一种光纤F-P多参量智能流量传感器及测量方法技术

本发明专利技术涉及一种光纤F‑P多参量智能流量传感器及测量方法，它包括圆柱形探头基座，所述圆柱形探头基座内部安装有第一光纤F‑P压力探头、第二光纤F‑P压力探头、第三光纤F‑P压力探头和光纤温度探头，所述圆柱形探头基座通过光缆与调制解调模块相连，所述调制解调模块上设置有调制解调模块通信接口。针对现有技术方案中存在的成本高、体积大、安装难、精度低、响应慢等缺点，本发明专利技术提出了一种光纤F‑P多参量智能流量传感器方案，同时测量管道流体的流速、流向、压力与温度4个参量，通过调制解调装置提取上述4个参量相互辅助修正，优化计算，实现流量传感器的小型化、智能化、集成化和高精度实用化，把握传感器技术发展的趋势。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤F-P多参量智能流量传感器及测量方法
本专利技术涉及一种流量传感器，具体涉及一种光纤F-P(Fabry-Perot，法布里—珀罗)多参量智能流量传感器及测量方法。
技术介绍
现代科学技术的迅猛发展，使人类社会从高度工业化向信息化转变。其精髓在于通过信息变换优化物理世界的物质运动和能量运动以及人类社会的生产消费活动，提供更高品质的产品和服务，使得生产过程和消费过程更加高效，更加智能，从而促进经济社会的数字化转型。传感器是感知、获取、检测和转换信息的窗口，是实现信息化时代的主要技术基础，成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的制高点之一，当今各国都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。管道流量测量是工业领域一项重要的应用，目前市场上主要存在机械式、热导式、电磁式、超声式等不同原理的流量传感器。但现有流量测量解决方案均存在不同的缺点，其中机械式流量开关测量精度不高，热导式流量传感器寿命较短、故障率高、响应较慢，电磁式和超声式流量传感器制造成本高昂、传感器体积较大安装不便、运维成本高。随着光纤通讯及光纤传感等相关技术发展而飞速发展，光纤传感技术因其灵敏度高、分辨率高、体积小、重量轻、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰且能在易燃易爆的环境下可靠工作等技术优势脱颖而出，成为研究热点。当前常用的相位调制型光纤流量传感器有麦克尔逊(Michelson)干涉型(见专利CN106483329)、和法布里—珀罗(Fabry-Perot)干涉型流量传感器。麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤流量传感器所用的光纤较多，制作、使用及安装精度要求很高，须严格保证两光束的强度相等及两个信道感受同一环境且不感受同一应变，实际安装精度难以控制导致该类型传感器测量的不稳定，受环境对影响较大，限制了该类型传感器的应用。F-P型光纤流量传感器采用单根光纤、利用多束光干涉来检测被测量，避免了双根光纤匹配的问题，结构简单，体积小，安装方便，高可靠性，高灵敏度，快速响应。
技术实现思路
工业现场实际应用中，测量管道流量的同时，管道内压力和温度等信息往往也是需要关注的参量。针对现有技术方案中存在的成本高、体积大、安装难、精度低、响应慢等缺点，本专利技术提出了一种光纤F-P多参量智能流量传感器方案，同时测量管道流体的流速、流向、压力与温度4个参量，通过调制解调装置提取上述4个参量相互辅助修正，优化计算，实现流量传感器的小型化、智能化、集成化和高精度实用化，把握传感器技术发展的趋势。为了解决上述技术问题，本专利技术提出以下技术方案：一种光纤F-P多参量智能流量传感器，它包括圆柱形探头基座，所述圆柱形探头基座内部安装有第一光纤F-P压力探头、第二光纤F-P压力探头、第三光纤F-P压力探头和光纤温度探头，所述圆柱形探头基座通过光缆与调制解调模块相连，所述调制解调模块上设置有调制解调模块通信接口。所述第一光纤F-P压力探头和第三光纤F-P压力探头设置在圆柱形探头基座两侧呈对称布置；所述第二光纤F-P压力探头和光纤温度探头设置在圆柱形探头基座的顶部，其中第二光纤F-P压力探头位于顶部中心。所述圆柱形探头基座上设置有第一传感器探头光纤接口、第二传感器探头光纤接口、第三传感器探头光纤接口和第四传感器探头光纤接口；所述第一传感器探头光纤接口通过光纤与第一光纤F-P压力探头相连；所述第二传感器探头光纤接口通过光纤与第二光纤F-P压力探头相连；所述第三传感器探头光纤接口通过光纤与第三光纤F-P压力探头相连；所述第四传感器探头光纤接口通过光纤与光纤温度探头相连；在圆柱形探头基座的尾部外缘设置有连接外螺纹，所述连接螺纹与调制解调模块的外壳通过螺纹相连。所述调制解调模块上设置有第一调制解调模块光纤接口、第二调制解调模块光纤接口、第三调制解调模块光纤接口和第四调制解调模块光纤接口；所述第一调制解调模块光纤接口直接通过光缆与圆柱形探头基座的第一传感器探头光纤接口相连；所述第二调制解调模块光纤接口直接通过光缆与圆柱形探头基座的第二传感器探头光纤接口相连；所述第三调制解调模块光纤接口直接通过光缆与圆柱形探头基座的第三传感器探头光纤接口相连；所述第四调制解调模块光纤接口直接通过光缆与圆柱形探头基座的第四传感器探头光纤接口相连。所述圆柱形探头基座包含四个探头的一端安装在含有双向流体的水平管道内部或者双向流体的竖直管道内部。所述调制解调模块内部设置有计算分析模块。所述光纤F-P多参量智能流量传感器的测量方法：Step1：根据伯努利原理和体积流量守恒原理，即理想流体在同一流管内做定常流动时，同一流管的不同截面处，每单位体积流体的动能、使能、压强之和为一常量，体积流量相等，建立如下表达式：伯努利原理：体积流量守恒原理：Sv＝B(02)式中：各项分别表示单位流体静压能、动能、位能，P为流体中某点的静压力，v为该点的流体流速，h为该点距液面的重力高程，ρ为流体的密度，S为该点管道径向截面积，A、B都为常量；Step2：设定第一光纤F-P压力探头、第二光纤F-P压力探头、第三光纤F-P压力探头同一管道内流体三处不同位置测量的静压强分别为P1、P2、P3，流速分别为v1、v2、v3，位能分别为ρgh1、ρgh2、ρgh3，根据伯努利方程，有如下等式成立：Step3：考虑到传感器体积较小，第一光纤F-P压力探头、第二光纤F-P压力探头、第三光纤F-P压力探头三者位置不同导致的位能差异可忽略不计，故(03)式简化为：Step4：当流体流动方向为从第一光纤F-P压力探头向第三光纤F-P压力探头，则由于圆柱体探头阻流效应，第一光纤F-P压力探头处流速v1＝0，第二光纤F-P压力探头处流速即为管道内流体流速；根据(02)式流量守恒原理，可知流体流向后第三光纤F-P压力探头处的流速v3小于v2，由(04)式推导得到：v2＞v3＞v1＝0(05)P1＞P3＞P2(06)Step5：当流体流动方向为从第三光纤F-P压力探头向第一光纤F-P压力探头，则由于圆柱体探头阻流效应，第三光纤F-P压力探头处流速v3＝0，第二光纤F-P压力探头处流速即为管道内流体流速；根据(02)式流量守恒原理，可知流体流向后第一光纤F-P压力探头处的流速v1小于v2，由(04)式推导得到：v2＞v1＞v3＝0(08)P3＞P1＞P2(09)Step6：通过第一光纤F-P压力探头、第二光纤F-P压力探头、第三光纤F-P压力探头三者测量的压力数据P1、P2、P3，即可计算得到管道内流速v及流向：当P1＝P2＝P3，则v＝0，管道内流体未流动；当P1>P3>P2，则自第一光纤F-P压力探头流向第三光纤F-P压力探头；当P3>P1>P2，则自第三光纤F-P压力探头流向第一光纤F-P压力探头；Step7：计算出流体流速大小和方向后，可向外输出流速大小和流体温度的多参量数字信号，也可通过设定定值，当流速超过定值后输出一对常开常闭接点的开关量信号，以供不同工业应用场合下的需要。本专利技术有如下有益效果：1、本专利技术中述及一种光纤F-P多参量智能流量传感器优点明显，基于F-P光纤探头制成，体积小，精度高，安装方便，可监视双向流体，且适用于水平方向和竖直方向管道。2、集成测量温度的光纤温度探头，提供温度参量，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤F‑P多参量智能流量传感器，其特征在于：它包括圆柱形探头基座(5)，所述圆柱形探头基座(5)内部安装有第一光纤F‑P压力探头(1)、第二光纤F‑P压力探头(2)、第三光纤F‑P压力探头(3)和光纤温度探头(4)，所述圆柱形探头基座(5)通过光缆(6)与调制解调模块(7)相连，所述调制解调模块(7)上设置有调制解调模块通信接口(8)。

【技术特征摘要】
1.一种光纤F-P多参量智能流量传感器，其特征在于：它包括圆柱形探头基座(5)，所述圆柱形探头基座(5)内部安装有第一光纤F-P压力探头(1)、第二光纤F-P压力探头(2)、第三光纤F-P压力探头(3)和光纤温度探头(4)，所述圆柱形探头基座(5)通过光缆(6)与调制解调模块(7)相连，所述调制解调模块(7)上设置有调制解调模块通信接口(8)。2.根据权利要求1所述的一种光纤F-P多参量智能流量传感器，其特征在于：所述第一光纤F-P压力探头(1)和第三光纤F-P压力探头(3)设置在圆柱形探头基座(5)两侧呈对称布置；所述第二光纤F-P压力探头(2)和光纤温度探头(4)设置在圆柱形探头基座(5)的顶部，其中第二光纤F-P压力探头(2)位于顶部中心。3.根据权利要求1所述的一种光纤F-P多参量智能流量传感器，其特征在于：所述圆柱形探头基座(5)上设置有第一传感器探头光纤接口(5-1)、第二传感器探头光纤接口(5-2)、第三传感器探头光纤接口(5-3)和第四传感器探头光纤接口(5-4)；所述第一传感器探头光纤接口(5-1)通过光纤与第一光纤F-P压力探头(1)相连；所述第二传感器探头光纤接口(5-2)通过光纤与第二光纤F-P压力探头(2)相连；所述第三传感器探头光纤接口(5-3)通过光纤与第三光纤F-P压力探头(3)相连；所述第四传感器探头光纤接口(5-4)通过光纤与光纤温度探头(4)相连；在圆柱形探头基座(5)的尾部外缘设置有连接外螺纹(5-5)，所述连接螺纹(5-5)与调制解调模块(7)的外壳通过螺纹相连。4.根据权利要求1所述的一种光纤F-P多参量智能流量传感器，其特征在于：所述调制解调模块(7)上设置有第一调制解调模块光纤接口(7-1)、第二调制解调模块光纤接口(7-2)、第三调制解调模块光纤接口(7-3)和第四调制解调模块光纤接口(7-4)；所述第一调制解调模块光纤接口(7-1)直接通过光缆与圆柱形探头基座(5)的第一传感器探头光纤接口(5-1)相连；所述第二调制解调模块光纤接口(7-2)直接通过光缆与圆柱形探头基座(5)的第二传感器探头光纤接口(5-2)相连；所述第三调制解调模块光纤接口(7-3)直接通过光缆与圆柱形探头基座(5)的第三传感器探头光纤接口(5-3)相连；所述第四调制解调模块光纤接口(7-4)直接通过光缆与圆柱形探头基座(5)的第四传感器探头光纤接口(5-4)相连。5.根据权利要求1所述的一种光纤F-P多参量智能流量传感器，其特征在于：所述圆柱形探头基座(5)包含四个探头的一端安装在含有双向流体的水平管道内部或者双向流体的竖直管道内部。6.根据权利要求1所述的一种光纤F-P多参量智能流量传感器，其特征在于：所述调制解调模块(7)内部设置有计算分析模块。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：黄福强，张舸，陈小明，李光耀，杨帆，郭文，
申请(专利权)人：中国长江电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42