一种光纤传感器节流孔板监测系统和监测方法与流程

本发明属于流量测量技术领域，具体涉及一种光纤传感器节流孔板监测系统和监测方法。

背景技术：

流量测量是计量科学技术的重要组成部分，它已经被广泛应用于工农业生产、环境保护、科学研究、对外贸易、人民生活等各个领域，准确快速的流量测量对于保证产品质量、提高经济效益、节约能源、促进科学技术的发展等具有重要的作用。在能源危机日益凸显的时代，流量测量在国民经济中的地位与作用越来越重要。流量测量作为工业过程中关键的技术之一，一直受到广泛的关注和深入的研究.常见的流量测量计包括差压流量计、容积式流量计、转子流量计、电磁流量计、超声波流量计、科里奥利流量计等，其中又以差压式流量计研究最广泛。差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。

节流孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器(或差压变送器、温度变送器及压力变送器)配套组成的高量程比差压流量装置，可测量气体、蒸汽、液体及引的流量，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。节流装置又称为差压式流量计，是由一次检测件(节流件)和二次装置(差压变送器和流量显示仪)组成广泛应用于气体。蒸汽和液体的流量测量。具有结构简单，维修方便，性能稳定。

但目前节流孔板流量计均是基于孔板前后的差压信号实现流量测量功能，而差压信号的获得需要基于压力变送器，一般的压力变送器价格是标准孔板本身价格的几倍，因此，传统节流孔板流量计实际主要成本在压力变送器。本发明提出来一种利用光纤声波传感器，通过监测节流孔板在不同压力条件下的光纤声波信号特征，进而计算出节流孔板的流量，变相实现了低价格的光纤声波节流孔板流量计量的功能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用光纤传感器节流孔板流量监测系统和方法。

为达到上述目的，本发明一种光纤传感器节流孔板监测系统，包括节流孔板、光纤传感器、光纤传输线缆、光纤信号数据采集器和光纤数据信号处理单元，光纤传感器安装在节流孔板上，光纤传感器的进出引线通过光纤传输线缆和光纤信号数据采集器的输入端连接，光纤信号数据采集器的输出端和光纤数据信号处理单元的输入端连接；光纤传感器包括光纤卷盘；光纤数据信号处理单元用于通过光纤传感器采集到的节流孔板的声波信号、温度信号、压力信号和/或应变信号，监测通过节流孔板的流量。

进一步的，节流孔板上开设有环形的凹槽，光纤卷盘布置在凹槽内，凹槽上安装有密封盖板。

进一步的，节流孔板沿周向开设有光纤进出引线孔，光纤传感器的光纤进出引线通过光纤进出引线孔连接节流孔板外部的光纤传输线缆。

进一步的，凹槽开设在节流孔板背向流体流动方向的一侧。

进一步的，光纤卷盘的盘卷形式为：光纤逐渐向旋转中心螺旋收缩最后越过光纤在螺旋过程中形成的螺旋结构向外延伸，光纤的内圈直径不小于节流孔板的内孔直径。

进一步的，光纤卷盘外包裹有保护套。

进一步的，光纤传感器为光纤声波传感器、光纤温度传感器、光纤光栅超前预警传感器、光纤应力应变传感器、光纤fbg应变传感器、光纤fbg位移传感器、光纤位移传感器和光纤应变微振动传感器中的任意一种或组合。

进一步的，光纤传感器为单模光纤、多模光纤或偏振保持光纤中的任意一种或组合。

进一步的，光纤传感器作为声波信号采集器，其类型包括听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、表面光纤传感器、光纤频率传感器、光纤声压传感器、光纤声强传感器、光纤声功率传感器中的任意一种或组合。

一种基于上述的光纤传感器节流孔板监测系统的节流孔板流量监测方法，其特征在于包括以下步骤：

s1：根据节流孔板的类型及其结构及被测流体的种类，选择光纤传感器；

s2：根据节流孔板的尺寸确定光纤传感器的光纤卷盘的内径及安装尺寸，在节流孔板上加工凹槽，并用密封盖板将光纤传感器密封在凹槽中，得到带光纤传感器的节流孔板；

s3：将步骤2得到的带光纤传感器的节流孔板安装到流量标定实验平台上；

s4：调试带光纤传感器的节流孔板及流量标定实验平台的数据采集系统，去除噪音干扰；

s5：调试流量标定实验平台上节流孔板前后的压力传感器、流量标定实验平台的流量传感器，满足标定要求；

s6：在不同节流孔板前压力、不同节流孔板内径尺寸、不同节流孔板通流流量条件下，监测节流孔板光纤传感器收集的声波信号；声波信号包括声波频率、声波强度、声波压力、声波功率；

s7：在固定的节流孔板前压力和节流孔板内径下，对节流孔板通流流量和声波信号进行关联，得到节流孔板通流流量和声波信号拟合曲线和拟合公式；

s8：利用相同型号的另外一台带光纤传感器的节流孔板，在同样的实验标定条件下，对得到的拟合曲线和公式进行校核：若通过校核，则根据被监测型号节流孔板前压力找到对应的拟合曲线，根据监测的声波信号得到节流孔板流量；若未通过校核，则重复s1～s7，直至通过校核。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

1)通过相对便宜的光纤声波传感器，在一定精度范围内，实现对节流孔板对流量进行流量的间接计算和测量。

2)通过光纤传感器与节流孔板的耦合，可以实现对流体通过节流孔板的声波信号、管道或孔板设备泄漏等信号的在线监测。

3)安装不同类型的光纤传感器可对节流孔板的工作温度和/或流体温度进行实时监测，如果光纤卷盘的光纤长度足够，可以实现对节流孔板的温度场的测量和监测。

4)光纤传感器采用螺旋结构，光纤的总长度可以轻易地超过解调仪的最小分辨率，提高光纤传感器的空间分辨率。

5)通过在节流孔板上设置凹槽，安装提前由硅胶保护套封装和金属盖板保护的光纤卷盘，提高光纤传感器的测量精度和可靠性。

本发明所述的流量监测方法，通过测量不同板前压力，和节流孔板流量下的声波信号，得到节流孔板的流量和声波信号的拟合曲线，然后将带有光纤声波传感器的节流孔板安装在管道中，可根据光纤声波传感器采集到的声波信号与拟合曲线的对应关系，得到节流孔板的流量，大幅降低了调节阀流量监测成本。

附图说明

图1为本发明所提供的结构示意图，其中，(a)为纵剖图，(b)为横剖图；

图2为本发明所提供的光纤卷盘示意图；

图3为图1中a处的局部放大图。

附图中：1、节流孔板，2、孔板内孔，3、凹槽，4、光纤卷盘，5、密封盖板，6、光纤进出引线，7、板体，8、保护套。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，一种光纤传感器节流孔板监测系统，包括节流孔板1、节流孔板上安装的光纤传感器、光纤进出引线6及光纤传输线缆、光纤信号数据采集器和光纤数据信号处理单元。

节流孔板1的板体7中心开设有孔板内孔2，板体7一面设置一圈凹槽3，凹槽3位于内孔2外侧，光纤传感器一体封装的光纤卷盘4布置在凹槽3内，然后通过导热金属密封盖板或另外设置的密封盖板5密封保护，密封盖板5为圆环形的导热金属盖板。

光纤传感器包括一体封装的光纤卷盘4、保护套8、密封盖板5等组件，保护套8为硅胶保护套，套设在光纤卷盘4外；所述光纤数据信号处理单元处理光纤传感器采集到的节流孔板的声波信号、温度信号或压力信号或应变信号，进而利用标定的上述信号与流量的关联关系，计算得出通过节流孔板的流量。

参照图2，节流孔板1外圈圆周方向设置光纤进出引线孔，光纤传感器的光纤进出引线6通过此引线孔连接外部的光纤传输线缆，光纤传输线缆和光纤信号数据采集器的输入端连接，光纤信号数据采集器的输出端和光纤数据信号处理单元的输入端连接。

参照图3，光纤卷盘4的盘卷形式是指光纤逐渐向旋转中心螺旋收缩最后越过光纤在螺旋过程中形成的螺旋结构向外延伸，光纤的内圈直径不小于对应节流孔板的内孔直径。光纤卷盘4的四周被硅胶保护套包裹，硅胶保护套外侧由导热金属盖板覆盖。

优选的，导热金属盖板单侧布置在硅胶保护套的一侧，背向流体流动方向的一侧。

优选的，光纤传感器为光纤温度传感器、光纤光栅超前预警传感器、光纤应力应变传感器、光纤fbg应变传感器、光纤fbg位移传感器、光纤位移传感器和光纤应变微振动传感器中的任意一种或组合。

光纤传感器为单模光纤、多模光纤或偏振保持光纤中的任意一种或组合。

光纤传感器作为声波信号采集器，其类型包括听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、表面光纤传感器、光纤频率传感器、光纤声压传感器、光纤声强传感器、光纤声功率传感器中的任意一种或组合。

实施例2

一种光纤传感器节流孔板流量监测方法，包括以下步骤：

s1：根据节流孔板类型及其结构及被测流体的种类，选择光纤传感器，本实施例中，光纤传感器为温度传感器和光纤声波传感器的组合；

s2：根据节流孔板1的尺寸确定光纤传感器的光纤卷盘内径及安装尺寸，将节流孔板加工出安装光纤传感器的凹槽3，并选择合适尺寸的盖板对传感器密封安装；

s3：将此型号尺寸的节流孔板及其光纤传感器安装到流量标定实验平台上；

s4：调试节流孔板及其光纤传感器，以及流量标定实验平台的数据采集系统，做到去除噪音干扰的合格的光纤声波传感器的声波信号采集，满足标定要求；

s5：调试节流孔板前后的压力传感器、标定实验平台的流量传感器，满足标定要求；

s6：在不同节流孔板前后压力、不同节流孔板内径尺寸、不同节流孔板通流流量条件下，监测节流孔板光纤声波传感器收集的声波信号；所述声波信号包括声波频率、声波强度、声波压力、声波功率；

s7：对上述数据进行关联分析，特别是将不同节流孔板前后压差条件下的通流流量与节流孔板的声波信号进行关联，拟合出拟合曲线和拟合公式；

s9：利用相同型号的另外一台节流孔板，在同样的实验标定条件下，对得到的拟合曲线和公式进行校核实验。

s10：满足校核后的安装了光纤声波传感器的节流孔板做产品定型，批量生产，将其安装在管道中，即可对其所在的管道进行流量监测。

其中，s3中的流量标定平台，包括管道，板前压力传感器、板后压力传感器和标定流量计。

实施例3

一种光纤传感器节流孔板监测方法，用于监测节流孔板的工作温度，包括以下步骤：

s11：根据节流孔板类型及其结构及被测流体的种类，选择光纤温度传感器；

s12：根据节流孔板1的尺寸确定光纤温度传感器的光纤卷盘内径及安装尺寸，将节流孔板加工出安装光纤传感器的凹槽3，并选择合适尺寸的密封盖板5对传感器密封安装，得到可测量温度的节流孔板；

s13：将s12得到的可测量温度的节流孔板安装在管道中，即可对管道的流体温度进行测量。

实施例4

一种光纤传感器节流孔板监测方法，用于监测管道或孔板设备泄漏，包括以下步骤：

s21：根据节流孔板类型及其结构及被测流体的种类，选择光纤声波传感器；

s22：根据节流孔板1的尺寸确定光纤声波传感器的光纤卷盘内径及安装尺寸，将节流孔板加工出安装光纤传感器的凹槽3，并选择合适尺寸的密封盖板对光纤声波传感器密封安装，得到带传感器的节流孔板；

s23：将s2得到的带传感器的节流孔板安装到标定实验平台上；

s24：调试节流孔板及其光纤传感器，以及流量标定实验平台的数据采集系统，做到去除噪音干扰的合格的光纤声波传感器的声波信号采集，满足标定要求；

s25：调试节流孔板前后的压力传感器、标定实验平台的流量传感器，满足标定要求；

s26：监测无泄漏时，不同节流孔板前后压力、不同节流孔板内径尺寸、不同节流孔板通流流量条件下，监测光纤声波传感器收集的声波信号；所述声波信号包括声波频率、声波强度、声波压力、声波功率；

s27：对上述数据进行关联分析，将不同节流孔板前后压差条件下的通流流量与节流孔板的声波信号进行关联，拟合出拟合曲线；

s29：将与步骤2得到的同型号的带传感器的节流孔板，安装在被监测的管道上，实时测量声波信号，根据测量到的声波信号对应的其他物理条件(节流孔板前后压力、节流孔板内径尺寸、节流孔板通流流量)，和s27得到的拟合曲线比较，若出现异常信号，则认为管道出现泄漏。

其中，s23中的标定平台，包括管道，板前压力传感器、板后压力传感器和标定流量计。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。