[发明专利]一种全光学化的流体质量流量监测装置和方法

说明书

本发明公开了一种全光学化的流体质量流量监测装置和方法，该装置包括加热光源、检测光源、第一滤波式波分复用器、传感单元和光谱分析设备，传感单元为单模光纤‑光热光纤‑单模光纤的复合结构，在两段单模光纤上都刻写有光纤光栅，形成法布里‑珀罗腔，光热光纤为共振腔。该方法是：传感单元上的光热光纤在吸收加热光源发出的光能后温度上升，上升到预定温度后保持稳定；待测流体流经传感单元并带走热量，使得法布里‑珀罗腔的有效腔长发生变化并引起干涉峰的漂移，检测干涉峰漂移量，通过数据标定，得到当前流体的质量流量。本发明具有测量准确、灵敏、全光学化、小型化、安全等优点，尤其适用于易燃易爆流体的监测。

技术领域

本发明涉及流体质量流量监测研究领域，特别涉及一种全光学化的流体质量流量监测装置和方法。

背景技术

目前，流体质量流量监测技术被广泛的应用于工业生产、能源计量、环境保护工程和交通运输等各个领域。该监测技术既可以进行流体质量流量计量工作，也可用于过程控制。市场上广泛使用的是热式质量流量计，这种流量计中的传感器是由热敏电阻组成，在进行监测时，通过电学的方法对传感单元加热。因此在监测过程中存在出现电火花的安全隐患，同时电热丝还容易受到腐蚀。在存在汽油、煤油、液化石油气等易燃易爆的液体的环境，以及瓦斯气体、一氧化碳和乙炔等高危气体或者是氯气、氯化氢等腐蚀性气体的工作环境下，这类传统质量流量计就无法适用。

随着光纤技术的逐渐成熟，采用光纤进行监测成为研究热点。光纤主要由二氧化硅组成，具有非常强的抗腐蚀性，因此应用场合不受环境限制。同时光纤监测无需通过电子器件进行传感，因此避免了出现电火花的问题。在传感领域，光纤布拉格光栅(Fiber BraggGrating，FBG)由于其对温度、应力、折射率变化非常敏感，而成为业内一个非常重要的传感器件。因此，寻求一种利用FBG特性，能够适用于各种流体，尤其是易燃易爆流体质量流量监测的装置和方法具有重要意义。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种全光学化的流体质量流量监测装置，该装置具有全光学化、小型化、结构简单的优点，整个传感单元皆由光纤构成，具有非常强的抗腐蚀性，并且无产生电火花的隐患，应用场合广泛，尤其是能应用于易燃易爆流体的监测。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述全光学化的流体质量流量监测装置的监测方法，该方法是预先使传感单元在待测流体处于静止状态下维持在预定温度后保持稳定，根据待测流体流过传感单元时温度的变化引起的干涉峰波长的变化来对质量流量进行测量，具有测量准确，灵敏，工作稳定的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种全光学化的流体质量流量监测装置，包括加热光源、检测光源、第一滤波式波分复用器、传感单元和光谱分析设备，第一滤波式波分复用器分别与检测光源、加热光源和传感单元连接，传感单元与光谱分析设备相连；所述传感单元为单模光纤-光热光纤-单模光纤的复合结构，在两段单模光纤上都刻写有光纤光栅，形成法布里-珀罗腔，光热光纤为共振腔；工作时，加热光源发出的加热光经第一滤波式波分复用器后被传感单元中的光热光纤吸收，检测光源发出的光经过第一滤波式波分复用器后进入传感单元，然后透射光进入光谱分析设备。本发明利用一对光纤光栅构成的法布里-珀罗腔以及光热光纤实现对流体质量流量的监测。

优选的，所述传感单元与光谱分析设备之间还设置一第二滤波式波分复用器，该第二滤波式波分复用器包括一能量输出端口，未被光热光纤吸收的加热光经能量输出端口离开监测装置，透射光经第二滤波式波分复用器进入光谱分析设备。因为加热光光能量比较大，增加这一第二滤波式波分复用器是为了引导残留的加热光光能量的方向，使其直接离开监测装置，而不是进入到光谱分析设备，进而保护光谱分析设备。

优选的，所述光热光纤长度不超过2mm。光热光纤构成的法布里-珀罗腔的腔体，腔体长度越小，法布里-珀罗腔的共振峰之间的波长间隔越大。光热光纤长度不超过2mm，能够保证光纤光栅的特征谱范围之内只出现一个法布里-珀罗腔的共振峰，给检测带来方便。