基于光纖光柵倏逝波傳感器的成品油揮發(fā)氣體溫度檢測

陳少華 郝 赫 冷文秀 童崢嶸 李 燕

(1中國石油大學(xué)(北京)理學(xué)院，北京 102249； 2中國石油大學(xué)(北京)油氣光學(xué)探測技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 3天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，天津 300384； 4邯鄲學(xué)院光電子器件與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056005)

在鋼鐵冶金、航空航天、石油化工、材料和電力等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，氣體溫度的實(shí)時準(zhǔn)確測量對生產(chǎn)工藝優(yōu)化、生產(chǎn)效率提高和安全生產(chǎn)等方面具有重要的意義[1]。特別在石油化工領(lǐng)域，安全尤為重要，因?yàn)楹芏嗍a(chǎn)品都具有易揮發(fā)，易燃，易爆等特點(diǎn)。例如，汽油在生產(chǎn)、儲運(yùn)和維護(hù)的過程中常常會揮發(fā)成氣態(tài)，遇到點(diǎn)火源極易發(fā)生爆炸，造成重大損失。國家標(biāo)準(zhǔn)《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法》(標(biāo)號：GB/T 12474—2008)對常溫常壓下可燃?xì)怏w和空氣的混合氣的爆炸條件下限進(jìn)行了闡述。而在實(shí)際過程中，這些條件會發(fā)生變化，因?yàn)槌善酚偷膿]發(fā)性氣體隨環(huán)境溫度的升高爆炸下限會降低[2]，所以成品油揮發(fā)氣體的溫度檢測具有重要的實(shí)際意義?？紤]到揮發(fā)性氣體的易燃、易爆特性，我們制作了FBG倏逝波即腐蝕光纖光柵傳感器，用于汽油和柴油揮發(fā)氣體溫度的傳感測量，并分析了其用于油品揮發(fā)氣體溫度傳感測量的可行性。

1 測量裝置及原理

1.1 傳感探頭的制作

用石蠟將FBG附著在塑料棒上(石蠟既能固定光纖光柵，又能防止柵區(qū)之外的光纖被腐蝕)，并用鐵架臺固定塑料棒[3,4]。取20%的氫氟酸溶液腐蝕柵區(qū)部分，為保證腐蝕均勻，容器底部加入磁性攪拌器。反射光譜啁啾前取出FBG，并用去離子水沖洗干凈，腐蝕過程結(jié)束。放大的腐蝕FBG和腐蝕裝置如圖1所示。

圖1 腐蝕裝置示意圖

抽取1ml待測油品放入玻璃小瓶中，在空氣中靜置一段時間，待小瓶內(nèi)充滿該油品的飽和氣體，插入制作好的FBG傳感器，并將氣瓶密封。按圖2連接光路。其中，寬帶光源為自行制作C+L波段的摻鉺光纖自發(fā)輻射譜光源(波長范圍：1520～1600nm)，光譜測量采用Agilent公司的86140A型光譜分析儀 (波長測量精度：0.001nm)，水浴鍋的控溫精度為±0.5℃。

圖2 實(shí)驗(yàn)光路示意圖

1.2 傳感原理

計(jì)算表明，當(dāng)FBG的包層半徑被腐蝕到小于纖芯半徑兩倍時，纖芯基模的部分能量將以倏逝波的形式泄露到外界介質(zhì)中，這時的光柵稱為腐蝕光纖光柵。其反射中心波長λB與普通光柵表達(dá)式相同[5]

λB=2neffΛ

(1)

其中，neff為纖芯模的有效折射率，Λ為柵格周期。

考慮溫度T對反射波長的影響。將式(1)兩側(cè)對T求導(dǎo)，并整理得

λB=ξ+αλB

(2)

(3)

式中，KT稱為溫度—波長傳感系數(shù)，簡稱溫度靈敏度。

考慮到熱膨脹系數(shù)較熱光系數(shù)小一個量級，故可以忽略熱膨脹引起的波長漂移，并將(2)、(3)兩式聯(lián)立

(4)

對于普通FBG，纖芯模集中在纖芯內(nèi)部傳輸，包層的熱光效應(yīng)對纖芯模的影響可以忽略。對于腐蝕FBG，由于倏逝波的影響，纖芯模的熱光系數(shù)不僅會隨溫度改變，還會受包層外介質(zhì)的影響。模擬計(jì)算表明，當(dāng)介質(zhì)折射率小于纖芯折射率時，隨折射率增加，耦合的倏逝波能量將增加[5,7]。

由倏逝波造成纖芯模有效折射率的變化量Δneff可表示為[8]

其中，nex和nc l分別為外界介質(zhì)和包層的折射率;Δn=nex-nc l表示腐蝕前后外層介質(zhì)的折射率差；η表示倏逝波能量占纖芯?？偰芰康谋壤?，也稱功率損耗因子[8,9]，而η1和η2分別對應(yīng)腐蝕前后的η值，其變化量可表示為Δη=|η1-η2|?？紤]腐蝕前為普通光柵，η1可視為零，而腐蝕后光柵半徑和外層介質(zhì)折射率恒定，故可認(rèn)為Δη為定值|η2|。

式(5)代入式(4)得

KT≈ξ·λBΔη

(8)

上式表明，由于存在倏逝波場，即Δη<1，腐蝕光柵的溫度靈敏度會小于普通光柵，且耦合至包層的倏逝波越多，靈敏度會越高。但Δη無法求解析解，只能求數(shù)值解。

2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

待測氣體分別為空氣、汽油和柴油揮發(fā)氣體。測量時，將封閉好氣體的玻璃小瓶放入水浴鍋的固定位置，并使水位線高于瓶身以保證瓶中的氣體溫度一致。氣體的溫度范圍為23～45℃時，測量光柵波長的漂移情況。為了縮短測量時間和減小實(shí)驗(yàn)誤差，僅對25℃、30℃、35℃、40℃和45℃這5個溫度的光柵中心波長進(jìn)行多次等精度重復(fù)測量，而其他溫度進(jìn)行的是單次測量。實(shí)驗(yàn)測得的波長漂移曲線如圖3所示。

圖3 待測氣體的波長漂移實(shí)驗(yàn)曲線

由圖3可以看出，波長呈現(xiàn)出階梯狀的變化，這與溫度階梯狀的變化趨勢一致。波長增加的曲線部分對應(yīng)溫度上升過程，而平坦的階梯表面，分別對應(yīng)上述5個溫度的光柵波長。對其求平均值，并作為波長測量值，記錄在表1中。

由表1的結(jié)果，可以得到溫度變化時，空氣、汽油和柴油揮發(fā)氣體波長漂移的實(shí)驗(yàn)曲線，如圖4所示?？梢钥闯?，隨著溫度增加，反射波長均向長波漂移。對測量值進(jìn)行線性擬合，得到溫度靈敏系數(shù)分別為 0.00717、0.00776、0.00862nm/℃，擬合度R2分別為：0.99422，0.99988和0.99992，擬合標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.00975，0.00153和0.00141。

表1 溫度改變時，中心波長的測量值

圖4表明，3種氣體的波長隨溫度變化均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，表明腐蝕光柵完全適于溫度傳感測量。同時，空氣、汽油和柴油氣體的靈敏度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，具體原因?qū)⒃谙鹿?jié)詳細(xì)討論。

圖4 光柵反射波長的溫度漂移曲線

3 討論與誤差分析

3.1 實(shí)驗(yàn)與理論對比

將熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)分別代入式(2)可以求出氣體的KT值，記為其理論值。結(jié)合圖4中3種氣體的實(shí)驗(yàn)值，由式(8)可以估算3種氣體對應(yīng)的Δη，一并列入表2中。

表2 光柵腐蝕前后，溫度傳感系數(shù)對比

由表2可以看出：

(1) 3種氣體溫度靈敏度的理論值相同，均為0.0135nm·℃-1。普通光柵中，包層厚度遠(yuǎn)大于纖芯的尺寸，纖芯模只局限在纖芯中傳輸，故溫度靈敏度與外界所測介質(zhì)無關(guān)；

(2) 腐蝕光柵溫度系數(shù)小于普通光柵的理論值。這是由于部分纖芯模已經(jīng)耦合至包層及外界介質(zhì)中，即Δη<1，故較普通光柵會出現(xiàn)明顯下降，這與式(8)的結(jié)論吻合。如有需要，可以采用金屬或其他材料對光柵進(jìn)行增敏封裝。

(3) 不同氣體靈敏度系數(shù)略有不同。柴油揮發(fā)氣體的最高，汽油次之，空氣最小。

腐蝕光柵中，包層厚度的減少，使纖芯模以倏逝波的形式耦合至包層和外界介質(zhì)中。同時，光柵反射的纖芯模能量減小，反射率明顯降低，且隨外界折射率增加，倏逝波能量損耗即Δη將越大。由式(8)可知，對應(yīng)的溫度靈敏度系數(shù)將越大。由于含有揮發(fā)的成品油分子，故柴油、汽油氣體的折射率大于空氣，而考慮液體柴油折射率大于汽油，故其揮發(fā)氣體的折射率也將稍大。同時，氣體的折射率遠(yuǎn)小于固體石英，故對于柴油和汽油揮發(fā)氣體、空氣，能量損耗因子Δη將依次減小，對應(yīng)的溫度靈敏度也將依次降低。由表2中KT的實(shí)驗(yàn)值可以預(yù)測3種氣體Δη的實(shí)驗(yàn)值分別為64.0%、57.7%和53.3%，與理論計(jì)算的趨勢完全一致。折射率不同的介質(zhì)靈敏度系數(shù)不同，有助于一定程度上對揮發(fā)氣體的種類進(jìn)行區(qū)分，這是腐蝕光柵溫度傳感的固有特性，也是選擇腐蝕，而不是普通FBG作為揮發(fā)氣體的溫度傳感探頭的原因。

3.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

為了保證光柵性能的重復(fù)性，所有光纖光柵均是同一批次刻寫在相同的光纖上，同時，氫氟酸濃度和腐蝕時間也始終保持相同量值，從而保證了腐蝕光柵具有一致的溫度傳感性能。

除了光柵以外，誤差的主要來源是光譜儀讀數(shù)誤差和光源光譜的波動造成的誤差。其中，前者是由于光譜儀的分辨率有限造成的，光譜儀的測量精度為0.001nm，最后一位是估讀，在計(jì)算時會產(chǎn)生一定的誤差。為此，在所有測量溫度，我們進(jìn)行了10次等精度測量并取其算術(shù)平均值，來消除光譜儀讀數(shù)所造成的誤差。后者是因?yàn)楣庠摧敵霾ㄐ蔚牟环€(wěn)定造成的波長波動，這部分誤差在上述等精度測量過程中也可以得到消除。

4 結(jié)論

利用FBG倏逝波傳感器，對空氣及柴油、汽油等成品油揮發(fā)氣體的溫度變化情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，該傳感器具有線性度高和容易定標(biāo)等特點(diǎn)。另外，氣體折射率不同，腐蝕光柵傳感器的靈敏度不同，于是在一定程度上可以對揮發(fā)氣體的種類進(jìn)行區(qū)分。最后，由于光柵屬于絕緣器件，使用時只需將FBG直接置于所測的氣體環(huán)境即可。如果在光柵表面蒸鍍合適的介質(zhì)薄膜，還可以進(jìn)一步提高溫度測量的靈敏度?？傊渴挪ㄐ虵BG傳感器是完全能夠滿足成品油揮發(fā)性氣體的溫度傳感測量需要的。

致謝: 感謝國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題(2013AA014203)、河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F2014109015)，和中國石油大學(xué)(北京)優(yōu)秀青年教師研究項(xiàng)目(2462015YQ0603)對本文研究的支持。

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