[發明專利]一種光纖F-P多參量智能流量傳感器及測量方法

在審

• 申請號: 201810196356.5
• 申請日: 2018-03-09
• 公開（公告）號: CN108225448A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 黃福強;張舸;陳小明;李光耀;楊帆;郭文
• 申請（專利權）人: 中國長江電力股份有限公司
• 主分類號: G01F1/86
• 分類號: G01F1/86;G01D21/02
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 李登橋

1.一種光纖F-P多參量智能流量傳感器，其特征在于：它包括圓柱形探頭基座(5)，所述圓柱形探頭基座(5)內部安裝有第一光纖F-P壓力探頭(1)、第二光纖F-P壓力探頭(2)、第三光纖F-P壓力探頭(3)和光纖溫度探頭(4)，所述圓柱形探頭基座(5)通過光纜(6)與調制解調模塊(7)相連，所述調制解調模塊(7)上設置有調制解調模塊通信接口(8)。

2.根據權利要求1所述的一種光纖F-P多參量智能流量傳感器，其特征在于：所述第一光纖F-P壓力探頭(1)和第三光纖F-P壓力探頭(3)設置在圓柱形探頭基座(5)兩側呈對稱布置；所述第二光纖F-P壓力探頭(2)和光纖溫度探頭(4)設置在圓柱形探頭基座(5)的頂部，其中第二光纖F-P壓力探頭(2)位于頂部中心。

3.根據權利要求1所述的一種光纖F-P多參量智能流量傳感器，其特征在于：所述圓柱形探頭基座(5)上設置有第一傳感器探頭光纖接口(5-1)、第二傳感器探頭光纖接口(5-2)、第三傳感器探頭光纖接口(5-3)和第四傳感器探頭光纖接口(5-4)；所述第一傳感器探頭光纖接口(5-1)通過光纖與第一光纖F-P壓力探頭(1)相連；所述第二傳感器探頭光纖接口(5-2)通過光纖與第二光纖F-P壓力探頭(2)相連；所述第三傳感器探頭光纖接口(5-3)通過光纖與第三光纖F-P壓力探頭(3)相連；所述第四傳感器探頭光纖接口(5-4)通過光纖與光纖溫度探頭(4)相連；在圓柱形探頭基座(5)的尾部外緣設置有連接外螺紋(5-5)，所述連接螺紋(5-5)與調制解調模塊(7)的外殼通過螺紋相連。

4.根據權利要求1所述的一種光纖F-P多參量智能流量傳感器，其特征在于：所述調制解調模塊(7)上設置有第一調制解調模塊光纖接口(7-1)、第二調制解調模塊光纖接口(7-2)、第三調制解調模塊光纖接口(7-3)和第四調制解調模塊光纖接口(7-4)；所述第一調制解調模塊光纖接口(7-1)直接通過光纜與圓柱形探頭基座(5)的第一傳感器探頭光纖接口(5-1)相連；所述第二調制解調模塊光纖接口(7-2)直接通過光纜與圓柱形探頭基座(5)的第二傳感器探頭光纖接口(5-2)相連；所述第三調制解調模塊光纖接口(7-3)直接通過光纜與圓柱形探頭基座(5)的第三傳感器探頭光纖接口(5-3)相連；所述第四調制解調模塊光纖接口(7-4)直接通過光纜與圓柱形探頭基座(5)的第四傳感器探頭光纖接口(5-4)相連。

5.根據權利要求1所述的一種光纖F-P多參量智能流量傳感器，其特征在于：所述圓柱形探頭基座(5)包含四個探頭的一端安裝在含有雙向流體的水平管道內部或者雙向流體的豎直管道內部。

6.根據權利要求1所述的一種光纖F-P多參量智能流量傳感器，其特征在于：所述調制解調模塊(7)內部設置有計算分析模塊。

7.權利要求1-6任意一項所述光纖F-P多參量智能流量傳感器的測量方法，其特征在于：

Step1：根據伯努利原理和體積流量守恒原理，即理想流體在同一流管內做定常流動時，同一流管的不同截面處，每單位體積流體的動能、使能、壓強之和為一常量，體積流量相等，建立如下表達式：

伯努利原理：

體積流量守恒原理：

Sv＝B (02)

式中：各項分別表示單位流體靜壓能、動能、位能，P為流體中某點的靜壓力，v為該點的流體流速，h為該點距液面的重力高程，ρ為流體的密度，S為該點管道徑向截面積，A、B都為常量；

Step2：設定第一光纖F-P壓力探頭(1)、第二光纖F-P壓力探頭(2)、第三光纖F-P壓力探頭(3)同一管道內流體三處不同位置測量的靜壓強分別為P₁、P₂、P₃，流速分別為v₁、v₂、v₃，位能分別為ρgh₁、ρgh₂、ρgh₃，根據伯努利方程，有如下等式成立：

Step3：考慮到傳感器體積較小，第一光纖F-P壓力探頭(1)、第二光纖F-P壓力探頭(2)、第三光纖F-P壓力探頭(3)三者位置不同導致的位能差異可忽略不計，故(03)式簡化為：

Step4：當流體流動方向為從第一光纖F-P壓力探頭(1)向第三光纖F-P壓力探頭(3)，則由于圓柱體探頭阻流效應，第一光纖F-P壓力探頭(1)處流速v₁＝0，第二光纖F-P壓力探頭(2)處流速即為管道內流體流速；根據(02)式流量守恒原理，可知流體流向后第三光纖F-P壓力探頭(3)處的流速v₃小于v₂，由(04)式推導得到：

v₂＞v₃＞v₁＝0 (05)

P₁＞P₃＞P₂ (06)

Step5：當流體流動方向為從第三光纖F-P壓力探頭(3)向第一光纖F-P壓力探頭(1)，則由于圓柱體探頭阻流效應，第三光纖F-P壓力探頭(3)處流速v₃＝0，第二光纖F-P壓力探頭(2)處流速即為管道內流體流速；根據(02)式流量守恒原理，可知流體流向后第一光纖F-P壓力探頭(1)處的流速v₁小于v₂，由(04)式推導得到：

v₂＞v₁＞v₃＝0 (08)

P₃＞P₁＞P₂ (09)

Step6：通過第一光纖F-P壓力探頭(1)、第二光纖F-P壓力探頭(2)、第三光纖F-P壓力探頭(3)三者測量的壓力數據P₁、P₂、P₃，即可計算得到管道內流速v及流向：

當P₁＝P₂＝P₃，則v＝0，管道內流體未流動；

當P₁>P₃>P₂，則自第一光纖F-P壓力探頭(1)流向第三光纖F-P壓力探頭(3)；

當P₃>P₁>P₂，則自第三光纖F-P壓力探頭(3)流向第一光纖F-P壓力探頭(1)；

Step7：計算出流體流速大小和方向后，可向外輸出流速大小和流體溫度的多參量數字信號，也可通過設定定值，當流速超過定值后輸出一對常開常閉接點的開關量信號，以供不同工業應用場合下的需要。