阅读说明：本技术 一种用于热流体流量非接触式检测的方法和装置 (Method and device for non-contact detection of thermal fluid flow ) 是由 李晋 杨俊彤 张华� 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于光纤传感技术领域,尤其涉及一种用于热流体流量非接触式检测的方法和装置。该方法包括如下步骤：S1、将密封管道穿过加热单元和能量输出单元,在密封管道的外壁均匀安装多个温度传感器；S2、通入流体；S3、每个温度传感器获得温度数据,并将所述温度数据输入预先训练的神经网络模型,得到流体的流量信息；其中,所述预先训练的神经网络模型为基于预设历史时间段内的温度和对应的流体的流量信息,采用神经网络算法进行训练后的模型。该方法基于预先设定的模型,通过温度传感器测定流体温度,进而获得管道内流体的流量信息。(The invention belongs to the technical field of optical fiber sensing, and particularly relates to a method and a device for non-contact detection of thermal fluid flow. The method comprises the following steps: s1, enabling the sealed pipeline to penetrate through the heating unit and the energy output unit, and uniformly installing a plurality of temperature sensors on the outer wall of the sealed pipeline; s2, introducing fluid; s3, each temperature sensor obtains temperature data, and the temperature data is input into a pre-trained neural network model to obtain flow information of the fluid; the pre-trained neural network model is a model trained by adopting a neural network algorithm based on the temperature in a preset historical time period and the corresponding flow information of the fluid. The method is based on a preset model, and the temperature of the fluid is measured through a temperature sensor, so that the flow information of the fluid in the pipeline is obtained.)

一种用于热流体流量非接触式检测的方法和装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于热流体流量非接触式检测的方法和装置。

背景技术

核电站运行状态控制极为重要，高负荷运行存在巨大安全隐患，低标准运行则会导致发电效率急剧下降。核电站运行状态的调整主要依赖于一回路功率的精准测量，即可通过冷凝剂流量的测量直接得到。

然而，由于一回路的密封性要求较高，无法安装***式的流量计进行直接测量，对其功率的测量方式主要是通过间接采用主泵实测转速和额定转速的比值乘以额定流量换算出来。

在此过程中，流量系数还需要不定期地使用热平衡试验计算出的功率进行标定。基于上述间接方式的功率值测定过程复杂，并且一回路系统的辐照强烈，导致传统电学类传感器无法正常工作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种用于热流体流量非接触式检测的方法，基于预先设定的模型，通过温度传感器测定流体温度，进而获得管道内流体的流量信息。

(二)技术方案

本发明提供一种用于热流体流量非接触式检测的方法，包括如下步骤：

S1、将密封管道穿过加热单元和能量输出单元，在密封管道的外壁均匀安装多个温度传感器；

S2、通入流体；

S3、每个温度传感器获得温度数据，并将所述温度数据输入预先训练的神经网络模型，得到流体的流量信息；

其中，所述预先训练的神经网络模型为基于预设历史时间段内的温度和对应的流体的流量信息，采用神经网络算法进行训练后的模型。

进一步地，所述温度传感器由微纳米光纤、单模光纤和石英毛细管组成，所述石英毛细管两端开口，所述微纳米光纤和单模光纤固定在石英毛细管的内壁，所述微纳米光纤和单模光纤之间有间距，形成F-P腔。

进一步地，所述流体为气体、液体或气液混合的均质流体。

进一步地，所述温度传感器通过聚合物包埋和固定的方式安装在密封管道的外壁。

进一步地，所述加热单元为核反应堆或火焰单元。

本发明还提供一种基于上述用于热流体流量非接触式检测方法的装置，包括密封管道、加热单元和能量输出单元，所述密封管道穿过加热单元和能量输出单元，在密封管道的外壁均匀安装多个温度传感器，所述温度传感器由微纳米光纤、单模光纤和石英毛细管组成，所述石英毛细管两端开口，所述微纳米光纤和单模光纤固定在石英毛细管的内壁，所述微纳米光纤和单模光纤之间有间距，形成F-P腔。

进一步地，所述微纳米光纤和单模光纤的间距为35-45微米。

进一步地，所述微纳米光纤的直径为35-45微米，所述单模光纤的直径为120-130微米。

进一步地，所述温度传感器通过聚合物包埋和固定的方式安装在密封管道的外壁。

(三)有益效果

本发明提出的用于热流体流量非接触式检测的方法，可以检测管道外壁温度的梯度变化趋势，进而得到基于管道内流体流量变化引起的热传导分布特性，通过计算分析获得管道内流体的实时流量，可实现对密封管道内流体流量的非接触式实时监测。

本发明提出的用于热流体流量非接触式检测的装置，灵敏度高、测量结果准确。

附图说明

图1为本发明提供的用于热流体流量非接触式检测的方法的温度梯度变化曲线示意图；

图2为本发明提供的用于热流体流量非接触式检测的装置；

图3为本发明中温度传感器的结构示意图。

【附图标记说明】

1：密封管道；2：加热单元；3：能量输出单元；4：温度传感器；41：微纳米光纤；42：单模光纤。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明提供一种用于热流体流量非接触式检测的方法，包括如下步骤：

S1、将密封管道穿过加热单元和能量输出单元，在密封管道的外壁均匀安装多个温度传感器；

S2、通入流体；

S3、每个温度传感器获得温度数据，并将所述温度数据输入预先训练的神经网络模型，得到流体的流量信息；

其中，所述预先训练的神经网络模型为基于预设历史时间段内的温度和对应的流体的流量信息，采用神经网络算法进行训练后的模型。

进一步地，所述流体为气体、液体或气液混合的均质流体。

每个温度传感器检测到的温度会随着流体流量的变化而改变，该方法通过检测流体流动方向上管道的温度降低趋势，获得如图1所示的温度梯度变化曲线，通过分析该曲线的变化速率和趋势，计算获得对应的流体流量信息。

本发明还提供一种用于上述热流体流量非接触式检测方法的装置，如图2所示，中心部位带有箭头的闭合圆环指示流体的流动方向，包括：密封管道1、加热单元2和能量输出单元3，密封管道1穿过加热单元2和能量输出单元3。其中，密封管道1的材质为不锈钢或塑料，为中空的圆筒形结构，管道的直径大于5cm，管道的厚度为15-20cm，以满足温度传感器的安装和检测需要。加热单元2为核反应堆或火焰单元(利用火焰加热方式加热)，能量输出单元3用于管道内热量与外部连接单元的能量交换。

在密封管道1的管道外壁均匀安装多个温度传感器4，每个温度传感器4因流体流量的变化而检测到不同的温度。优选地，温度传感器4通过聚合物包埋和固定的方式安装在密封管道1的外壁。对于温度传感器的数量，可根据管道实际长度及检测需要设定，本发明不做限制。

进一步地，如图3所示，所述温度传感器4由微纳米光纤41、单模光纤42和石英毛细管组成，所述石英毛细管两端开口，微纳米光纤41和单模光纤42通过温敏材料PDMS(聚二甲基硅氧烷)固定在石英毛细管的内壁，微纳米光纤41的直径为35-45微米，单模光纤42的直径为120-130微米。微纳米光纤41的第一端面和单模光纤42的第一端面之间有35-45微米的间距，从而形成F-P腔，微纳米光纤41的第二端面和单模光纤42的第二端面分别与石英毛细管的两端平齐或略有凸出。

本发明中的温度传感器4可借助微纳米光纤激发高阶模式光信号，同时利用微纳米光纤和单模光纤之间形成的F-P腔进行选模，产生干涉效应，形成不同于传统F-P干涉的特征光谱。这种结构的设计可以降低信号光的解调难度，实现高精度的温度波动监测。以上参数可以根据温度传感工作范围和灵敏度的应用需要进行设定和制作。

检测原理

当流体在管道内流动时，会与周围环境进行热交换，热交换速率取决于管道内流体和外部环境的温度差，当流体流动速度较慢时，在流经相同长度管道过程中损失的热量较多，温度变化较大；而对于较快流体，相同长度的热量损失较少，因此可根据多个特定长度管道上温度的定点观测，来估算管道内流体流量的大小。

测量前，首先利用不同流量下温度的特征数据进行学习，完成传感器系统标定工作；实际测量时，管道内流量的变化会引起管道壁温度分布场的变化，通过将高灵敏度的温度传感器安装在管道系统的特定位置，可以实时检测温度的微小波动。根据不同检测点的温度测量值，可以绘制管道系统的温度梯度变化曲线，并对温度梯度变化曲线的神经网络算法分析，比对不同流量的曲线特征信息，最终获得流体的流量信息。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。