一种标定方法、流速测量方法及装置与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种标定方法、流速测量方法及装置。

背景技术：

目前，风速测量在矿山瓦斯抽采、巷道通风、采空区发火防控等监测领域占据着举足轻重的地位。为了获得准确的风速测量数据，就需要对风速传感器的一些参数进行标定，而现有的标定方法则是通过采用现有的多个复杂的常规公式计算流速传感器的一些设置参数，如经典king定律以及传热方程等，增加了计算的复杂性，并且因为多个公式的组合也导致误差的增大。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种标定方法及装置，用于改善上述问题。

为了实现上述目的，本发明实施例所提供的技术方案如下所示：

第一方面，本发明实施例提供一种标定方法，包括：获取所述流速传感器所放置的流场的参数；获取固定参数；根据所述流场的参数与所述固定参数，计算得到测风光栅波长漂移量δλ以及光栅温度系数c，并结合流速标定公式计算得到所述流速传感器的无量纲比值β；

所述流场的参数包括：所述流速传感器处于热稳态状态时在预定流速u下产生的热量p；所述固定参数包括：所述流速传感器的圆管特征长度d、运动粘度v、流体导热系数k和所述流速传感器的探头面积s；

所述流速标定公式为：

其中，m1、m2以及m3分别为预先计算得到的所述流速传感器的第一标定系数、第二标定系数及第三标定系数，n为预先计算得到的定值。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述标定方法还包括：根据雷诺数公式计算所述流速传感器在不同流速u1下的雷诺数re，所述雷诺数公式为：

对应的，通过以下步骤计算所述第一标定系数m1与第二标定系数m2：计算所述流速传感器在不同流速u1下的换热系数h1与换热系数h2；根据无量纲比值公式得到不同流速u1下的第一无量纲比值β1，所述无量纲比值公式为：将不同流速u1下的所述第一无量纲比值β1与所述流速传感器在不同流速u1下的雷诺数re拟合，得到不同流速u1下的第一拟合公式：根据所述无量纲比值公式与所述第一拟合公式得到所述第一标定系数m1与第二标定系数m2。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述标定方法还包括：计算所述流速传感器在不同流速u1下的换热系数h1：根据公式：计算所述换热系数h1，其中，δt为所述流速传感器的初始温度与在不同流速u1下处于所述热稳态状态时的温度之间的温度变化量。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述标定方法还包括：计算所述流速传感器在不同流速u1下的换热系数h2包括：根据公式计算在不同流速u1下的努塞尔数nu，其中，pr为普朗特数；根据公式计算得到所述换热系数h2。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述标定方法还包括：通过以下步骤计算n和所述第三标定系数m3：将在不同流速u1下的所述雷诺数re与在不同流速u1下的所述努塞尔数nu拟合得到第二拟合公式：nu＝m3reⁿ；根据所述第二拟合公式，得到所述第三标定系数m3与n的数值。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述标定方法还包括：通过计算公式：c＝1-α计算所述光栅温度系数c，所述α为所述流速传感器的测风光栅和测温光栅温度系数比。

结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述标定方法还包括：通过计算公式：δλ＝λ1-λ2计算所述测风光栅波长漂移量δλ，所述λ1为所述流速传感器的测风光栅在流速u下对应的波长，所述λ2为所述流速传感器的温度补偿光栅在流速u下对应的波长。

第二方面，本发明实施例还提供一种流速测量方法，包括：获取所述流速传感器测得的热量p和测风光栅波长漂移量δλ；获取固定参数，固定参数包括：所述流速传感器的光栅温度系数c、圆管特征长度d、运动粘度v、流体导热系数k、所述流速传感器的探头面积s、无量纲比值β、第一标定系数m1、第二标定系数m2、第三标定系数m3以及定值n；根据流速标定公式：

计算得到流速u。

第三方面，本发明实施例还提供一种流速传感器标定装置，包括：获取单元及处理单元。

获取单元用于获取所述流速传感器所放置的流场的参数，所述流场的参数包括：所述流速传感器处于热稳态状态时在预定流速u下产生的热量p和测风光栅波长漂移量δλ；并且还用于获取固定参数，所述固定参数包括：所述流速传感器的圆管特征长度d、运动粘度v、流体导热系数k和所述流速传感器的探头面积s；

处理单元用于根据所述流场的参数与所述固定参数，计算得到测风光栅波长漂移量δλ以及光栅温度系数c，并结合流速标定公式计算得到所述流速传感器的无量纲比值β，所述流速标定公式为：

其中，m1、m2以及m3分别为预先计算得到的所述流速传感器的第一标定系数、第二标定系数及第三标定系数，n为预先计算得到的定值。

第四方面，本发明实施例还提供一种流速测量装置，包括测量单元、获取单元及处理单元。

测量单元，用于测得所述流速传感器产生的热量p以及测风光栅波长漂移量δλ；

获取单元用于获取固定参数，所述固定参数包括：所述流速传感器的光栅温度系数c、圆管特征长度d、流体导热系数k、所述流速传感器的探头面积s、运动粘度v、无量纲比值β、第一标定系数m1、第二标定系数m2、第三标定系数m3以及定值n；

处理单元用于根据所述流速传感器产生的热量p、所述测风光栅波长漂移量δλ与所述固定参数，并结合流速标定公式计算得到所述流速传感器所放置的流场内的流速u，所述流速标定公式为：

本发明的有益效果是：

本发明通过提出一种新的流速标定公式，通过将需要标定的流速传感器放置于预先设定好了参数的流场中，根据获取到的参数(流场的参数和固定参数)和流速标定公式获得了所述流速传感器的无量纲比值β，即所述流速传感器的标定参数，完成了对所述流速传感器的标定。因为新的流速标定公式中需要的参数基本上是可控的(例如风速u下的热量)或者可以精确得到的参数(固定参数)，避免了现有技术中使用常规方法、默认定律公式带来的复杂性及误差问题。

为使本发明的上述目的、特征和有点能更明显易懂，下文举出本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种标定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1提供的第一标定系数m1与第二标定系数m2的获取方法；

图3本发明实施例1提供的雷诺数与换热系数比关系图；

图4为本发明实施例1提供的雷诺数与努塞尔数标定关系图；

图5为本实施例2提供的一种流速测量方法的流程示意图；

图6为本发明实施例3提供的一种流速传感器标定装置的功能框图；

图7为本发明实施例4提供的一种流速测量装置的功能框图。

具体实施方式

本发明实施例中的技术方案为解决上述的技术问题，总体思路如下：

本发明通过预先设定一个确定的流场，将要标定的流速传感器放置于预先设定好的流场中，获取流速标定公式中除了无量纲比值外的各项参数，进而根据流速标定公式得出所述流速传感器的无量纲比值，便于所述流速传感器的工业应用，避免了传热方程进行微积分计算的复杂性，并且利用标定参数解决了常规方法、默认定律公式带来的误差问题。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

请参考图1，图1为本发明实施例1提供的标定方法的流程示意图。本实施例提供的标定方法应用于流速传感器中，所述流速传感器包括风速传感器、液体流速传感器等。具体的，在本实施例中，以光纤热线风速传感器为例进行说明。

如图1所示，该标定方法包括：

步骤s101：获取所述流速传感器所放置的流场的参数；所述流场的参数包括：所述流速传感器处于热稳态状态时在预定流速u下产生的热量p；

步骤s102：获取固定参数；所述固定参数包括：所述流速传感器的圆管特征长度d、运动粘度v、流体导热系数k和所述流速传感器的探头面积s；

步骤s103：根据所述流场的参数与所述固定参数，计算得到测风光栅波长漂移量δλ以及光栅温度系数c，并结合流速标定公式计算得到所述流速传感器的无量纲比值β，所述流速标定公式为：需要说明的是，m1、m2以及m3分别为预先计算得到的所述流速传感器的第一标定系数、第二标定系数及第三标定系数，n为预先计算得到的定值。

通过先设定一个确定的流场，将所述流速传感器设置在所述确定的流场中从而获得一些测得的参数，进而根据所述的流速标定公式得到标定参数，解决了常规方法及默认定律公式带来的误差问题，并且减少了很多的运算量，避免了使用努赛尔公式等的复杂性，提高了传感器工作效率。

接下来将详细描述各个步骤的具体实施过程。

在步骤s101中，需要获取流速传感器处于热稳态状态时在预定流速u下产生的热量p，本领域技术人员知悉，当传感器置于流场中时，并且处于热稳态状态下，光纤热线产生的热量p等于流速传感器在该风速下所有散热量q；所以在本实施例中，可以获取流速传感器在预定流速u下的所有散热量q作为热量p。当然，在其它实施例中，还可以通过其它方式获取流速传感器在预定流速u下产生的热量p，例如在流速传感器上设置热量检测元件，本申请不作具体限定。

在步骤s102中获取的固定参数中，所述光栅温度系数c、圆管特征长度d以及探头面积s对于一个确定的传感器为定值，运动粘度v在一定温度范围内可以认为是一定值，在本实施例中，所述v与所述流体导热系数k为一个定值。

便于更清楚的描述本实施例中的标定方法的实施过程，在介绍步骤s103之前，下面先介绍步骤s103中使用到的流速标定公式中的第一标定系数m1、第二标定系数m2、第三标定系数m3和n的获取过程。

可选地，请参考图2，图2为本发明实施例1提供的第一标定系数m1与第二标定系数m2的获取方法。所述第一标定系数m1与第二标定系数m2的获取方法包括：

步骤s201：根据雷诺数公式计算所述流速传感器在不同流速u1下的雷诺数re，所述雷诺数公式为：

步骤s202：计算所述流速传感器在不同流速u1下的换热系数h1与换热系数h2；

步骤s203：根据无量纲比值公式得到第一无量纲比值β1，所述无量纲比值公式为：

步骤s204：将所述第一无量纲比值β1与所述流速传感器在不同流速u1下的雷诺数re拟合，得到第一拟合公式：

步骤s205：根据所述无量纲比值公式与所述第一拟合公式得到所述第一标定系数m1与第二标定系数m2。

需要说明的是，在本实施例中，所述流速u为一个定值，所述不同流速u1用于表达通过改变流速u统计一些参数在不同流速u下的数值，因而所述不同流速u1代表多个不同的流速u，为许多个流速u的集合，因而所述流速u为所述不同流速u1中的一个值。

请参考图3，图3为本发明实施例1提供的雷诺数与换热系数比关系图。从图3可以看出，对于本实施例1所述的光纤热线风速传感器，通过计算并记录不同风速u1下的第一无量纲比值β1与雷诺数re，并将记录的第一无量纲比值β1与雷诺数re的对应数值做成坐标图进行拟合，在相关系数r²＝0.9986时，可以得到m1＝0.0006，m2＝-0.33，从而得到了本实施例中的光纤热线风速传感器的第一标定系数和第二标定系数。

通过将两个换热系数的无量纲比值进行拟合，避免了根据传热方程进行微积分计算的复杂性，提高了运算效率。

可选地，步骤s202包括：根据公式：计算所述换热系数h1，其中，δt为所述流速传感器的初始温度与在所述风速u下热稳态状态时的温度之间的温度变化量。

可选地，步骤s202还包括：根据公式：

计算在不同流速u1下的努塞尔数nu，其中pr为普朗特数；之后根据公式计算得到所述换热系数h2。

需要说明的是，所述普朗特数pr在本实施例中的变化可以忽略不计，均为一个定值。

所述计算得到定值n和第三标定系数m3的方法为：将在不同流速u1下的所述雷诺数re与在不同流速u1下的所述努塞尔数nu拟合得到第二拟合公式：nu＝m3reⁿ；之后根据获得的第二拟合公式，得到第三标定系数m3与n的数值。

请参考图4，图4为本发明实施例1提供的雷诺数与努塞尔数标定关系图。从图4可以看出，对于本实施例1所述的光纤热线风速传感器，通过计算并记录不同风速u1下的雷诺数re与努塞尔数nu，将记录的雷诺数re与努塞尔数nu的对应数值做成坐标图进行最小二乘法拟合，在相关系数r²＝0.9999时，可以得到m3＝0.9138，n＝0.4805，从而得到了本实施例中的光纤热线风速传感器的第三标定系数m3与n的值。

针对雷诺数re和努塞尔数nu，根据已测风速进行理论计算和最小二乘法拟合，简化了雷诺数与努赛尔数之间的关系；并且由于是针对king定律标定指数参数的不定值拟合，因而也使得公式更加准确。

可选地，步骤s103还包括通过计算公式：c＝1-α计算所述光栅温度系数c，所述α为所述流速传感器的测风光栅和测温光栅温度系数比。对一个确定的光纤热线风速传感器，所述测风光栅和测温光栅温度系数的比值为一个定值，所以本发明实施例中的光栅温度系数c是一个定值。

可选地，步骤s103还包括通过计算公式：δλ＝λ1-λ2计算所述测风光栅波长漂移量δλ，所述λ1为所述传感器测风光栅在流速u下对应的波长，所述λ2为所述传感器温度补偿光栅在流速u下对应的波长。

需要说明的是，在本实施例中，所述测风光栅波长漂移量δλ的值通过光纤光栅解调仪通过上述计算公式得出，在其他实施例中，也可以采用如光谱仪等仪器，本申请不作具体限定。

实施例2

本发明实施例2提供一种流速测量方法。请参考图5，图5为本实施例2提供的流速测量方法的流程示意图。所述流速测量方法同样应用于流速传感器中，在本实施例2中同样采用光纤热线风速传感器。所述流速测量方法包括：

步骤s501：测得所述流速传感器产生的热量p以及测风光栅波长漂移量δλ；

步骤s502：获取固定参数；

步骤s503：根据流速标定公式：计算得到流速u。

其中，所述固定参数包括：所述流速传感器的光栅温度系数c、圆管特征长度d、运动粘度v、流体导热系数k、所述流速传感器的探头面积s、无量纲比值β、第一标定系数m1、第二标定系数m2、第三标定系数m3以及定值n。需要说明的是，所述无量纲比值β、第一标定系数m1、第二标定系数m2、第三标定系数m3以及定值n均通过实施例1获得。

需要说明的是，与实施例1相同，在步骤s501中，需要获取流速传感器处于热稳态状态时在预定流速u下产生的热量p，本领域技术人员知悉，当传感器置于流场中时，并且处于热稳态状态下，光纤热线产生的热量p等于流速传感器在该风速下所有散热量q；所以在本实施例中，可以获取流速传感器在预定流速u下的所有散热量q作为热量p。所述测风光栅波长漂移量δλ的测量获取方式与实施例1相同，本实施例在此不再赘述。

除了步骤s501外，在步骤s502所述的固定参数中，所述光栅温度系数c、圆管特征长度d以及探头面积s对于一个确定的传感器为定值，运动粘度v在一定温度范围内可以认为是一定值，在本实施例中，所述v与所述流体导热系数k为一个定值。

本发明实施例2通过首先获取测量得到的参数以及流速传感器的固定参数，再仅通过流速标定公式，即获取得到了流速u，简化了流速u的计算获取过程，更利于工程应用。

实施例3

基于与实施例1的同一发明构思，本发明实施例还提供一种流速传感器标定装置，用于执行如图1所示的标定方法。请参考图6，图6为流速传感器标定装置的功能框图。与实施例1相同的是，所述流速传感器标定装置同样应用于流速传感器上，在本实施例中，所述流速传感器同样为光纤热线风速传感器。

所述流速传感器标定装置包括：获取单元11与处理单元12。获取单元11既用于获取所述流速传感器所放置的流场的参数，还用于获取固定参数。处理单元12用于根据所述流场的参数与所述固定参数，计算得到测风光栅波长漂移量δλ以及光栅温度系数c，进而根据流速标定公式计算得到所述流速传感器的无量纲比值β。

具体地，在本实施例中所述流场的参数包括：所述流速传感器处于热稳态状态时在预定流速u下产生的热量p和测风光栅波长漂移量δλ。

在本实施例中所述固定参数包括：所述流速传感器的圆管特征长度d、运动粘度v、流体导热系数k和所述流速传感器的探头面积s。

可选地，所述处理单元12还用于根据雷诺数公式计算所述流速传感器在不同流速u1下的雷诺数re，所述雷诺数公式为：

对应的，所述处理单元12还用于通过以下步骤计算所述第一标定系数m1与第二标定系数m2：

计算所述流速传感器在不同流速u1下的换热系数h1与换热系数h2；

根据无量纲比值公式得到不同流速u1下的第一无量纲比值β1，所述无量纲比值公式为：

将不同流速u1下的所述第一无量纲比值β1与所述流速传感器在的雷诺数re拟合，得到不同流速u1下的第一拟合公式：

根据所述无量纲比值公式与所述第一拟合公式得到所述第一标定系数m1与第二标定系数m2。

可选地，所述处理单元12还用于根据公式：计算所述换热系数h1。

可选地，所述处理单元12还用于根据根据公式

计算在不同流速u1下的努塞尔数nu；并且根据公式所述处理单元12计算得到在不同风速u1所述换热系数h2。

可选地，所述处理单元12还用于将在不同流速u1下的所述雷诺数re与在不同流速u1下的所述努塞尔数nu拟合得到第二拟合公式：nu＝m3reⁿ；之后根据获得的第二拟合公式，得到第三标定系数m3与n的数值。

可选地，所述处理单元12还用于通过计算公式：c＝1-α计算所述光栅温度系数c。

可选地，所述处理单元12还用于通过计算公式：δλ＝λ1-λ2计算所述测风光栅波长漂移量δλ。

本实施例中的标定装置与实施例1所述的标定方法是基于同一构思下的发明，通过前述对标定方法及其各种变化形式的详细描述，本领域技术人员可以清楚的了解本实施例中标定装置的实施过程，所以为了说明书的简洁，在此不再赘述。

实施例4

基于与实施例2的同一发明构思，本发明实施例还提供一种流速测量装置，用于执行如图5所示的标定方法。请参考图7，图7为本发明实施例4提供的一种流速测量装置的功能框图。与实施例3相同的是，所述流速传感器标定装置同样应用于流速传感器上，在本实施例中，所述流速传感器同样为光纤热线风速传感器。

所述流速测量装置包括：测量单元21、获取单元22及处理单元20。所述测量单元21用于测得所述流速传感器产生的热量p以及测风光栅波长漂移量δλ；所述获取单元22用于获取固定参数；所述处理单元20用于根据所述流速传感器产生的热量p、所述测风光栅波长漂移量δλ与所述固定参数，根据实施例2中所述的流速标定公式计算得到所述流速传感器所放置的流场内的流速u。

本实施例中的流速测量装置与实施例2所述的流速测量方法是基于同一构思下的发明，通过前述对流速测量方法及其各种变化形式的详细描述，本领域技术人员可以清楚的了解本实施例中流速测量设备的实施过程，所以为了说明书的简洁，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。