[发明专利]检测良透光性流体参数的光学计量装置及方法

说明书

本发明公开了一种检测良透光性流体参数的光学计量装置及方法，属于管道中流体计量领域，装置包括：用于流过良透光性流体的管道；干涉光束生成模块，生成干涉光束并输出；光学发射端，对干涉光束依次进行分光、聚焦处理，并在管道的中心线处汇聚形成两个焦点；光学接收端，从管道射出的光束中分离出未经散射的光束；信号处理电子模块，将未经散射的光束与基准光信号相减，得到良透光性流体的频谱，基准光信号为管道空载时光学接收端分离出的光束；信号处理电子模块还根据频谱与流体成分、流体浓度、流体温度和管内压强之间的关系式，计算流体成分、流体浓度、流体温度、管内压强中的一个或多个。实现多参数测量，从而实现设备小型化。

技术领域

本发明属于管道中流体计量领域，更具体地，涉及一种检测良透光性流体参数的光学计量装置及方法。

背景技术

流体流量计量是排放监测、化工行业、油气行业、能源供应等行业的关键技术之一，涉及流速和浓度这两个关键参数的测量。管道中流体流速测量方法相对成熟，其中，基于光学原理的测量方法在稳定性、大动态范围的流速变化测量、精度等方面都更具优势。光学方法针对具有较好透光性的流体，如二氧化碳等温室气体，基本类别有基于微粒散射、星闪效应等。

针对管道中流体浓度测量的方法比较缺乏，现有方法需要对管道流体进行采集，然后利用独立的成分分析设备进行浓度测量。流体浓度测量的相关设备有奥氏气体分析仪、电导分析仪、电位电极分析仪、热导分析仪、红外气体分析仪、气相色谱分析仪等。此类方法成本较高，多数需要进行分析样本制作，难以实现长期在线测量。另一类方法利用气敏材料制作气体传感器进行成分及浓度测量。例如某些金属氧化物、导电性复合材料、碳纳米管等材料的导电特性、振动频率、温度等物理特性会受到特定气体的调制，从而实现对特定气体的浓度测量。但这些传感器只对特定的气体敏感，通用性较差。

现有测量浓度的装置和方法较为复杂，且成本高，适用范围小。当前多数流量计方法都只是测量已知浓度的流体的流速，对于未知浓度的流体误差极大，为了精确测量这两个参数，现有方法均为采用两套装置分别测量流速和目标物质的浓度，成本高且测量方式复杂。除此之外，如果还需要测量温度、压强等信息，还需要对相应参数设置额外的测量模块，限制了系统小型化、可靠性和成本。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种检测良透光性流体参数的光学计量装置及方法，其目的在于同时实现流体成分、流体浓度、流体温度、管内压强以及流速多参数测量，实现设备小型化。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种检测良透光性流体参数的光学计量装置，包括：管道，用于流过良透光性流体，两侧管道壁中设置有用于穿过光束的光学窗口；干涉光束生成模块，用于生成干涉光束并输出；光学发射端，用于对所述干涉光束生成模块输出的干涉光束依次进行分光、聚焦处理，聚焦后的光束通过两侧管道壁中的光学窗口穿过所述管道，并在所述管道的中心线处汇聚形成两个焦点，良透光性流体中的微粒经过各焦点时产生相同的散射；光学接收端，用于从所述管道射出的光束中分离出未经散射的光束；信号处理电子模块，用于将所述光学接收端分离出的未经散射的光束与基准光信号相减，得到良透光性流体的频谱，所述基准光信号为所述管道空载时所述光学接收端分离出的光束；所述信号处理电子模块还用于根据所述频谱与流体成分、流体浓度、流体温度和管内压强之间的关系式，计算流体成分、流体浓度、流体温度、管内压强中的一个或多个。

更进一步地，所述关系式为：

其中，表示N_X种流体分别在N_T个不同温度、N_P个不同压强下的成分频谱，N_F为谱内频点数；s_P为压强选择向量，s_T为温度选择向量；ρ为N_X种流体的浓度向量，浓度向量中值为0的浓度表示良透光性流体中不存在相应的流体成分；y为测得的频谱，||·|_l0为0-范数。