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在交混试验中光纤浓度传感器的应用研究

2023-11-07 77 上传者：管理员

摘要：交混试验中通过特制电导电极系统监测盐溶液浓度的环节存在扰流、故障率高、测量精度低、温漂等问题，严重影响试验结果。本文针对该问题提出了基于光纤光栅的浓度温度传感器设计思路，通过聚酰亚胺敏感材料的膨胀特性实现光纤光栅测量浓度，应用对比参考法在解决浓度温漂的同时测量温度，梳理了传感器测量浓度温度的原理。此外，还对传感器的设计路线进行了阐述，包括被测量的获取、信号提取、解耦滤波、搭建上位机等，最后对传感器的应用前景进行了展望。理论上，该传感器具有抗电磁干扰、测量单元体积小、便于组网、实现多参数测量等优点，可解决当前交混试验中浓度测量问题。

关键词：
交混试验
光电技术
光纤浓度传感器
解耦滤波
设计路线
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光纤传感技术是光电技术领域最活跃的分支之一[1]，相比单一测量参量的传统传感器，光纤可以通过直接或间接测量不同参量，如温度、振动、压力、湿度、液位等[2]，不仅可以单点测量，还可以准分布式及分布式测量，实现多点多参数测量，因此广泛应用于各行各业，由于其具有传感结构体积小、抗电磁干扰、测量精度高、可远距离组网监测、可用于在恶劣条件下等特点在核电领域也有极强的应用前景[3]，如一回路流量、温度、压差、液位测量等。

1、交混试验中存在的测量问题

随着反应堆堆芯结构的改变，堆内冷却剂的流动特性也有所变化[4]，目前理论计算难以给出准确的堆内流动特性参数，为确保反应堆安全可靠的运行，根据我国核安全法规必须开展反应堆整体水力模拟试验研究，其试验结果是考核反应堆设计的主要指标之一，为改进及优化反应堆结构提供数据支持。

在反应堆热工水力试验中，为了确定在事故工况下（不同温度）冷却剂的分布情况，需要进行交混试验[5]。交混试验的目的是为了获得交混特性因子，试验的开展采用了示踪剂法，具体为：向去离子水中加入纯氯化钾，通过监测流经各个模拟组件的溶液浓度进而计算交混因子。目前，交混试验中氯化钾溶液浓度均通过特制电导电极（根据电导率仪探头传感器改装而来）测量系统测量电导率，结合温度计算浓度。整个测量系统共有N个（N为模拟组件个数）测量通道，每个通道由电导电极和放大隔离模块组成[6]。但在试验中，存在由温度漂移、电极探头被氯化钾腐蚀、介质沉积等增大测量误差的问题，为保证精度，试验人员需每日对电导电极进行校准，增加了试验负担。除此之外，随着试验时间延长，放大隔离模块的故障率上升，产生大量“坏点”（无实验数据），严重影响试验结果[6]，成为亟待解决的问题。

为改变电导电极不能满足交混试验中浓度测量需求的现状，考虑利用其它原理特制小型浓度计。除了电导式浓度计，当前市面上主流浓度计为光学式和电磁式，但二者均有缺点。光学式浓度计的测量原理是持续监测溶液的折光率，通过数学模型计算液体浓度，该原理基于接收到的光强度可随液体浓度的改变而变化，因此应用范围面较窄；而电磁式浓度计的测量原理是电磁感应，通过液体电导率与浓度的关系模型计算液体浓度，与电导式浓度计相比，它虽没有易被液体腐蚀的电极片，但由两个环形变压器和电测系统组成的它却体积较大，测量下限较高，微小浓度变化无法测量，此外，它的测量精度还受液体温度影响，不适合恶劣环境使用。传统浓度计均不能满足交混试验需求，因此考虑应用光纤传感器解决试验中存在的测量问题。

2、基于光纤的浓度传感器研究

因光纤传感器优点众多，考虑应用浓度光纤传感器于交混试验中，但目前国内外关于浓度光纤传感器的研究并不成熟，如灵敏度不足、不易重复使用、传感器测量精度不足且范围窄、结构复杂难以加工等，且为单一参数测量，因此为了满足交混试验的测量要求，有针对性的设计传感器。由于温度变化会产生测量误差，且温度也是试验关键参数，因此应设计可同时测量温度参数的光纤浓度传感器。

2.1浓度测量原理

根据交混试验特点，浓度测点与模拟组件个数一致，目前最多为177个，因此准分布式测量（通过级联多个光纤光栅实现）最适合。目前应用最广泛的是光纤布拉格光栅（光纤光栅阵列和基于干涉结构的阵列光纤传感系统），其可以实现双参量测量，能够满足浓度温度的同时监测，因此选用光纤布拉格光栅法。

光纤光栅对溶液浓度不敏感，为了实现浓度测量，可涂覆敏感材料聚酰亚胺于光栅表面。聚酰亚胺具有亲水性，盐度变化会刺激水从聚酰亚胺中析出，导致体积发生变化[7]，光栅跟随其体积变化产生形变，导致反射光中心波长偏移，进而测量浓度参数。

光纤光栅传感器测量参数本质为被测量变化引起反射光中心波长的偏移，偏移率如式（1）所示[8]:

式中：λB为反射光中心波长；ΔλB为中心波长偏移量；Pe为弹光系数；ε为轴向应变；α为热膨胀系数；ζ为热光系数；ΔT为温度改变量。

为同时测量浓度温度参量，应采用对比参考法，同一测点布置两个光栅，光栅A为裸光栅，光栅B覆盖聚酰亚胺。光栅A的反射光中心波长变化仅为温度变化导致，根据式（1）可计算温度变化ΔT，得到温度信号。由于温度变化也会改变聚酰亚胺体积，因此光栅B的反射光中心波长变化由浓度和温度共同作用引起，公式如式（2）所示：

式中：KT为聚酰亚胺的温度系数，KRH为聚酰亚胺的浓度系数，ΔY为浓度变化量。

由光栅A数据繁衍得到的温度变化带入式（2），即可得到浓度变化，完成浓度信号获取。该方法不仅提高了浓度测量精度（消除了温漂），还实现了浓度温度多参数的同时监测。

2.2传感器设计

传感器测量浓度、温度参数需要经过被测量获取、数据处理、信号繁衍等过程，如图1所示。

图1中(1)框内的过程为被测量的信号获取过程。浓度和温度参量通过直接和间接过程反映为光纤光栅的中心波长偏移，完成被测量变化到光信号变化的映射。光栅波长的偏移由聚酰亚胺体积变化和温度变化复合引起。(2)框内为被测量的信号繁衍过程。中心波长偏移量输入至解调仪，通过解耦滤波等算法完成对温度信号和浓度信号的解析。

实现基于光纤光栅的浓度温度传感器设计，首先应对传感关系进行建模。包括传感机理研究（光栅光谱的固有特性及传感特性），光纤光栅传感模型；聚酰亚胺与浓度关系模型；温度、浓度参量与光栅偏移关系模型；聚酰亚胺与光栅耦合关系模型；聚酰亚胺材料尺寸与传感特性模型；其次对传感器进行设计。包括传感结构；聚酰亚胺涂覆位置、几何参数；传感探头形状、尺寸、安装位置等；而后对温度及浓度信号进行采集，此环节也为传感器实现的重点和难点。由于存在流体流动干扰情况，多种参量相互交叉影响，为了准确提取温度和浓度信号，应进行解耦。但解耦仅可解析出参量信号，为了保证信号测量精度，还应通过波分复用和空分复用技术，建立传感网络，使用机器学习等手段结合傅里叶变换、小波变换等设计最佳滤波算法，提高信号测量精度。

完成上述工作后，为了方便监测及存储信号数据，应设计上位机界面及通信接口，完成人机交互设计。

最后对传感器进行动、静态性能测试，包括稳定性、灵敏度、重复性、线性度、测量误差（精度）等。实现过程如图2所示。

2.3传感器应用于交混试验

针对交混试验中N个模拟组件通道的溶液浓度测量，采取准分布式光纤光栅法。N个传感器探头获取N个通道的参数，通过数据处理后显示于上位机，实现浓度、温度参数实时监测。传感器应用于交混试验示意图如图3所示。

图1传感器测量信号过程

图2传感器实现过程

图3传感器应用于交混试验示意图

与传统电导电极相比，基于光纤光栅的浓度温度传感器具有实现浓度温度复合参量同时监测、传感器探头体积小，减小了传感器对流体流场影响，减少了介质沉积、直接监测浓度，不需要通过电导率公式换算、后端信号处理仅需要一台解调仪，而非N个转换模块，减小了故障率，解决了“坏点”问题等优点，提高了稳定性、通过对比优化滤波算法，可提高测量精度。因此理论上该传感器可解决传统电导电极测量存在的问题，是优化交混试验浓度监测的方案。

3、传感器应用前景

基于光纤光栅的浓度温度传感器由于具有探头体积小、抗电磁干扰、高灵敏度等特点，可替代传统浓度计进行水质的浓度检测，解决传统浓度计现存的问题。由于光纤光栅浓度温度传感器可以准分布式测量、浓度温度同时监测、浓度检测精度不受温度影响，因此更适用于海洋环境测量和船舶状态监测，如：安装于船体上可监测船舶是否发生泄漏；解决船舶电导率仪由于深海航行导致温漂进而引起精度降低的问题；构筑海洋表层温盐测量系统；检测舰船尾流信号；除此之外，海洋盐浓度高导致盐雾沉积率大，盐雾会造成舰船外壳及设备腐蚀，影响舰船寿命和可靠性及环境适应能力，因此可用该传感器监测海水含盐率和温度等，对舰船外部环境监测有重大作用。可见，光纤光栅浓度温度复合传感器仅在海洋环境测量方面就有广泛的应用前景，在整个水质检测行业中的前景更是不可估量。

4、结语

本文通过调研并总结交混试验中浓度测量存在的问题，提出基于光纤光栅的浓度温度传感器设计思路。利用聚酰亚胺敏感材料将浓度变化间接反映为中心波长变化，采用对比参考法实现浓度温度复合测量，搭建了传感器测量参量的路线，解析了传感器各阶段的实施过程，展望了传感器在海洋船舶及水质监测的应用前景。本文设计传感器的路线为下一阶段的实现提出了建议，基于当前光纤传感器的研究，该传感器的实现指日可待。

参考文献:

[1]宋祖荣,李晓洋,李懿轩,等光纤传感技术在核电站安全监测中的应用研究[J]量子光学学报, 2017,(3).

[2]向美琼,刘艳阳,青先国,等光纤传感技术在核电厂的应用研究[J].自动化仪表, 2019,(6).

[3]柴敬,刘奇,张渤,等基于聚酰亚胺的FBG湿度传感特性及细观特征研究[J].光电子激光, 2016,(3).

[4]汪春宇,彭帆,邢军,等.小型压水堆下腔室交混特性实验研究[J]核动力工程, 2021,(5).

[5]眭曦,朱勇辉,方颖,等反应堆压力容器下腔室交混特性的数值模拟方法研究[J].原子能科学技术, 2017.51(2).286~291.

[6]王盛,杨来生,李朋洲,等. CNP1000反应堆下空腔交混及压降试验研究[J]原子能科学技术, 2007 ,41(S):151~155.

[8]向光华,忽满利,乔学光,荣强周,马玥,徐琴芳,梁磊于聚酰亚胺材料的FBG湿度传感特性研究[J].光电子激光, 2012.(1).

文章来源:张文博,湛力,邱硕.光纤浓度传感器在交混试验的应用研究[J].中国仪器仪表,2023(06):79-82.