一种用于输油管道内油品检测的光学装置

技术领域

本发明属于光电检测领域，具体涉及一种能够实时检测输油管道内部输送产品类别的装置。

背景技术

管道输油技术具有运量大、运输成本低、经济效益好、土地利用率高、安全可靠、运输能源消耗少、可以适应各种复杂地形、地貌和气候条件等优点，是目前最重要的油品运输手段。最初每条成品油输油管道只输送一种油品，输送工艺比较简单，油品质量有保证，但这种方式效率很低，运行成本高，不能充分发挥管道输送的优势。因此，经过改进后，目前的成品油管道都采用顺序输送方法，在同一条管道内按一定时间顺序和批量连续输送不同种类的油品。采用连续输油工作方式，一定会造成不同油品之间的混叠，形成混油段，而混油的部分和成品油的物理和化学特性不同，不能使用，因此，必须要准确快速的测量出混油段，以及确定各个输油时间段内的油品，确保运送到目的地的成品油的质量。

由此看来，输油管道内油品类别检测技术是油品管道运输中一项非常重要的环节，是混油段检测和油品切割控制的必备条件，是成品油管道技术发展的关键技术。目前油品的检测方法主要包括密度法、示踪法、放射法、电容检测法、光谱色谱检测法等。密度法通过测量管道内油品的密度来获得油品参数，但该方法不能有效的检测检测出当密度差别小的油品。示踪法预先将不同的示踪剂溶解油品界面处，通过检测仪器对示踪剂进行检测，获得混油段位置，该方法不能用于荧光性强的油品。放射在将放射性溶液加入到油品界面中，混油段中放射性强，通过检测放射强度就可以确定油品的界面，该方法具有放射性，会损害人员健康。电容法通过测量油品的介电常数来检测油品，该方法受温度影响较大，测量精度较差。光谱分析法，通过油品的吸收光谱进行测量获得油品参数，该方法检测时间长、环境要求高，不太适合户外应用。

目前的油品测量方法都不能同时实现油品检测时间短、准确度高、成本低、环境宽容度大、实时检测、免维护等实际需求，需要这一种全新的方法来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术中不能同时实现油品检测时间短、准确度高、成本低、环境宽容度大、实时检测、免维护等的技术问题。本发明采用光学方法能够一次性解决输油管内油品检测的检测时间长、准确度低、成本高、不能实时检测、维护难度大的难题，实现油品的快速准确测量。本发明核心原理基于光在不同介质界面反射和介质折射率相关，不同油品具有不同的折射率，因此在光学界面上具有不同的反射率，通过测量反射光强就能够获得油品的折射率，从而获得油品的参数。原则上透镜折射率需要大于待测油品折射率，选择折射率尽可能高的玻璃更有利于提高检测分辨率，但是经过实验发现折射率提高会导致稳定性下降，测量的宽容度降低，因此，也不能选择过高的折射率，为了解决这组矛盾，本发明对透镜表面镀了一层反射膜，既保证激光信号的反射稳定性，也提高了透镜的折射率。

本发明提供了一种用于输油管道内油品检测的光学装置，包括半球透镜、光输入端光纤头、输出端光纤头和光纤光缆，所述半球透镜前面设有反射膜，光输入端光纤头和输出端光纤头周围设有光纤端头固定夹具，光输入端光纤头、输出端光纤头和光纤端头固定夹具的端面保证在同一平面内，光输入端光纤头和输出端光纤头一端和半球透镜固定连接，光输入端光纤头和输出端光纤头另外一端设有光纤光缆。

本发明中，光纤光缆远离半球透镜的一端设有FC接头、SC接头或ST接头。

本发明中，光输入端光纤头和输出端光纤头与光纤端头固定夹具之间设有光学胶。

本发明中，半球透镜和光纤端头固定夹具外设有金属固定杆，半球透镜和光纤端头固定夹具与金属固定杆之间设有胶水层。

本发明中，光输入端光纤头连接的光纤光缆为第一光纤光缆，第一光纤光缆远离光输入端光纤头设有激光发射器。

本发明中，输出端光纤头连接的光纤光缆为第二光纤光缆，第二光纤光缆远离输出端光纤头设有光电探测器。

本发明中，激光发射器采用LD或LED光源，光电探测器采用PIN管或者APD管。

本发明中，反射膜厚度为5～30μm，顶角角度为120～150°。

本发明的有益效果:

本发明提供的一种用于输油管道内油品检测的光学装置，实现了油品检测时间短、准确度高、成本低、环境宽容度大、实时检测、免维护等功能，结构简单，检测效利高，而且多级粘接工艺，使得光学装置结构稳定不易损坏。

附图说明

图1是本发明油品测量装置原理示意图。

图2是本发明光纤端头固定夹具截面图。

图3是本发明油品测量装置结构示意图。

图4为本发明装置进行发射光和接收光功率测量的过程图。

图5是探头放置在油中测试的过程图。

图1-3中：1-半球透镜、2-光输入端光纤头、3-输出端光纤头、4-光纤端头固定夹具、5-金属固定杆、6-第一光纤光缆、7-第二光纤光缆、8-激光发射器、9-光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图1-5和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但本发明的方法不限于下述实施例。

在本发明中，为了便于描述，对本发明中，各部件的相对位置关系的描述是根据附图1的布图方式来进行描述的，如：上、下、左、右等位置关系是依据附图1的布图方向来确定的。

本发明用到的半球透镜1、光输入端光纤头2、输出端光纤头3、光纤端头固定夹具4、金属固定杆5、第一光纤光缆6、第二光纤光缆7、激光发射器8、光电探测器9都能通过市场途径购买或者定制获得。

实施例一：本发明用于输油管道内油品检测的光学装置

本发明在半球透镜表面镀折射角大于待测油品折射率反射膜，反射膜厚度为5～30μm，顶角角度为120～150°。光输入端光纤头2和输出端光纤头3的表面和半球透镜1表面紧密连接，光输入端光纤头2和输出端光纤头3固定在光纤端头固定夹具4上，采用光学胶进行粘结。光输入端光纤头2和输出端光纤头3为金属管或陶瓷管，管内部插有传输光纤光缆，管芯直径比第一光纤光缆6和第二光纤光缆7直径和稍大，光纤插在管芯内部，采用光学胶粘结固定，端面磨平，保证光纤端面和套管表面在一个平面上。

光纤端头固定夹具4采用热膨胀系数较小的不锈钢材料制作，光纤端头固定夹具4的截面图如图2所示。光纤端头固定夹具4上开有2个安装孔，用于安装光输入端光纤头2和输出端光纤头3，光输入端光纤头2和输出端光纤头3通过光学胶和光纤端头固定夹具4粘结，光输入端光纤头2和输出端光纤头3的端面和光纤端头固定夹具4的端面通过机械加工保证在同一平面内。

金属固定杆5采用耐腐蚀的不锈钢材料制作。半球透镜1和光纤端头固定夹具4安装在金属固定杆5中，采用胶固定紧实，金属固定杆5留有安装孔，第一光纤光缆6和第二光纤光缆7穿过安装孔，采用胶进行粘结固定。

第一光纤光缆6和第二光纤光缆7采用单模或多模光纤，用于光纤信号的传输。第一光纤光缆6和第二光纤光缆7的一端分别和光输入端光纤头2和输出端光纤头3连接，和光输入端光纤头2和输出端光纤头3连接的部分去除光缆的外保护层，采用光学胶进行粘结固定。第一光纤光缆6和第二光纤光缆7的另一端做光纤接头，可以为FC接头、SC接头或ST接头，通过光纤法兰分别和激光发射器8和光电探测器9连接。

激光发射器8采用LD或LED光源，用于发射探测激光信号。光电探测器9采用PIN管或者APD管，用于将携带油品信息的光信号转为电信号。激光发射器8发射的激光通过第一光纤光缆6传输到光输入端光纤头2，通过光输入端光纤头2进入半球透镜1，光信号在半球透镜1中反射2次后部分光信号回到输出端光纤头3中，通过输出端光纤头3的激光进入第二光纤光缆7，在第二光纤光缆7中进行传输后到达光电探测器9，通过光电探测器9转换成电信号，通过电信号的分析获得油品参数。

实施例二：本发明用于输油管道内油品检测的光学装置应用

如说明书附图4-5所示，实验中采用的光源为850nm的激光器，探测器采用光电二极管，对光电转换的信号进行了电信号放大，所有测试都在恒温(30℃)和避光条件下进行。对研制的2组探头进行测试，在无延时光纤和延长光纤为2000m时的测试结果如下。

探头1和探头2的透镜折射率为1.87，对不同油品的测量结果如表1所示。可以看出信号幅度比较弱，尤其对于95#和92#汽油，信号幅度过小，导致测量误差较大。

表1折射率为1.87的探头测量结果

本发明中采用折射率为2.08的透镜研制了探头3和探头4。采用不镀膜的折射率为2.08透镜，回波信号幅度会有较大的晃动，为了改善信号幅度晃动，在透镜表面镀了相应的反射膜。对探头3和探头4测试结果如表2所示。可以看出，信号幅度大大提高，能够较为容易和准确的对样品进行检测和识别。

表2折射率为2.08的探头测量结果

从上述实验能够清楚得出，采用本发明反射膜厚度为5～30μm，顶角角度为120～150°的透镜对用于输油管道内油品检测的光学装置的检测精度和稳定性都有明显提升。

如上所述，即可较好地实现本发明，上述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。