CN115265680A - 一种用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器，第一主管道与第二主管道之间可拆卸连接有喷嘴，第一主管道与第二主管道的端部均设置有接头，第一主管道侧壁上加工有第一取压孔，第一取压孔上设置有第一直管卡套，第一直管卡套通过钢管道组件与传感组件相连通，第二主管道侧壁上加工有第二取压孔，第二取压孔孔径与第一取压孔相同，第二取压孔上设置有第二直管卡套，第二直管卡套通过管道组件支撑连接有传感组件并与传感组件相连通。本发明采用双光纤光栅结构进行温度补偿，消除了温度应变的交叉敏感问题，双光纤光栅结构结合压差式传感结构，显著的提高了灵敏度，满足小流量的测量要求,具有启动流量低、响应快、耐腐蚀等优点。
Description
技术领域
本发明属于测量或测试技术领域，具体涉及到一种光纤光栅流量传感器。
背景技术
流量作为现代工业生产中的一个重要的指标参数，精准测量流量数据对提高工业生产率至关重要。传统的电类流量计虽已广泛使用，但具有一定的局限性，如启动流量较高、不能测量高温高压流体且易受外界电磁干扰的影响等；而光纤光栅流量传感器相较于传统电类流量传感器具有抗电磁干扰、损耗低、耐高温高压、耐腐蚀的优点，使其更加适合恶劣环境下的参数测量。基于布拉格光栅的压差式流量传感器原理为，当流体通过节流件时，会在节流件前后产生压差，压力差经由取压孔传递到取压管中，并作用于金属膜片上，使得金属膜片发生形变，进而引起粘贴在金属膜片上的布拉格光栅中心波长发生变化，达到测量流量的目的。
公开号为CN202648714U的中国专利公开了一种“基于光纤光栅微压差传感的微小管径高压喷嘴流量装置”，采用膜片固定在取压腔一端，用螺纹进行连接，这种固定方式会存在一些问题。比如，两端取压腔在旋转的过程中容易带动光栅，进而发生光纤光栅的损坏；光纤光栅传感器固定在合金膜片一侧，光纤光栅传感器不具有温度补偿的功能，受温度影响灵敏度低，测量不准确，只适用于高压流量测量；该装置的喷嘴固定在六方厚壁管内，量程固定不能更改。
公布号为CN102095451A、名称为“带温度补偿的光纤光栅液体流量传感器”的中国专利公开了弹性舌两侧粘贴有光纤光栅，测量时直接将弹性舌放到液体管路中进行，是一种靶式的流量传感器，只受一侧流体冲击而直接带动弹性舌变形，该结构的缺点是使用寿命短，因流体冲击波动，受力不均衡，测试得到的数据误差大，而且容易脱落，且脱落后会损伤管道。并且由于膜片式与弹舌式结构上的差异性，膜片式结构的双栅温度补偿相比弹舌式更难实现，这也是传统压差型膜片式结构未进行双栅温度补偿的原因。
目前，急需求一种适用于低启动流量测量的高灵敏度、高准确性的光纤光栅流量传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术在于克服现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构紧凑、灵敏度高、测量准确度高、量程可更换、使用寿命长的用于低启动流量压差式膜片光纤光栅流量传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器，第一主管道与第二主管道之间可拆卸连接有喷嘴，第一主管道与第二主管道的端部均设置有接头，第一主管道1侧壁上加工有第一取压孔，第一取压孔上设置有第一直管卡套，第一直管卡套通过钢管道组件与传感组件相连通，第二主管道侧壁上加工有第二取压孔，第二取压孔孔径与第一取压孔相同，第二取压孔上设置有第二直管卡套，第二直管卡套通过管道组件支撑连接有传感组件并与传感组件相连通；所述传感组件为第一密封盖与第二密封盖之间螺纹连接有环形安装座，环形安装座一侧中部由内向外设置有金属膜片、环形垫片，金属膜片将第一密封盖和第二密封盖及环形安装座形成的腔体分割成独立且体积相同的第一取压腔和第二取压腔，第一取压腔与第一取压孔a相连通，第二取压腔与第二取压孔相连通，金属膜片的一侧环形安装座径向加工有第一光纤安装孔，第一光纤安装孔内安装有第一光纤，第一光纤上刻写有第一光栅，第一光纤刻写第一光栅的部分通过高温胶封装在金属膜片一侧面上，金属膜片的另一侧环形安装座径向加工有第二光纤安装孔，第二光纤安装孔内安装有第二光纤，第二光纤上刻写有第二光栅，第二光纤刻写第二光栅的部分通过高温胶封装在金属膜片另一侧面上，第一光纤安装孔和第二光纤安装孔通过高温胶密封。
作为一种优选的技术方案，所述第一取压孔的孔径为2～6mm。
作为一种优选的技术方案，所述环形安装座中部内壁加工有环形凸台，所述环形凸台一侧面由内向外依次设置有金属膜片、环形垫片，所述金属膜片用胶粘贴在环形凸台的侧面上，所述凸台粘贴金属膜片的一侧面上加工有两个对称的定位孔，所述环形垫片上加工有两个与定位孔相匹配的定位柱，所述定位柱位于定位孔内；所述环形安装座环形凸台两侧加工有内螺纹，用于与第一密封盖与第二密封盖相连。
作为一种优选的技术方案，所述第一光栅与所述第二光栅的栅区长度相同，中心波长不相等。
作为一种优选的技术方案，所述金属膜片的厚度为0.3～0.5mm，材质为铜或不锈钢。
作为一种优选的技术方案，所述喷嘴为ISA1932标准喷嘴。
作为一种优选的技术方案，所述管道组件为弯管卡套两端连接有连接管。
作为一种优选的技术方案，所述喷嘴与第一主管道和第二主管道通过法兰连接。
本发明的有益效果如下：
本发明采用第一密封盖与第二密封盖之间螺纹连接环形安装座，环形安装座一侧中部由内向外设置有金属膜片、环形垫片，金属膜片将第一密封盖和第二密封盖及环形安装座形成的腔体分割成独立且体积相同的第一取压腔和第二取压腔，金属膜片两侧环形安装座上设置有第一光纤和第二光纤，第一光纤刻写第一光栅的部分通过高温胶封装在金属膜片一侧面上，第二光纤刻写第二光栅的部分通过高温胶封装在金属膜片另一侧面上，金属膜片通过环形垫片与第一密封盖隔离，环形安装座使得光纤光栅不会直接接触密封盖，避免了安装过程中可能存在的因旋转而损坏光纤光栅的问题，环形安装座与第一密封盖与第二密封盖之间螺纹连接，便于双光纤光栅的封装，克服了现有技术“基于光纤光栅微压差传感的微小管径高压喷嘴流量装置”中因膜片直接连接在一侧的固定盖上，无法进行双光纤光栅的封装的缺陷。
本发明采用双光纤光栅结构进行温度补偿，消除了温度应变的交叉敏感问题，双光纤光栅结构结合压差式传感结构，显著的提高了灵敏度，满足小流量的测量要求。本发明适用于复杂的油气井下测试需求，具有启动流量低、响应快、耐腐蚀等优点，实现了油气井下低启动流体流量的实时监测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明第一光纤8的安装示意图。
图3是本发明第二光纤10的安装示意图。
其中：第一主管道1；第一直管卡套2；管道组件3；第一密封盖4；环形安装座5；环形垫片6；金属膜片7；第一光纤8；第二密封盖9；第二光纤10；第二直管卡套11；第二主管道12；喷嘴13；接头14；第一光栅15；第二光栅16；第一取压孔a；第二取压孔b；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1、2、3中，本实施例的一种用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器为第一主管道1与第二主管道12之间通过法兰连接有喷嘴13，通过更换不同尺寸的喷嘴13实现量程的更换，本实施例的喷嘴13为ISA1932标准喷嘴，喷嘴13喉部直径为15.516mm、直径比为0.597，第一主管道1与第二主管道12的端部均设置有接头14，用于与被测管道相连，第一主管道1侧壁上加工有第一取压孔a，第一取压孔a的孔径为4mm，第一取压孔a上焊接有第一直管卡套2，第一直管卡套2通过钢管道组件3与传感组件相连通，第二主管道12侧壁上加工有第二取压孔b，第二取压孔b孔径与第一取压孔a相同，第二取压孔b上焊接有第二直管卡套11，第二直管卡套11通过管道组件3支撑连接有传感组件并与传感组件另一端相连通。
本实施例的传感组件为第一密封盖4与第二密封盖9之间螺纹连接有环形安装座5，环形安装座5中部内壁加工有环形凸台，环形凸台左侧面由内向外依次设置有金属膜片7、环形垫片6，环形垫片6用于保护金属膜片7，金属膜片7的厚度为0.4mm，材质为铜，金属膜片7用胶粘贴在环形凸台的侧面上，凸台粘贴金属膜片7的一侧面上加工有两个对称的定位孔，环形垫片6上加工有两个与定位孔相匹配的定位柱，定位柱位于定位孔内，环形安装座5环形凸台两侧加工有内螺纹，用于与第一密封盖4与第二密封盖9相连，金属膜片7将第一密封盖4和第二密封盖9及环形安装座5形成的腔体分割成独立且体积相同的第一取压腔和第二取压腔，第一取压腔与第一取压孔a相连通，第二取压腔与第二取压孔b相连通，金属膜片7的一侧环形安装座5径向加工有第一光纤安装孔，第一光纤安装孔内安装有第一光纤8，第一光纤8上刻写有第一光栅15，第一光栅15的栅区长度为5mm，中心波长为1531.906nm，第一光纤8刻写第一光栅15的部分通过高温胶封装在金属膜片7一侧面上，金属膜片7的另一侧环形安装座5径向加工有第二光纤安装孔，第二光纤安装孔内安装有第二光纤10，第二光纤10上刻写有第二光栅16，第二光栅16的栅区长度为5mm、中心波长为1538.017nm,第二光纤10刻写第二光栅16的部分通过高温胶封装在金属膜片7另一侧面上，第一光纤安装孔和第二光纤安装孔通过高温胶密封。
本实施例的管道组件3为弯管卡套两端连接有连接管。
本实施例的工作原理如下：
将本发明安装在被测管道上，管道内的流体通过第一主管道1与第二主管道12之间的喷嘴13，使得进入第一取压孔a和第二取压孔b的流体形成压力差，从第一取压孔a进入的流体通过管道进入第一取压腔并作用在金属膜片7上，从第二取压孔b进入的流体通过管道进入第二取压腔并作用在金属膜片7上，金属膜片7发生形变，进而引起第一光栅15和第二光栅16的中心波长的漂移，通过差动形式对流体流量进行测量，第一光栅15和第二光栅16的中心波长的漂移量之差Δλ21与被测体积流量Qv之间的关系为：
式中，A0为喷嘴13最小径端部面积，A0＝15.5mm，β为喷嘴13喉部直径比，β＝0.597，t为金属膜片7厚度，t＝0.4mm，E为膜片材料的杨氏模量，E＝2×1011Pa,v为泊松比，v＝0.32，Pe为光纤的有效弹光系数，Pe＝0.22，K为等效表示光纤光栅所受到的平均应变而引入的常数。
本发明消除了温度应变的交叉敏感问题，提高灵敏度。
实施例2
在本实施例中，第一主管道1与第二主管道12之间通过法兰连接有喷嘴13，喷嘴13喉部直径为18.576mm、直径比为0.599，第一主管道1侧壁上加工有第一取压孔a，第一取压孔a的孔径为2mm，第二主管道12侧壁上加工有第二取压孔b，第二取压孔b孔径与第一取压孔a相同，第一取压孔a上焊接有第一直管卡套2，第一直管卡套2通过钢管道组件3与传感组件相连通，第二主管道12侧壁上加工有第二取压孔b，第二取压孔b孔径与第一取压孔a相同，第二取压孔b上焊接有第二直管卡套11，第二直管卡套11通过管道组件3支撑连接有传感组件并与传感组件另一端相连通。传感组件为第一密封盖4与第二密封盖9之间螺纹连接有环形安装座5，环形安装座5中部内壁加工有环形凸台，环形凸台左侧面由内向外依次设置有金属膜片7、环形垫片6，环形垫片6用于保护金属膜片7，金属膜片7的厚度为0.3mm，材质为304不锈钢。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，第一主管道1与第二主管道12之间通过法兰连接有喷嘴13，喷嘴13喉部直径为21.526mm、直径比为0.598，第一主管道1侧壁上加工有第一取压孔a，第一取压孔a的孔径为6mm，第二主管道12侧壁上加工有第二取压孔b，第二取压孔b孔径与第一取压孔a相同，第一取压孔a上焊接有第一直管卡套2，第一直管卡套2通过钢管道组件3与传感组件相连通，第二主管道12侧壁上加工有第二取压孔b，第二取压孔b孔径与第一取压孔a相同，第二取压孔b上焊接有第二直管卡套11，第二直管卡套11通过管道组件3支撑连接有传感组件并与传感组件另一端相连通。传感组件为第一密封盖4与第二密封盖9之间螺纹连接有环形安装座5，环形安装座5中部内壁加工有环形凸台，环形凸台左侧面由内向外依次设置有金属膜片7、环形垫片6，环形垫片6用于保护金属膜片7，金属膜片7的厚度为0.5mm，材质为304不锈钢。其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
Claims (8)
1.一种用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器，其特征在于:第一主管道与第二主管道之间可拆卸连接有喷嘴，第一主管道与第二主管道的端部均设置有接头，第一主管道1侧壁上加工有第一取压孔，第一取压孔上设置有第一直管卡套，第一直管卡套通过钢管道组件与传感组件相连通，第二主管道侧壁上加工有第二取压孔，第二取压孔孔径与第一取压孔相同，第二取压孔上设置有第二直管卡套，第二直管卡套通过管道组件支撑连接有传感组件并与传感组件相连通；所述传感组件为第一密封盖与第二密封盖之间螺纹连接有环形安装座，环形安装座一侧中部由内向外设置有金属膜片、环形垫片，金属膜片将第一密封盖和第二密封盖及环形安装座形成的腔体分割成独立且体积相同的第一取压腔和第二取压腔，第一取压腔与第一取压孔a相连通，第二取压腔与第二取压孔相连通，金属膜片的一侧环形安装座径向加工有第一光纤安装孔，第一光纤安装孔内安装有第一光纤，第一光纤上刻写有第一光栅，第一光纤刻写第一光栅的部分通过高温胶封装在金属膜片一侧面上，金属膜片的另一侧环形安装座径向加工有第二光纤安装孔，第二光纤安装孔内安装有第二光纤，第二光纤上刻写有第二光栅，第二光纤刻写第二光栅的部分通过高温胶封装在金属膜片另一侧面上，第一光纤安装孔和第二光纤安装孔通过高温胶密封。
2.根据权利要求1所述用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器，其特征在于:所述第一取压孔的孔径为2～6mm。
3.根据权利要求1所述用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器，其特征在于:所述环形安装座中部内壁加工有环形凸台，所述环形凸台一侧面由内向外依次设置有金属膜片、环形垫片，所述金属膜片用胶粘贴在环形凸台的侧面上，所述凸台粘贴金属膜片的一侧面上加工有两个对称的定位孔，所述环形垫片上加工有两个与定位孔相匹配的定位柱，所述定位柱位于定位孔内；所述环形安装座环形凸台两侧加工有内螺纹，用于与第一密封盖与第二密封盖相连。
4.根据权利要求1所述用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器，其特征在于:所述第一光栅与所述第二光栅的栅区长度相同，中心波长不相等。
5.根据权利要求1所述用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器，其特征在于:所述金属膜片的厚度为0.3～0.5mm，材质为铜或不锈钢。
6.根据权利要求1所述用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器，其特征在于:所述喷嘴为ISA1932标准喷嘴。
7.根据权利要求1所述用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器，其特征在于:所述管道组件为弯管卡套两端连接有连接管。
8.根据权利要求1所述用于低启动流量压差式光纤光栅流量传感器，其特征在于:所述喷嘴与第一主管道和第二主管道通过法兰连接。
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2022
- 2022-07-26 CN CN202210885888.6A patent/CN115265680A/zh active Pending
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