测量液态金属流动截面温度场的光纤传感器及测量系统

1.本发明涉及多相流流动参数测量技术领域和核反应堆热工水力领域，具体地，涉及一种测量液态金属流动截面温度场的光纤传感器及测量系统，尤其是一种测量液态金属流动截面温度场的阵列式光纤温度探针及测量系统。


背景技术：

2.铅基快堆中子经济性好、传热能力强、安全性好等，是第四代核反应堆的主选堆型之一。但是较高的温度、巨大的压差、回路间复杂的热工水力现象和铅铋合金的腐蚀特性，导致流动过程中的温度测量带来了很大的困难，给核反应堆安全运行带来一定隐患。因此，准确测量液态金属在流动过程中的温度场分布信息是铅基快堆安全亟待解决的关键问题，同时也是科研人员进行实验研究必不可少的一环，为反应堆结构的优化设计、液态金属流动机理研究和事故的预防处理提供有效的手段。
3.一方面高温高压且带有腐蚀性的测量环境限制了大部分的传统温度测量传感器的应用，另一方面单头的温度传感器无法实现整个截面的温度场测量。因此，目前亟待开发具有耐高温高压、耐腐蚀、易于加工且测量维度广的温度传感器系统，实现对液态金属流动过程中截面温度场的精确测量。
4.公开号为cn113865735a的专利文献公开了一种在磁场下对不透明液态金属的速度与温度同步测量的装置及方法，解决了由于液态金属的不透明特性造成的速度测量困难的问题，并且在这基础上解决了对液态金属流场中速度与温度如何在空间与时间上同步测量问题。由于液态金属mhd流动的物理特性，不透明、具有化学腐蚀性且经常在高温下，和磁场的存在，精确测量液态金属mhd流动中的局部速度需要特殊的仪器。该发明专利利用两根热电偶丝制作的电势探针去测量在磁场的作用下液态金属流动切割磁感线产生感应电势，以此推算出液态金属的速度，并且通过热电偶丝本身的电信号得到同时刻同位置的温度信号，完成对液态金属速度与温度的同步测量。但是该方案不能实现对流动的液态金属的整个截面的温度场测量。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种测量液态金属流动截面温度场的光纤传感器及测量系统。
6.根据本发明提供的测量液态金属流动截面温度场的光纤传感器，包括阵列式光纤传感器，所述阵列式光纤传感器包括集束器、集成板以及n个平行布置在集成板上的光纤温度探针，n》2；
7.所述光纤温度探针包括毛细管、耦合器、跳线头以及m个光纤光栅，m》2；
8.所述m个光纤光栅的大小一致且沿毛细管的长度方向等距固定排列在靠近毛细管一端处的内部；
9.所述毛细管的另一端通过耦合器连接跳线头，所述n个光纤温度探针的跳线头均
连接集束器。
10.优选地，所述耦合器与跳线头之间设置有铠管。
11.优选地，所述耦合器包括相互匹配的连接螺栓与连接螺母。
12.优选地，所述跳线头上可拆卸设置有防尘帽。
13.优选地，所述毛细管包括不锈钢毛细管；
14.所述不锈钢毛细管制作前经过检漏、退火处理。
15.优选地，所述n个光纤温度探针等距排列。
16.优选地，所述集成板的侧面开设有n个相互平行的插槽，所述光纤温度探针一一对应设置在所述插槽内部。
17.根据本发明所述的测量液态金属流动截面温度场的测量系统，包括激光发射器、光纤光栅解析仪、数据采集计算机、液态金属容器以及所述的测量液态金属流动截面温度场的光纤传感器；
18.所述液态金属容器中设置有流道，所述阵列式光纤传感器位于流道内，所述阵列式光纤传感器中的集成板垂直于流道设置；
19.所述激光发射器与阵列式光纤传感器中的集束器相对设置且能够发射激励激光信号；
20.所述光纤光栅解析仪与阵列式光纤传感器通信连接且能够接收并解析阵列式光纤传感器测得的温度信号；
21.所述数据采集计算机与光纤光栅解析仪通信连接且能够存储经光纤光栅解析仪解析后的数据。
22.优选地，所述集成板与流道内壁的材质相同，集成板的尺寸与流道相匹配。
23.优选地，所述阵列式光纤传感器为多个，多个阵列式光纤传感器沿流道的长度方向均匀设置；
24.所述激光发射器与阵列式光纤传感器一一对应设置。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
26.1、本发明结构简单，操作方便，通过光纤温度探针实现了高温高压且带有腐蚀性的液态金属内温度的测量，有助于满足核反应堆等领域温度测量需求和相关科研人员进行实验研究时的温度测量需求。
27.2、本发明采用光纤温度探针的阵列式排布形成阵列式光纤传感器的技术手段，实现了对流动截面上温度的精确测量，测量维度从一维扩展到二维，采用在流道上布置多个阵列式光纤传感器的技术手段，实现了整个流动过程中温度场的测量，测量维度扩展到三维。
28.3、本发明依据光纤测温原理，测量精度达到了
±
0.2℃，响应时间达到了100ms，温度灵敏系数达到了0.02979nm/℃，实现了温度的精确测量，且本发明不仅适用于液态金属的测量，常温常压的环境或普通的流体均可使用本发明进行温度场的测量。
附图说明
29.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
30.图1为本发明中测量系统的结构示意图；
31.图2为本发明中光纤传感器的俯视结构示意图；
32.图3为本发明中光纤传感器的侧视结构示意图；
33.图4为本发明中光纤温度探针的结构示意图；
34.图5为体现光纤温度探针测量准确性的标定结果图。
35.图中示出：
36.阵列式光纤传感器1毛细管9
37.流道2光纤光栅10
38.激光发射器3连接螺栓11
39.光纤光栅解析仪4连接螺母12
40.数据采集计算机5铠管13
41.集束器6跳线头14
42.集成板7防尘帽15
43.光纤温度探针8
具体实施方式
44.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
45.本发明公开了一种测量液态金属流动截面温度场的光纤传感器及测量系统，依据光纤测温原理，测量精度达到了
±
0.2℃，响应时间达到了100ms，温度灵敏系数达到了0.02979nm/℃，实现了温度的精确测量，且本发明不仅适用于液态金属的测量，常温常压的环境或普通的流体均可使用本发明进行温度场的测量。
46.根据本发明提供的测量液态金属流动截面温度场的光纤传感器，如图2、3所示，包括阵列式光纤传感器1，所述阵列式光纤传感器1包括集束器6、集成板7以及n个平行布置在集成板7上的光纤温度探针8，n》2；所述n个光纤温度探针8等距排列。优选地，光纤温度探针8的排列间距为2mm。
47.优选地，所述集成板7的侧面开设有n个相互平行的插槽，所述光纤温度探针8一一对应设置在所述插槽内部，所述阵列式光纤传感器1制作完成后进行密封处理，并且表面不留有胶痕。
48.如图4所示，所述光纤温度探针8包括毛细管9、耦合器、跳线头14以及m个光纤光栅10，m》2；所述m个光纤光栅10的大小一致且沿毛细管9的长度方向等距固定排列在靠近毛细管9一端处的内部；所述毛细管9的另一端通过耦合器连接跳线头14，所述n个光纤温度探针8的跳线头14均连接集束器6。多个光纤温度探针8均安装在集成板7后，采用集束器6接入和整合导线，集束器6不影响激光发射器3的信号激励。
49.所述耦合器与跳线头14之间设置有铠管13。所述耦合器包括相互匹配的连接螺栓11与连接螺母12。所述跳线头14上可拆卸设置有防尘帽15。所述毛细管9包括不锈钢毛细管9；所述不锈钢毛细管9制作前经过检漏、退火处理。所述跳线头14包括fcapc跳线头14。所述
光纤温度探针8表面不留有胶痕。
50.根据本发明提供的测量液态金属流动截面温度场的测量系统，包括激光发射器3、光纤光栅解析仪4、数据采集计算机5、液态金属容器以及所述的测量液态金属流动截面温度场的光纤传感器；所述液态金属容器中设置有流道2，所述阵列式光纤传感器1位于流道2内，所述阵列式光纤传感器1中的集成板7垂直于流道2设置；
51.所述激光发射器3与阵列式光纤传感器1中的集束器6相对设置且能够发射激光进行信号激励，信号在光纤光栅测点处受温度影响发生变化，所述光纤光栅解析仪4与阵列式光纤传感器1通信连接且能够接收并解析阵列式光纤传感器1测得的温度信号；所述数据采集计算机5与光纤光栅解析仪4通信连接且能够存储经光纤光栅解析仪4解析后的数据。从而实现液态金属流动截面温度场的测量。优选地，所述集成板7与流道2内壁的材质相同，集成板7的尺寸与流道2相匹配。
52.所述阵列式光纤传感器1为多个，多个阵列式光纤传感器1沿流道2的长度方向均匀设置；所述激光发射器3与阵列式光纤传感器1一一对应设置。实现了液态金属整个流动过程中温度场的测量，测量维度扩展到三维。
53.本发明的加工工艺不复杂，适用于高温高压且带有腐蚀性的恶劣环境，通过沿程布置多个阵列式光纤传感器1，实现全流动过程的三维温度场信息采集。
54.实施例1
55.如图4所示，本实施例中的光纤温度探针8包括不锈钢毛细管9、m(m》2)个光纤光栅10、耦合器、跳线头14和防尘帽15；光纤光栅10大小一致，等距固定排列在不锈钢毛细管9内部。
56.不锈钢毛细管9制作前应做检漏、退火处理，光纤光栅10密封固定在不锈钢毛细管9内部，不锈钢毛细管9直径0.5mm，光纤光栅10直径0.155mm，长2mm，排列间距为1mm。
57.耦合器包括连接螺栓11和连接螺母12，连接时进行密封，连接螺栓11尺寸为1.3x20mm，连接螺母12尺寸为2.8x20mm。
58.光纤温度探针8整体是密封结构，表面不留有胶痕，铠管13的尺寸为2.3x200mm。
59.本发明的工作原理如下：
60.(1)光栅测温原理。在光纤温度探针8中，使用光纤光栅方式进行温度的测量，即通过光纤纤芯在光栅段折射率发生周期性变化，使光栅中心波长范围内的光从光纤中被反射回来，其余波长范围的光继续沿光纤向前方传播。其最通用的原理如以下公式所示：
61.λb＝2η
eff
λ
62.式中：λb为反射光谱的中心波长、ηeff为纤芯区有效折射率、λ为光栅的周期。
63.光纤光栅方法使用非功能性光纤传感器，即测量原理不依靠光纤自身某种敏感特性的光纤传感器。在光栅的工作过程中，外界的温度改变引起光栅周期改变，进而影响反射光谱的中心波长，通过波长的影响程度反映温度的变化情况，实现温度的测量。
64.(2)数据采集原理。在使用过程中需要进行标定，先将温度已知的液态金属流过流道12，通过激光发射器3发射激励光信号，记录反射光谱中心波长。正式测量时，测量反射光谱中心波长在两种工况下的偏移量即可得出两种工况下光栅所处位置的温度变化。激励光信号依次通过光纤温度探针8上的光纤光栅10，在光纤光栅解析仪4上分析得到波长的偏移量变化。通过同时对阵列式光纤传感器1上的若干光纤温度探针8进行光信号的激励，经过
解析仪的调解，即可实现流动截面上的温度场测量。由于信号响应时间极短，采集到的温度信息可以看做是瞬时的。
65.本发明操作简便，仅需连接电路即可完成对液态金属流动过程中三维温度场的参数测量，能够满足核反应堆领域和相关科研人员对高温高压且腐蚀性强的液态金属流动温度的实时测量需求。
66.图5反映了本发明精度高，灵敏度高，适用性强。本发明所提供的光纤温度探针8及测量系统在简化探针制作工艺、提高测量维度的同时，解决了液态金属两相流温度的测量难题。
67.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“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技术和简化描述，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技术的限制。
68.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。