具有远传功能的安全型管道压力传感器

本发明涉及光纤传感，更具体地说，涉及一种具有远传功能的安全型管道压力传感器。

背景技术：

1、目前油气管道站场绝大部分为有人值守站场，随着工业自动化及智能化技术的提高，企业为控制优化经营成本，建设油气管道无人值守站场成为未来主流趋势。

2、压力是反应输送油气管道系统运行状态的重要参数。传统的压力变送器具有较高的测量精度及灵敏度，因其难以实现信号远距离传输，容易受到电磁干扰的影响使得在恶劣条件下使用受到限制。光纤光栅压力传感器具有高灵敏度、抗干扰能力强、电磁兼容性好等特点，在工业监测领域具有广阔的应用前景。

3、针对无人值守的油气管道站场需要建立高安全等级的安全仪表系统sis的需求，传统的在同一监测点布设单个压力传感器监测管道内部压力变化，难以满足更高要求的安全完整性等级sil。而且，目前压力变送器对于长距离无人值守油气管道站场，难以同时满足长距离信号传输、高灵敏度以及高安全性的监测需求。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有远传功能的安全型管道压力传感器，其能够解决长距离无人值守油气管道的高安全性监测的需求，具有信号远传功能、能够实现高灵敏度的管道压力监测特点，进一步提高了安全型管道压力传感器的实用性。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种具有远传功能的安全型管道压力传感器，包括压力变送器、光纤光栅压力传感器和三通管，所述压力变送器和光纤光栅压力传感器通过三通管并联；

3、所述光纤光栅压力传感器包括c型弹簧管、轻质弹簧、弹性体、调节装置、固定基座、外壳和传感光纤；所述调节装置包括夹持器和伸缩杆，所述传感光纤包括第一光纤光栅和第二光纤光栅；

4、所述外壳内部下侧设置固定基座，所述固定基座左端与c型弹簧管的固定端固定连接，所述c型弹簧管的自由端固定设置调节装置，所述夹持器固定设置在c型弹簧管的自由端，所述伸缩杆右端固定设置在夹持器上，所述伸缩杆左端与轻质弹簧的右端固定连接，所述轻质弹簧的左端与弹性体的右端固定连接，所述弹性体的左端与固定基座的右端固定连接；所述第一光纤光栅设置在弹性体的上侧，所述第二光纤光栅设置在弹性体的下侧，所述第一光纤光栅与第二光纤光栅沿弹性体轴向对称设置；

5、所述外壳右下方开口，所述第二光纤光栅从开口处延伸出来。

6、按上述方案，所述压力变送器为机械类变送器，或为电类压力变送器。

7、按上述方案，所述三通管为不锈钢材质通过焊接固定成型。

8、按上述方案，所述夹持器通过螺栓夹持于c型弹簧管的自由端上，所述伸缩杆通过螺钉调节轻质弹簧的预拉伸长度。

9、按上述方案，所述弹性体采用线切割加工一体成型，所述弹性体的一端通过螺钉固定在固定基座上，所述弹性体的另一端通过弹簧挂钩与轻质弹簧相连。

10、按上述方案，所述c型弹簧管、调节装置、轻质弹簧、弹性体和固定基座均为不锈钢材质。

11、按上述方案，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅经过预拉，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅通过环氧树脂胶与弹性体固定。

12、按上述方案，所述c型弹簧管的固定端焊接在固定基座上。

13、按上述方案，当施加压力时，c型弹簧管自由端位移和压力的关系为：

14、δl＝kp    (1)

15、式中，k与材料结构尺寸有关，p为施加压力，当c型弹簧管的尺寸和材料选定后，在材料的弹性限度范围内和压力内，c型弹簧管所受到的压力和自由端位移呈线性关系；

16、其中，设轻质弹簧的刚度为k1，弹性体的弯曲刚度为k2，轻质弹簧和弹性体为串联连接，故轻质弹簧和弹性体系统等效刚度为：

17、

18、弹性体受到的拉力为：

19、f＝k1x  (3)

20、x为轻质弹簧的伸长量，且x＝δl，此时光纤光栅的应变表示为：

21、

22、其中，δlf为光纤光栅的伸长量，lf为光纤光栅的栅距，l为弹性体长度，e为弹性体的弹性模量，b、h为弹性体的长度、宽度，d为光纤固定点到弹性体中性面之间的距离，a为传感光纤的横截面积，ef为传感光纤的弹性模量。

23、弹性体在f拉力的作用下弯曲，使得第一光纤光栅和第二光纤光栅压缩或者拉伸，两个光纤光栅的应变相等，第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移表示为：

24、

25、

26、其中，kt为温度系数，kε为应变系数，δt为温度变化，λb为光纤光栅的中心波长；

27、由上式(4)、(5)、(6)可知，光纤光栅压力传感器的波长变化差表示为：

28、

29、从式(7)看出波长变化和压力成线性关系，通过调整结构参数提高光纤光栅压力传感器灵敏度。

30、实施本发明的具有远传功能的安全型管道压力传感器，具有以下有益效果：

31、在本发明设计的c型弹簧管、轻质弹簧、弹性体、调节装置、固定基座、外壳以及传感光纤创新性的组成了能够实现长距离、高灵敏度监测需求的光纤光栅压力传感器；结合压力变送器的优点，通过冗余性创新设计，将光纤光栅压力传感器和所述压力变送器通过三通管相连，从而提高面向长距离无人值守油气管道的压力监测安全性。

技术特征：

1.一种具有远传功能的安全型管道压力传感器，其特征在于，包括压力变送器、光纤光栅压力传感器和三通管，所述压力变送器和光纤光栅压力传感器通过三通管并联；

2.根据权利要求1所述的具有远传功能的安全型管道压力传感器，其特征在于，所述压力变送器为机械类变送器，或为电类压力变送器。

3.根据权利要求1所述的具有远传功能的安全型管道压力传感器，其特征在于，所述三通管为不锈钢材质通过焊接固定成型。

4.根据权利要求1所述的具有远传功能的安全型管道压力传感器，其特征在于，所述夹持器通过螺栓夹持于c型弹簧管的自由端上，所述伸缩杆通过螺钉调节轻质弹簧的预拉伸长度。

5.根据权利要求1所述的具有远传功能的安全型管道压力传感器，其特征在于，所述弹性体采用线切割加工一体成型，所述弹性体的一端通过螺钉固定在固定基座上，所述弹性体的另一端设置有弹簧挂钩与轻质弹簧相连。

6.根据权利要求1所述的具有远传功能的安全型管道压力传感器，其特征在于，所述c型弹簧管、调节装置、轻质弹簧、弹性体和固定基座均为不锈钢材质。

7.根据权利要求1所述的具有远传功能的安全型管道压力传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅经过预拉，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅通过环氧树脂胶与弹性体固定。

8.根据权利要求1所述的具有远传功能的安全型管道压力传感器，其特征在于，所述c型弹簧管的固定端焊接在固定基座上。

9.根据权利要求1所述的具有远传功能的安全型管道压力传感器，其特征在于，当施加压力时，c型弹簧管自由端位移和压力的关系为：

技术总结
本发明涉及一种具有远传功能的安全型管道压力传感器，包括压力变送器、光纤光栅压力传感器和三通管，压力变送器和光纤光栅压力传感器通过三通管并联；光纤光栅压力传感器包括C型弹簧管、轻质弹簧、弹性体、调节装置、固定基座、外壳和传感光纤；固定基座左端与C型弹簧管的固定端固定连接，C型弹簧管的自由端固定设置调节装置，夹持器固定设置在C型弹簧管的自由端，伸缩杆右端固定设置在夹持器上，伸缩杆左端与轻质弹簧的右端固定连接，轻质弹簧的左端与弹性体的右端固定连接，弹性体的左端与固定基座的右端固定连接。本发明具有信号远传功能、实现高灵敏度的管道压力监测特点，可以进一步提高安全型管道压力传感器实用性。

技术研发人员：潘建军,肖凡,邹自松,包承玮
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17