陳少華 郝 赫 冷文秀 童崢嶸 李 燕
(1中國(guó)石油大學(xué)(北京)理學(xué)院,北京 102249; 2中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣光學(xué)探測(cè)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(shí)準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)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(chǔ)運(yùn)和維護(hù)的過程中常常會(huì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)定方法》(標(biāo)號(hào):GB/T 12474—2008)對(duì)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(huì)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(huì)降低[2],所以成品油揮發(fā)氣體的溫度檢測(cè)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(cè)量,并分析了其用于油品揮發(fā)氣體溫度傳感測(cè)量的可行性。
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(tái)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(cè)油品放入玻璃小瓶中,在空氣中靜置一段時(shí)間,待小瓶?jī)?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(zhǎng)范圍:1520~1600nm),光譜測(cè)量采用Agilent公司的86140A型光譜分析儀 (波長(zhǎng)測(cè)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
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(shí),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(shí)的光柵稱為腐蝕光纖光柵。其反射中心波長(zhǎng)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(duì)反射波長(zhǎng)的影響。將式(1)兩側(cè)對(duì)T求導(dǎo),并整理得
λB=ξ+αλB
(2)
(3)
式中,KT稱為溫度—波長(zhǎng)傳感系數(shù),簡(jiǎn)稱溫度靈敏度。
考慮到熱膨脹系數(shù)較熱光系數(shù)小一個(gè)量級(jí),故可以忽略熱膨脹引起的波長(zhǎng)漂移,并將(2)、(3)兩式聯(lián)立
(4)
對(duì)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(duì)纖芯模的影響可以忽略。對(duì)于腐蝕FBG,由于倏逝波的影響,纖芯模的熱光系數(shù)不僅會(huì)隨溫度改變,還會(huì)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(shí),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(duì)應(yīng)腐蝕前后的η值,其變化量可表示為Δη=|η1-η2|。考慮腐蝕前為普通光柵,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(chǎng),即Δη<1,腐蝕光柵的溫度靈敏度會(huì)小于普通光柵,且耦合至包層的倏逝波越多,靈敏度會(huì)越高。但Δη無(wú)法求解析解,只能求數(shù)值解。
待測(cè)氣體分別為空氣、汽油和柴油揮發(fā)氣體。測(cè)量時(shí),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(shí),測(cè)量光柵波長(zhǎng)的漂移情況。為了縮短測(cè)量時(shí)間和減小實(shí)驗(yàn)誤差,僅對(duì)25℃、30℃、35℃、40℃和45℃這5個(gè)溫度的光柵中心波長(zhǎng)進(jìn)行多次等精度重復(fù)測(cè)量,而其他溫度進(jìn)行的是單次測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波長(zhǎng)漂移曲線如圖3所示。
圖3 待測(cè)氣體的波長(zhǎng)漂移實(shí)驗(yàn)曲線
由圖3可以看出,波長(zhǎng)呈現(xiàn)出階梯狀的變化,這與溫度階梯狀的變化趨勢(shì)一致。波長(zhǎng)增加的曲線部分對(duì)應(yīng)溫度上升過程,而平坦的階梯表面,分別對(duì)應(yīng)上述5個(gè)溫度的光柵波長(zhǎng)。對(duì)其求平均值,并作為波長(zhǎng)測(cè)量值,記錄在表1中。
由表1的結(jié)果,可以得到溫度變化時(shí),空氣、汽油和柴油揮發(fā)氣體波長(zhǎng)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(zhǎng)均向長(zhǎng)波漂移。對(duì)測(cè)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(shí),中心波長(zhǎng)的測(cè)量值
圖4表明,3種氣體的波長(zhǎng)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(cè)量。同時(shí),空氣、汽油和柴油氣體的靈敏度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),具體原因?qū)⒃谙鹿?jié)詳細(xì)討論。
圖4 光柵反射波長(zhǎng)的溫度漂移曲線
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(duì)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(duì)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(cè)介質(zhì)無(wú)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(huì)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(duì)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(shí),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(duì)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(shí),氣體的折射率遠(yuǎn)小于固體石英,故對(duì)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(duì)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(cè)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(shì)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(duì)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。
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(shí),氫氟酸濃度和腐蝕時(shí)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(dòng)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(cè)量精度為0.001nm,最后一位是估讀,在計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。為此,在所有測(cè)量溫度,我們進(jìn)行了10次等精度測(cè)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(zhǎng)波動(dòng),這部分誤差在上述等精度測(cè)量過程中也可以得到消除。
利用FBG倏逝波傳感器,對(duì)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(duì)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(shí)只需將FBG直接置于所測(cè)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(cè)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(cè)量需要的。
致謝: 感謝國(guó)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(guó)石油大學(xué)(北京)優(yōu)秀青年教師研究項(xiàng)目(2462015YQ0603)對(duì)本文研究的支持。
[1] 李銀昌,杜楊,梁建軍,等.環(huán)境溫度對(duì)汽油蒸汽爆炸下限的影響[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2013, 29(2): 30-34.
Li Yinchang, Du Yang, Liang Jianjun, et al. Effects of environmental temperature on the lower explosive limit of gasoline-air mixture[J]. Journal of Logistical Engineering University, 2013, 29(2): 30-34. (in Chinese)
[2] 王建, 黃偉, 顧海濤,等.基于TDLAS的氣體溫度測(cè)量[J]. 光電子·激光,2006, 17(10): 1233-1237.
Wang Jian, Huang Wei, Gu Haitao, et al. Gas temperature measurement based on TDLAS[J]. Journal of Optoelectronics·laser, 2006, 17(10): 1233-1237. (in Chinese)
[3] Lee S, Simarjeet S Lee, Jeong M. Simultaneous measurement of refractive index, temperature, and strain using etched-core fiber Bragg grating sensors[J]. IEEE photonics Technology Letters, 2010, 22(19): 1431-1435.
[4] 桑新柱,余重秀,顏玢玢,等. 基于光纖布拉格光柵的化學(xué)傳感器[J]. 光學(xué)精密工程,2006, 14(5): 771-774.
Sang Xinzhu, Yu Chongxiu, Yan Binbin, et al. Chemical sensor based on a fiber Bragg grating[J]. Optics and Precision Engineering,2006, 14(5): 771-774. (in Chinese)
[5] 袁海龍.腐蝕型光纖光柵在液體介質(zhì)中的反射譜特性研究[D].南京:南京郵電大學(xué),2014.
[6] 黃德翼,趙明富,羅彬彬,等. 基于光纖Bragg光柵的微生物生長(zhǎng)過程檢測(cè)研究[J]. 壓電與聲光,2011, 33(5): 725-728.
Huang Deyi, Zhao Mingfu, Luo Binbin, et al. Detection of microorganisms growth process based on fiberBragg grating[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics, 2011, 33(5): 725-728. (in Chinese)
[7] 曹雪梅.倏逝波光纖Bragg光柵傳感器理論及應(yīng)用研究[D].重慶:重慶理工大學(xué),2012.
[8] Pereira D. A, Fraza O, Santos J, Fiber Bragg grating sensing system for simultaneous measurement of salinity and temperature[J]. Optical Engineering, 2004, 43(2): 299-304.
[9] 羅彬彬. 光纖Bragg光柵傳感技術(shù)及其生化傳感應(yīng)用研究[D]. 成都:電子科技大學(xué),2012.