[发明专利]基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤Bragg光栅传感器，具体涉及基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统。 

背景技术

以细菌为主体的微生物，在合适的环境条件下只要有附着生长的载体存在，就会在此载体表面形成微生物膜。人们通过人工强化技术将微生物膜引入到工业中的有机废气处理中，从而形成了生物膜式反应器，其实质是利用膜式反应器内微生物的生命活动将工业废气中的有机物甲苯、脂肪酸、乙醛等变成简单的无机物CO₂和H₂O及细胞质等。该技术中，人们最为关心的是膜式反应器对有机废气的降解速率和效率。 

总结国内外关于生物膜式反应器对有机废气降解过程的理论和实验方面的研究工作，可以得出结论：生物膜式反应器中可以动态控制、并能够影响有机废气降解效率的热物理参数包括有机废气的浓度场和速度场、循环液的浓度场和速度场、反应器内温度场等。其中，反应器内的温度场的测量至关重要，如果能够实现膜式反应器内温度场的测量和场分布图像的三维重建，不仅为观察反应器内生物膜的生长环境条件提供有力的手段，还能为工业中膜式反应器的过程优化控制提供重要的参考数据。 

目前，一般使用热电偶来测量反应器内的温度，但是，热电偶的体积较大，温度精度较低，若做成热电偶阵列的形式置于生物膜式反应器内，由于尺寸的限制，很难获得足够多的、足够精度的温度数据点，因此，这种测量方法并不利于生物膜式反应器内的温度场分布的重建。 

发明内容

针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供测量精度高的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统。 

为了解决上述技术问题，根据本发明的一个技术方案，一种基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统，包括支架、若干组光纤Bragg光栅温度传感器线阵，其特征在于： 

所述支架由主轴、上支撑杆、下支撑杆、固定杆构成，所述上支撑杆沿径向设置在主轴的顶部，上支撑杆之间互成120度，所述下支撑杆沿径向设置在主轴的底部，下支撑杆分别与上支撑杆同向，在同向的上支撑杆和下支撑杆之间沿轴向设置固定杆； 

每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵由M个光纤Bragg光栅温度传感器和一根光纤构成，其中，M为大于等于2的自然数，光纤Bragg光栅温度传感器线阵能够将光源发出的带宽光源，分成多个波峰，每个波峰分别与传感线阵中光纤Bragg光栅温度传感器的中心波长相对应；所述光纤Bragg光栅温度传感器线阵分别固定在主轴和固定杆上，使光纤Bragg光栅温度传感器均匀的分布在生物膜反应器填料床段的径向和轴上，便于测量填料床段多层温度分布情况，实现了膜式反应器内温度场的测量和温度场分布图像的三维重建。 

光纤Bragg光栅温度传感器是一种波长调制型的光纤传感器，通过紫外曝光引起光纤局部的折射率呈周期性变化的一种光子器件。光纤Bragg光栅温度传感器可以利用自身的特征参量——谐振中心波长λ_B的变化量Δλ_B与环境温度T的变化量ΔT的线性关系来实现温度的测量，即： 

Δλ_B＝αΔT 

式中，α为光纤Bragg光栅的温度传感系数，单位为pm/℃，典型的未经封装的裸光纤Bragg光栅的α≈10pm/℃。光纤Bragg光栅做为温度传感器， 具有绝对测量、温度灵敏度高、温度精度高、线性度良好、可复用性、形成空间阵列、抗电磁干扰、抗化学腐蚀、抗核辐射、不受光源强度波动影响等优点，更重要的是，裸光纤Bragg光栅温度传感单元的长度最短可以做到1cm，且直径典型值约为125um，是目前世界上体积最小的温度传感器，因此，把裸光纤Bragg光栅温度传感器做成阵列系统非常适合于生物膜式反应器内的温度场分布的测量。 

根据本发明所述的基于光纤Bragg光栅的生物膜式反应器内温度场测量系统的一个优选方案，所述每组光纤Bragg光栅温度传感器线阵上的光纤Bragg光栅温度传感器谐振中心波长相距5nm～15nm。 

由于标准的光纤Bragg光栅的谐振中心波长的半宽带Δλ_1/2≈1nm。在1550nm处的温度灵敏度为10.00pm/℃，当温度从20℃变到100℃的过程中，其谐振中心波长λ_B的变化量Δλ_B不到1nm，因此，选用中心波长相距5nm～15nm的光纤传感器阵列可避免传感单元谐振中心波长Δλ_B或Δλ_BD重叠现象。