端連接數據處理單元。2. 根據權利要求1所述的局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置，其特征在于，所述 高壓端光纖法珀壓力傳感器和低壓端光纖法珀壓力傳感器均通過輔助連接裝置與測試管 固定連接，所述輔助連接裝置設置為中空圓柱體，所述輔助連接裝置包括由外而內依次設 置的固接結構、密封結構和密封填料層。3. 根據權利要求1所述的局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置，其特征在于，所述 壓端光纖法珀壓力傳感器和低壓端光纖法珀壓力傳感器均采用激光熔接技術進行封裝，均 采用單晶硅片和腐蝕有坑的玻璃片形成法珀腔。4. 根據權利要求1所述的局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置，其特征在于，所述 測試管中部圓弧型管段的彎曲角度設置為30°~360°，彎徑比設置為1.1~2.5。5. 根據權利要求1所述的局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置，其特征在于，所述 測試管兩端直線型管段的長度均設置為被測管道直徑的5~10倍。6. -種權利要求1至4任意一項所述的局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置的測 試方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 將所述局部彎曲導流的光纖法珀式流量測試裝置與被測管道連接，打開第一光源 和第二光源，流體流過測試管中部圓弧型管段時，在圓弧型管段的外側和內側形成高壓力 集中區和低壓力集中區； (2) 所述高壓端光纖法珀壓力傳感器和低壓端光纖法珀壓力傳感器分別感應測試管中 部圓弧型管段的高壓力信號和低壓力信號，高壓力信號和低壓力信號分別直接作用于高壓 端光纖法珀壓力傳感器膜片和低壓端光纖法珀壓力傳感器膜片，導致其法珀腔長度均發生 變化，高壓力信息和低壓力信息均隱含在各自的反射光信號變化的光程差中； (3) 所述高壓端的反射光信號通過第一環形器輸入到第一光學信號解調系統，所述低 壓端的反射光信號通過第二環形器輸入到第二光學信號解調系統，第一光學信號解調系統 和第二光學信號解調系統將分別含有不同光程差信息的反射光信號解調為空間低相干干 涉圖樣； (4) 所述第一線陣CCD相機接收來自第一光學信號解調系統的空間低相干干涉圖樣，并 將其轉化為高壓端電信號，所述第二線陣CCD相機接收來自第二光學信號解調系統的空間 低相干干涉圖樣，并將其轉化為低壓端電信號； (5) 所述高壓端電信號和低壓端電信號均通過信號調理采集電路輸送到數據處理單 元，首先求出高低壓端絕對相位差A as，然后根據公出 高低壓端絕對壓力差A P，其中，E為膜片材料特性彈性模量，D為膜片直徑，1為膜片厚度，V 為泊松比，ksSS點波數;最后根據強制旋流理貧汁算得 到被測管道內的流體流量Q，其中，β為修正系數，R為測試管中部圓弧型管段的曲率半徑，A 為測試管中部圓弧型管段的內徑，P為流體密度。
【文檔編號】G01F1/38GK105890679SQ201610463425
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月20日
【發明人】劉鐵根, 江俊峰, 楊會甲, 劉琨, 王雙, 張偉航
【申請人】天津大學