要闻一种光纤分布式流速测量方法及装置与流程

guozhiwei · 发表于 2023-6-21 09:36:34

　　本发明属于光纤传感领域，涉及一种光纤分布式流速测量方法及装置。油气管道完整性案例的相关资讯可以到我们网站了解一下，从专业角度出发为您解答相关问题，给您优质的服务！

　　背景技术：

　　光纤热式流速传感方法是利用流体对流换热系数与流体流速间关系实现传感，在工作过程中，传感器持续通入加热功率，处于加热状态。当两个光纤热式流速传感器彼此靠近时，传感器所释放的热量会对另一支传感器产生热干扰，破坏传感器与流体之间原有的热平衡状态，导致传感器测得流速值偏小，误差增大。由于光纤热式流速传感器间的热干扰作用，导致热式流速传感器无法实现高空间分辨力的流速分布式传感。

　　技术实现要素：

　　为了克服光纤热式流速传感器相互间干扰，实现具备高空间分辨力的光纤热式流速传感方法，本发明提出了一种光纤分布式流速传感装置及方法。

　　具体技术方案为：

　　一种光纤分布式流速测量方法，该方法适用于采用两个以上光纤热式流速传感器测量流速的方法，包括步骤如下：

　　第一步，传感器标定；

　　(1)两个以上光纤热式流速传感器组成传感器组，将传感器组(5)放置在标定介质中，标定介质的流场状态为均匀流场或流场分布已知的非均匀流场；所述标定介质与测量流速的目标介质相同；

　　(2)选择传感器组中一个光纤热式流速传感器不被提供加热功率，传感器组中其他传感器被提供加热功率不变；

　　(3)根据传感器组中各传感器的流速测量范围，改变流场流速值，记录在不同流速下，传感器组中各传感器的温度和标定介质温度，定义txi(v)表示当第x个传感器不提供加热功率时，第i个传感器在流速v时的温度；δtxij(v)＝[txi(v)-txj(v)]；定义δtxi0(v)＝[txi(v)-tx0(v)]，tx0(v)表示当第x个传感器不提供加热功率时流体介质在流速v时的温度；

　　(4)重复(2)～(3)过程，直至传感器组中所有传感器都经历一次不提供加热功率；

　　(5)定义aij(v)表示传感器组中第i个传感器在流速v时与其他传感器间的换热系数，hi(v)表示第i个传感器在流速v时与标定介质间的对流换热系数，wi表示第i个传感器的加热功率，传感器组中任一传感器与标定介质间的对流换热系数和与其他传感器间的换热系数通过如下表达式计算：

　　(6)将计算得到的传感器组中各传感器在标定介质下的对流换热系数hi(v)，以及各传感器与其他传感器间的换热系数aij(v)形成换热矩阵：

　　将换热矩阵输入光信号分析系统中，完成标定过程；

　　第二步，流速测量；

　　(1)将传感器组放置在被测流体介质中，各传感器放置在相应流速测量位置处；

　　(2)启动光源，使传感器组中的所有传感器处于加热状态；

　　(3)光信号分析系统根据传感光信号计算得到各传感器的温度ti，结合被测介质此时的温度t0以及光信号分析系统中的换热矩阵参数，为每个传感器建立换热方程通过对每个传感器的换热方程进行求解，得到传感器组中各传感器所在位置处的流速值。

　　实现上述光纤分布式流速测量方法的装置，包括宽谱光源、泵浦光源、耦合器组、环形器、传感器组、光路控制器、光信号分析系统、光纤a、光纤b、耦合器a、耦合器b、光缆a、光缆b、光缆c、光缆d、信号线、光纤c；

　　所述宽谱光源产生的光信号用于传感器组中m个传感器产生传感光信号；

　　所述泵浦光源产生的光信号用于为传感器组中各传感器提供恒定的加热功率；所述光缆a、光缆b、光缆c、光缆d分别由m根光纤构成，并且m根光纤依次有1～m的编号；

　　所述耦合器有2m个光纤输入端和m个光纤输出端，耦合器将光缆和光缆中编号相同的光纤中的光信号进行耦合，并导入光缆的相同编号光纤中；

　　所述环形器的接口a、接口b和接口c分别由m个光纤连接端组成，并且连接端按照1～m进行了编号；

　　所述传感器组中的各传感器放置在各流速测量位置处，传感器将传感器自身的温度信号以光波长或光强度为载体转变成传感光信号；

　　所述光路控制器根据光信号分析系统经信号线传递的控制信息控制内部m个光开关的开关状态，当某个光开关闭合时，该光开关的光信号通过光纤c进入光信号分析系统，接口d使光缆d中每一根光纤中的光信号强度减弱到光路控制器和光信号分析系统所能承受最大光信号强度以下；

　　所述光纤分布式流速传感装置的光信号传输过程是：宽谱光源发出的光信号经过光纤a进入耦合器a中，耦合器a将光信号分成m个支路由光缆a进入耦合器组中，泵浦光源发出的光信号经过光纤b进入耦合器b中，耦合器b将光信号分成m个支路，并将光信号由光缆b进入耦合器组中，耦合器组将光缆a与光缆b中的光信号耦合到光缆c中，由环形器的接口a进入环形器中，并由环形器的接口b进入光纤传感器组中，将光信号传递给光纤传感器组中的各个传感器，各传感器所产生的传感光信号经过环形器的接口b进入环形器中，经过接口c进入光路控制器中，光路控制器根据光信号分析系统通过信号线传递的控制信号，依次选通各光路开关，将光缆d中各光纤中的传感光信号依次通过光纤c进入光信号分析系统，光信号分析系统对各路传感光信号进行分析计算，得到各传感器所在位置处的流体流速值。

　　进一步地，上述宽谱光源的工作波长范围不小于传感器所产生传感光信号的波长范围，宽谱光源所产生光信号强度不低于传感器工作光信号强度要求。

　　进一步地，上述光信号在环形器中的传输特点是：光信号通过接口a的某个光纤连接端进入环形器后，会从接口b的相同编号的光纤连接端输出、光信号通过接口b的某个光纤连接端进入环形器后，会从接口c的相同编号的光纤连接端输出、光信号通过接口c的某个光纤连接端进入环形器后，会从接口a的相同编号的光纤连接端输出。

　　所述光纤分布式流速传感装置在对某种流体介质进行流速测量前，必须至少在相同流体介质中进行过一次传感器标定。(将传感器标定所采用的介质称为标定介质)。

　　所述光纤分布式流速传感装置的工作原理是：传感器组中的各个传感器在被测流场中工作时不仅与流体间存在的对流换热，还存在传感器间的换热，每个传感器的换热过程可用换热方程表示为光纤分布式流速传感装置根据传感器标定过程在光信号分析系统预存了每个传感器与流体介质在不同流速下的对流换热系数值和传感器间在不同流速下的换热系数值，光信号分析系统将所采集到的各传感器温度ti、介质温度t0以及传感器加热功率代入wi各传感器的换热方程中，每个传感器的换热方程均是以流速v为未知数且其他参数已知的等式方程，通过求解方程可得到每个传感器所在位置处的流速值。

　　本发明具有以下有益效果：

　　本发明提出的光纤分布式流速传感装置及方法，克服了多个光纤热式流速传感器在彼此近距离使用时互相干扰的问题，突破了光纤热式流速传感器分布式传感的技术瓶颈，实现了高空间分辨力的分布式光纤热式流速传感。

　　附图说明

　　图1为本发明提供的光纤分布式流速传感装置结构示意图；

　　图2为本发明提供的分析模型结构示意图；

　　图3为本发明提供的传感器组分析模型结构示意图；

　　图4为本发明提供的各传感器间换热系数分析结果示意图；

　　图5为本发明提供的各传感器对流换热系数分析结果示意图；

　　图6为本发明提供的第1个传感器流速测量误差示意图；

　　图7为本发明提供的第2个传感器流速测量误差示意图。

　　图8为本发明提供的第3个传感器流速测量误差示意图。

　　图9为本发明提供的第4个传感器流速测量误差示意图。

　　图10为本发明提供的第5个传感器流速测量误差示意图。

　　图中：1宽谱光源；2泵浦光源；3耦合器组；4环形器；5传感器组；6光路控制器；7光信号分析系统；11光纤a；21光纤b；12耦合器a；22耦合器b；31光缆a；32光缆b；33光缆c；44光缆d；71信号线；72光纤c；101传感器a；102传感器b；103传感器c；104传感器d；105传感器e；41接口a；42接口b；43接口c；60接口d。

　　具体实施方式

　　为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理以及工作过程作进一步的详细说明。

　　通过有限元分析方法构建分析模型如图2所示，流场通道横截面尺寸为6cm×6cm，传感器组5的结构如图3所示，每个传感器的长度为1cm，每个传感器的加热功率为100mw，传感器的前端沿光纤轴向间距离为0.5cm。

　　进行传感器标定。将流场通道中通入均匀流场，依次停止为传感器通入加热功率，并保持其他传感器通入加热功率，记录各传感器在不同流速下的温度值。计算得到5个传热模块在不同流速下的换热系数，如图4和图5所示。

　　进行流速测量。将流场通道中通入非均匀流场，传感器组5中各传感器通入加热功率，各传感器在考虑传感器间相互干扰和不考虑传感器间相互干扰情况下对不同流速值测量的误差如图6、图7、图8、图9和图10所示。通过对比可以发现，由于本发明考虑了传感器间的热干扰，因此流速测得值误差小于未考虑传感期间热干扰情况下测得流速值的误差，空间分辨力达到0.5cm。