專利名稱：分布式光纖測(cè)量流量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及分布式光纖測(cè)量流量的技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
流量測(cè)量涉及范圍非常廣泛，并且隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，被測(cè)介質(zhì)品種也越來(lái)越 多，目前世界上每年都要添加上萬(wàn)種新介質(zhì)，其中與生活及實(shí)踐有密切關(guān)聯(lián)的介質(zhì)就有 五六萬(wàn)種之多。這些介質(zhì)涉及液體、氣體以及雙相、多相流體，流體溫度從高溫到及低溫，流 體壓強(qiáng)有低壓、中壓、高壓甚至于超高壓的，流體流動(dòng)形態(tài)有層流、湍流、脈動(dòng)流，這些介質(zhì)， 既有牛頓型流體，又有非牛頓型流體，既有大流量流體流量測(cè)量，又有微流量流體流量測(cè) 量，這些問(wèn)題就給流體流量監(jiān)測(cè)工作帶來(lái)了極大的困難。除此之外，目前已有的測(cè)量流量的裝置通常一次只能測(cè)量單一管道在某處的流 量，對(duì)于大面積測(cè)量流速，集中處理數(shù)據(jù)，目前尚未有類似的裝置問(wèn)世。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供分布式光纖測(cè)量流量裝置及方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為分布式光纖測(cè)量流量裝置，包括分布式光纖傳感主機(jī)和傳感光纖，待測(cè)流場(chǎng)管道 內(nèi)部設(shè)置一障礙物，傳感光纖纏繞在待測(cè)流場(chǎng)管道表面，傳感光纖始端連接在分布式光纖 傳感主機(jī)上。所述的分布式光纖傳感主機(jī)包括發(fā)光單元、光纖環(huán)形器、光接收模塊、AD采集器、 檢測(cè)分析處理系統(tǒng)。所述的發(fā)光單元結(jié)構(gòu)為，由窄線寬光源的輸出接入電光調(diào)制器輸入，電光調(diào)制器 被窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)輸出窄脈沖光，電光調(diào)制器輸出接入光放大器輸入，光放大器輸出 所需大功率窄脈沖光。所述的窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出同步信號(hào)，控制AD采集器的數(shù)據(jù)采集。發(fā)光單元發(fā)出的光通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入傳感光纖，將傳感光纖纏繞在待測(cè)流場(chǎng)管道表 面或者里面，該傳感光纖可與多個(gè)待測(cè)流場(chǎng)相連；在待測(cè)流場(chǎng)內(nèi)部設(shè)置一障礙物，流體遇到 障礙物后將形成有規(guī)則的兩列旋轉(zhuǎn)方向相反的并排旋渦稱為卡門(mén)渦街。此旋渦頻率與流 速成正比。此傳感光纖受旋渦沖力的作用而作受迫振動(dòng)，傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光信 號(hào)也就被此振動(dòng)調(diào)制，后向散射光中的瑞利散射光通過(guò)光纖環(huán)形器進(jìn)入光接收模塊，再進(jìn) 入AD采集器，最終進(jìn)入檢測(cè)分析處理系統(tǒng)。檢測(cè)光接收模塊所收到的光信號(hào)的相位變化頻 率(旋渦產(chǎn)生的頻率)即可求出流場(chǎng)的流速，當(dāng)測(cè)流場(chǎng)局限在有限通道時(shí)，由流速與流量的 一一對(duì)應(yīng)關(guān)系即可得到流量信號(hào)。傳感光纖內(nèi)光信號(hào)相位的改變時(shí)通過(guò)干涉儀輸出的光強(qiáng)與受到相應(yīng)的振動(dòng)對(duì)應(yīng)。 本發(fā)明運(yùn)用Φ-光時(shí)域反射計(jì)的干涉機(jī)理，外界擾動(dòng)作用在傳感光纖上面或附近產(chǎn)生的壓 力或振動(dòng)導(dǎo)致傳感光纖中瑞利散射光相位發(fā)生變化，由于干涉作用，光相位變化將引起光強(qiáng)度的變化，通過(guò)實(shí)時(shí)將當(dāng)前時(shí)刻的管道所纏繞的某一段傳感光纖后向瑞利散射信號(hào)與其 前一時(shí)刻的后向瑞利散射信號(hào)連續(xù)相干檢測(cè)效應(yīng)來(lái)定位管道位置，并實(shí)現(xiàn)將光相位的變化 轉(zhuǎn)化成為光信號(hào)的變化，干涉信號(hào)反映的傳感光纖的感應(yīng)振動(dòng)頻率與流速成比例。傳感光纖被流體振動(dòng)調(diào)制的光相位變化量采用光時(shí)域反射和干涉式測(cè)量方法進(jìn) 行解調(diào)，通過(guò)一根傳感光纖把多個(gè)待測(cè)流場(chǎng)串聯(lián)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)待測(cè)流場(chǎng)流體流動(dòng) 產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行分布式測(cè)量。光時(shí)域反射和干涉式測(cè)量裝置采用后向散射光原理，由窄線寬光源的輸出接入電 光調(diào)制器輸入，電光調(diào)制器被窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)輸出窄脈沖光，電光調(diào)制器輸出接入光 放大器EDFA輸入，光放大器EDFA輸出所需大功率窄脈沖光，大功率窄脈沖光經(jīng)光纖環(huán)形器 注入到傳感光纖中，在傳感光纖中將產(chǎn)生后向散射光得攜帶振動(dòng)信號(hào)的瑞利散射光，自此 便完成了攜帶振動(dòng)信息光信號(hào)的提取工作；瑞利散射光再分別進(jìn)入光接收模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn) 換，從而完成信號(hào)的光電探測(cè)工作；而后分別由同步信號(hào)采集器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù) 字信號(hào)，再由監(jiān)測(cè)分析處理系統(tǒng)，便最終監(jiān)測(cè)分析處理系統(tǒng)的分析得到整串光纖流量傳感 探頭所在流量信息。分布式光纖測(cè)量流量的方法，包括以下步驟步驟一，窄線寬光源經(jīng)電光調(diào)制器和窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生光脈沖和同步
信號(hào)；步驟二，所述光脈沖經(jīng)光放大器放大后經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器進(jìn)入傳感光纖，受待測(cè)流 場(chǎng)里旋渦沖力的作用而作受迫振動(dòng)，傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光信號(hào)也就被此振動(dòng)調(diào)制 生成攜帶振動(dòng)信號(hào)的后向散射光即瑞利散射光信號(hào)；步驟三，所述瑞利散射光進(jìn)入光接收模塊轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后進(jìn)入AD采集器；步驟四，所述同步信號(hào)控制雙通道AD采集器對(duì)AD信號(hào)的采集；步驟五，監(jiān)測(cè)分析處理系統(tǒng)接收所述AD采集器采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù) 處理、數(shù)據(jù)定標(biāo)、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正得到流量信息。本發(fā)明所述的分布式光纖測(cè)量流量裝置相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明是非電 測(cè)量、安全可靠、能實(shí)時(shí)連續(xù)分布式遙測(cè)，通過(guò)采用一根傳感光纖即可探測(cè)光纖所纏繞的待 測(cè)流體場(chǎng)的所有流體的流量。比其它光纖流量計(jì)有更高的靈敏度和性價(jià)比，而且由于檢測(cè) 的是相位信號(hào)，故不受光源波動(dòng)、溫度變化等因素的影響，特別適合在如煤礦一類防爆環(huán)境 下的管道氣體流量測(cè)試。


圖1為本發(fā)明所述的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述的傳感光纖在待測(cè)流體場(chǎng)的纏繞示意具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。結(jié)合圖1、圖2可知，分布式光纖測(cè)量流量裝置，包括分布式光纖傳感主機(jī)和傳感 光纖，待測(cè)流場(chǎng)管道內(nèi)部設(shè)置一障礙物，傳感光纖纏繞在待測(cè)流場(chǎng)管道表面，傳感光纖始端 連接在分布式光纖傳感主機(jī)上。
分布式光纖傳感主機(jī)包括發(fā)光單元、光纖環(huán)形器5、光接收模塊6、AD采集器7、檢 測(cè)分析處理系統(tǒng)8。發(fā)光單元中，窄線寬光源1的輸出接入電光調(diào)制器3輸入，電光調(diào)制器3被窄脈沖 驅(qū)動(dòng)電路2驅(qū)動(dòng)輸出窄脈沖光，電光調(diào)制器3輸出接入光放大器EDFA4輸入，窄脈沖光在光 放大器EDFA4中放大輸出所需大功率窄脈沖光，大功率窄脈沖光經(jīng)光纖環(huán)形器5注入到傳 感光纖中，將傳感光纖纏繞在多個(gè)待測(cè)流場(chǎng)管道表面，成為多個(gè)光纖探頭10-n，在待測(cè)流場(chǎng) 內(nèi)部分別設(shè)置一障礙物，流體遇到障礙物后將形成有規(guī)則的兩列旋轉(zhuǎn)方向相反的并排旋渦 稱為卡門(mén)渦街9。此旋渦頻率與流速成正比。纏繞在待測(cè)流場(chǎng)管道表面的光纖探頭10-n 受旋渦沖力的作用而作受迫振動(dòng)，傳感光纖中產(chǎn)生的后向瑞利散射光信號(hào)也就被此振動(dòng)調(diào) 制，調(diào)制后的后向瑞利散射光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器5進(jìn)入光接收模塊6，自此便完成了攜帶 振動(dòng)信息光信號(hào)的提取工作；瑞利散射光經(jīng)過(guò)光接收模塊6進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，從而完成光信 號(hào)的光電探測(cè)工作；而后分別由AD采集器7進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字信號(hào)，再由監(jiān)測(cè)分 析處理系統(tǒng)8分析處理，最終得到整串光纖流量傳感探頭所在待測(cè)流場(chǎng)的流量信息。分布式光纖流量測(cè)量方法方法，包括以下步驟步驟一，窄線寬光源1經(jīng)電光調(diào)制器3和窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路2調(diào)制驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生光脈沖 和同步信號(hào)；步驟二，所述光脈沖經(jīng)光放大器4放大后經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器5進(jìn)入傳感光纖，受待測(cè) 流場(chǎng)里旋渦沖力的作用而作受迫振動(dòng)，傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光信號(hào)也就被此振動(dòng)調(diào) 制生成攜帶振動(dòng)信號(hào)的后向散射光即瑞利散射光信號(hào)；步驟三，所述瑞利散射光進(jìn)入光接收模塊6轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后進(jìn)入AD采集器7 ；步驟四，所述同步信號(hào)控制雙通道AD采集器7對(duì)AD信號(hào)的采集；步驟五，監(jiān)測(cè)分析處理系統(tǒng)8接收所述AD采集器采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù) 預(yù)處理、數(shù)據(jù)定標(biāo)、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正得到流量信息。這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說(shuō)明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例 中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)實(shí) 施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明 的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其他元件、 材料和部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.分布式光纖測(cè)量流量裝置，包括分布式光纖傳感主機(jī)和傳感光纖，其特征在于待 測(cè)流場(chǎng)管道內(nèi)部設(shè)置一障礙物，傳感光纖纏繞在待測(cè)流場(chǎng)管道表面，傳感光纖始端連接在 分布式光纖傳感主機(jī)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖測(cè)量流量裝置，其特征在于所述的傳感光纖可 以同時(shí)纏繞在多個(gè)待測(cè)流場(chǎng)管道表面，同時(shí)測(cè)量多個(gè)流場(chǎng)流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖測(cè)量流量裝置，其特征在于所述的分布式光纖 傳感主機(jī)包括發(fā)光單元、光纖環(huán)形器、光接收模塊、AD采集器、檢測(cè)分析處理系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布式光纖測(cè)量流量裝置，其特征在于所述的發(fā)光單元結(jié) 構(gòu)為，由窄線寬光源的輸出接入電光調(diào)制器輸入，電光調(diào)制器被窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)輸出 窄脈沖光，電光調(diào)制器輸出接入光放大器輸入，光放大器輸出所需大功率窄脈沖光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式光纖測(cè)量流量裝置，其特征在于所述的窄脈沖驅(qū)動(dòng) 電路發(fā)出同步信號(hào)，控制AD采集器的數(shù)據(jù)采集。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖測(cè)量流量的方法，其特征在于，包括下列步驟a、窄線寬光源經(jīng)電光調(diào)制器和窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生窄脈沖光和同步信號(hào)；b、所述窄脈沖光經(jīng)光放大器放大后經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器進(jìn)入傳感光纖，受待測(cè)流場(chǎng)里旋渦 沖力的作用而作受迫振動(dòng)，傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光信號(hào)相位也就被此振動(dòng)調(diào)制，由 于干涉作用，光相位變化將引起光強(qiáng)度的變化，通過(guò)實(shí)時(shí)將當(dāng)前時(shí)刻的管道所纏繞的某一 段光纖后向瑞利散射信號(hào)與其前一時(shí)刻的后向瑞利散射信號(hào)連續(xù)相干檢測(cè)效應(yīng)來(lái)定位管 道位置，并實(shí)現(xiàn)將光相位的變化轉(zhuǎn)化成為光強(qiáng)的變化，干涉信號(hào)反映的傳感光纖的感應(yīng)振 動(dòng)頻率與流速成比例，從而可求出流場(chǎng)的流速；C、所述瑞利散射光進(jìn)入光接收模塊轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后進(jìn)入AD采集器；d、所述同步信號(hào)控制雙通道AD采集器對(duì)AD信號(hào)的采集；e、監(jiān)測(cè)分析處理系統(tǒng)接收所述AD采集器采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù) 定標(biāo)、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正得到流量信息。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了分布式光纖測(cè)量流量裝置及其測(cè)量方法，通過(guò)利用一根傳感光纖將多個(gè)待測(cè)流場(chǎng)管道連接在一起，在每個(gè)流場(chǎng)里分別設(shè)置一個(gè)障礙物，流體遇到障礙物后將形成有規(guī)則的兩列旋轉(zhuǎn)方向相反的并排旋渦稱為卡門(mén)渦街。此旋渦頻率與流速成正比。本產(chǎn)品解調(diào)基于Φ-光時(shí)域反射計(jì)的干涉機(jī)理，此傳感光纖受旋渦沖力的作用而作受迫振動(dòng)，傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光信號(hào)相位也就被此振動(dòng)調(diào)制，從而可求出流場(chǎng)的流速。本發(fā)明是非電測(cè)量、安全可靠、能實(shí)時(shí)連續(xù)分布式遙測(cè)，通過(guò)采用一根傳感光纖即可探測(cè)光纖所纏繞的待測(cè)流體場(chǎng)的所有流體的流速。比其它光纖流量計(jì)有更高的靈敏度和性價(jià)比。
文檔編號(hào)G01F1/32GK102128653SQ201010619118
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者仝芳軒, 周正仙, 席剛, 楊斌, 皋魏 申請(qǐng)人:上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司