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基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:6156838閱讀:144來源:國知局
專利名稱:基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及光纖Bragg光柵傳感器,具體涉及基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)
以細菌為主體的微生物,在合適的環(huán)境條件下只要有附著生長的載體存在,就會在此載體表面形成微生物膜。人們通過人工強化技術(shù)將微生物膜引入到工業(yè)中的有機廢氣處理中,從而形成了生物膜式反應(yīng)器,其實質(zhì)是利用膜式反應(yīng)器內(nèi)微生物的生命活動將工業(yè)廢氣中的有機物甲苯、脂肪酸、乙醛等變成簡單的無機物C02和H^及細胞質(zhì)等。該技術(shù)中,人們最為關(guān)心的是膜式反應(yīng)器對有機廢氣的降解速率和效率。 總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于生物膜式反應(yīng)器對有機廢氣降解過程的理論和實驗方面的研究工作,可以得出結(jié)論生物膜式反應(yīng)器中可以動態(tài)控制、并能夠影響有機廢氣降解效率的熱物理參數(shù)包括有機廢氣的濃度場和速度場、循環(huán)液的濃度場和速度場、反應(yīng)器內(nèi)溫度場等。其中,反應(yīng)器內(nèi)的溫度場的測量至關(guān)重要,如果能夠?qū)崿F(xiàn)膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場的測量和場分布圖像的三維重建,不僅為觀察反應(yīng)器內(nèi)生物膜的生長環(huán)境條件提供有力的手段,還能為工業(yè)中膜式反應(yīng)器的過程優(yōu)化控制提供重要的參考數(shù)據(jù)。 目前, 一般使用熱電偶來測量反應(yīng)器內(nèi)的溫度,但是,熱電偶的體積較大,溫度精度較低,若做成熱電偶陣列的形式置于生物膜式反應(yīng)器內(nèi),由于尺寸的限制,很難獲得足夠多的、足夠精度的溫度數(shù)據(jù)點,因此,這種測量方法并不利于生物膜式反應(yīng)器內(nèi)的溫度場分布的重建。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述已有技術(shù)存在的缺陷,本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供測量精度高的基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng)。 為了解決上述技術(shù)問題,根據(jù)本發(fā)明的一個技術(shù)方案,一種基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng),包括支架、若干組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣,其特征在于 所述支架由主軸、上支撐桿、下支撐桿、固定桿構(gòu)成,所述上支撐桿沿徑向設(shè)置在主軸的頂部,上支撐桿之間互成120度,所述下支撐桿沿徑向設(shè)置在主軸的底部,下支撐桿分別與上支撐桿同向,在同向的上支撐桿和下支撐桿之間沿軸向設(shè)置固定桿;
每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣由M個光纖Bragg光柵溫度傳感器和一根光纖構(gòu)成,其中,M為大于等于2的自然數(shù),光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣能夠?qū)⒐庠窗l(fā)出的帶寬光源,分成多個波峰,每個波峰分別與傳感線陣中光纖Bragg光柵溫度傳感器的中心波長相對應(yīng);所述光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣分別固定在主軸和固定桿上,使光纖Bragg光柵溫度傳感器均勻的分布在生物膜反應(yīng)器填料床段的徑向和軸上,便于測量填料床段多層溫度分布情況,實現(xiàn)了膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場的測量和溫度場分布圖像的三維重建。 光纖Bragg光柵溫度傳感器是一種波長調(diào)制型的光纖傳感器,通過紫外曝光引起光纖局部的折射率呈周期性變化的一種光子器件。光纖Bragg光柵溫度傳感器可以利用自身的特征參量——諧振中心波長AB的變化量A AB與環(huán)境溫度T的變化量AT的線性關(guān)系來實現(xiàn)溫度的測量,即
A AB = a AT 式中,a為光纖Bragg光柵的溫度傳感系數(shù),單位為pm廣C,典型的未經(jīng)封裝的裸光纖Bragg光柵的a " 10pm/°C。光纖Bragg光柵做為溫度傳感器,具有絕對測量、溫度靈敏度高、溫度精度高、線性度良好、可復(fù)用性、形成空間陣列、抗電磁干擾、抗化學(xué)腐蝕、抗核輻射、不受光源強度波動影響等優(yōu)點,更重要的是,裸光纖Bragg光柵溫度傳感單元的長度最短可以做到lcm,且直徑典型值約為125um,是目前世界上體積最小的溫度傳感器,因此,把裸光纖Bragg光柵溫度傳感器做成陣列系統(tǒng)非常適合于生物膜式反應(yīng)器內(nèi)的溫度場分布的測量。 根據(jù)本發(fā)明所述的基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng)的一個優(yōu)選方案,所述每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣上的光纖Bragg光柵溫度傳感器諧振中心波長相距5nm 15nm。 由于標準的光纖Bragg光柵的諧振中心波長的半寬帶△ A 1/2 " lnm。在1550nm處的溫度靈敏度為10. 00pm廣C,當溫度從2(TC變到10(rC的過程中,其諧振中心波長"的變化量A A B不到lnm,因此,選用中心波長相距5nm 15nm的光纖傳感器陣列可避免傳感單元諧振中心波長A A B或A A BD重疊現(xiàn)象。 根據(jù)本發(fā)明所述的基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng)的一個優(yōu)選方案,設(shè)置在每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣上的相鄰光纖Bragg光柵溫度傳感器中心間隔50mm 200mm。 根據(jù)本發(fā)明所述的基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng)的一個優(yōu)選方案,設(shè)置在相同的上支撐桿和下支撐桿之間的相鄰固定桿之間的間距為30-50亂 根據(jù)本發(fā)明所述的基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng)的一個優(yōu)選方案,所述每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣上的光纖Bragg光柵溫度傳感器波長范圍從1510nm 1590nm。 本系統(tǒng)所采用的光纖光柵解調(diào)儀的有效波長范圍為1510nm 1590nm,所以所述每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣上的光纖Bragg光柵溫度傳感器波長范圍應(yīng)在所采用的光纖光柵解調(diào)儀的有效波長范圍內(nèi),能夠使光纖Bragg光柵溫度傳感陣列系統(tǒng)使用同一光源和同一解調(diào)儀。 本發(fā)明所述的基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng)的有益效果是,將光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣應(yīng)用到生物膜式反應(yīng)器內(nèi)的溫度場測量中,使光纖Bragg光柵溫度傳感器均勻的分布在生物膜反應(yīng)器填料床段的徑向和軸上,能夠測量填料床段多層溫度分布,實現(xiàn)了膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場的測量和溫度場分布圖像的三維重建;具有利用同一光源和同一解調(diào)儀在反應(yīng)器填料床段內(nèi)構(gòu)建多路傳感器陣列的特點,并且具有將光源發(fā)出的帶寬光源,分成多個波峰,每個波峰分別與傳感陣列中傳感單元的中心波長相對應(yīng)的特點,能夠提高溫度傳感器點陣密度,具有溫度測量的靈敏度高、精度高、適應(yīng)范圍廣、使用壽命長、傳感單元體積小等優(yōu)點,可廣泛應(yīng)用于生物、化工等行業(yè)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明。 圖1是本發(fā)明所述的支架結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明所述的光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣分布示意圖。 圖3是本發(fā)明所述的光纖Bragg光柵溫度傳感器安裝主視圖。 圖4是本發(fā)明所述的光纖Bragg光柵溫度傳感器安裝俯視圖。 圖5是光纖光柵解調(diào)儀與光纖Bragg光柵溫度傳感線陣連接示意圖。 圖6是實施例2中本發(fā)明測得反應(yīng)器填料床段徑向溫度分布圖。 圖7是實施例2中本發(fā)明測得反應(yīng)器填料床段軸向溫度分布圖。 圖8是實施例2中本發(fā)明測得反應(yīng)器填料床段徑向溫度分布圖。 圖9是實施例2中本發(fā)明測得反應(yīng)器填料床段軸向溫度分布圖。
具體實施例方式
實施例1 :參見圖1、圖2,基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng),由支架、若干組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣、光纖光柵解調(diào)儀構(gòu)成,其中,所述支架由主軸2、上支撐桿3A、3B、3C、下支撐桿4A、4B、4C、固定桿5A、5B、5C、5D、5E、5F構(gòu)成,所述上支撐桿3A、3B、3C沿水平方向設(shè)置在主軸2的頂部,上支撐桿3A、3B、3C之間互成120度,所述下支撐桿4A、4B、4C沿水平方向設(shè)置在主軸2的底部,下支撐桿4A、4B、4C分別與上支撐桿3A、3B、3C同向,在同向的上支撐桿和下支撐桿之間沿與主軸平行方向設(shè)置固定桿5A、5B、5C、5D、5E、5F;其中,支架可以選用有機玻璃材料,之所以采用有機玻璃是由于有機玻璃具有很小的導(dǎo)熱系數(shù),且具有良好的機械強度,便于光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣固定;設(shè)置在相同的上支撐桿和下支撐桿之間的相鄰固定桿5A與固定桿5B之間、固定桿5C與固定桿5D之間、固定桿5E與固定桿5F之間的間距為30-60mm ;每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣由M個光纖Bragg光柵溫度傳感器6和一根光纖1構(gòu)成,其中,M為大于等于2的自然數(shù),所述每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣上的光纖Bragg光柵溫度傳感器波長范圍從1510nm 1590nm ;所述光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣上的光纖Bragg光柵溫度傳感器諧振中心波長相距5nm 15nm ;所述光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣中相鄰Bragg光柵溫度傳感器6間隔50-200mm ;所述光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣分別固定在主軸2和固定桿5A、5B、5C、5D、5E、5F上。在主軸和固定桿上要放置光纖Bragg光柵單元的位置處設(shè)置長度為20 30mrn,深度為1. 5 2mm的凹槽7,光纖Bragg光柵傳感器6放置在主軸2和固定桿5A、 5B、 5C、 5D、 5E、 5F的凹槽7內(nèi),如圖3、圖4所示,在光纖Bragg光柵溫度傳感器6兩端大約2. 5mm處使用玻璃膠8粘貼固定在凹槽7邊緣。 在進行生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度的測量時,支架的結(jié)構(gòu)和尺寸以及光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣將依據(jù)填料床段的結(jié)構(gòu)和尺寸來確定。下面通過實施例2和實施例3加以說明。 實施例2 :在本實施例中,需要測量溫度的生物膜式反應(yīng)器的主體部分為圓柱形,內(nèi)直徑為400mm,填料床段的內(nèi)部高度為800mm,因此,采用主軸2高780mm、上支撐桿3A、3B、3C和下支撐桿4A、4B、4C的長度為180mm,支架采用有機玻璃材料,上支撐桿3A、3B、3C沿徑向設(shè)置在主軸2的頂部,上支撐桿3A、3B、3C之間互成120度,所述下支撐桿4A、4B、4C沿徑向設(shè)置在主軸2的底部,下支撐桿4A、4B、4C分別與上支撐桿3A、3B、3C同向,在每對同向的上支撐桿和下支撐桿之間沿軸向設(shè)置固定桿3根,固定桿的高度與主軸高度一致,也是780mm,其中 一根固定桿中心與填料床段的內(nèi)壁的距離為50mm,相鄰固定桿之間的中心間距為50mm,另一根固定桿中心與主軸的距離為50mm。 將9組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣分別固定在9根固定桿上,將1組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣固定在主軸2上. 每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣由10個Bragg光柵溫度傳感器和一根光纖構(gòu)成,每個Bragg光柵溫度傳感器的長度相等,大約為10mm,相鄰的Bragg光柵溫度傳感器的中心間隔大約為80mm,所述光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣上的光纖Bragg光柵溫度傳感器諧振中心波長相距8nm, 10個光纖Bragg光柵溫度傳感器諧振中心波長覆蓋1510nm 1582nm的波段范圍。 將支架和光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣放入生物膜式反應(yīng)器的填料床段內(nèi),按照圖5方式進行連接,其中,光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣通過3db耦合器14分別與光分路器12和光纖耦合器13連接,光分路器12接收寬帶激光光源10的入射光線,光纖耦合器13與光纖光柵解調(diào)儀11連接,光纖光柵解調(diào)儀11與計算機連接,在線測量每個溫度傳感單元的溫度大小。
測量數(shù)據(jù) 在氣-液兩相來流溫度均保持在恒溫條件下,采用傳感陣列對生物膜式反應(yīng)器掛膜啟動穩(wěn)定后填料床段的溫度測量數(shù)據(jù)圖6、圖7。 實驗研究表明,在生物膜式反應(yīng)器掛膜階段,已經(jīng)出現(xiàn)了溫度分布,且軸向溫差可
達5.05t:,徑向最大溫差可達2. irc。其原因是,由于反應(yīng)器內(nèi)填料陶瓷球、氣-液兩相流
分布不均,從而引起生物膜分布不均,生物膜代謝產(chǎn)熱不同,出現(xiàn)溫度分布現(xiàn)象。
實施例3 :在本實施例中,需要測量溫度的生物膜式反應(yīng)器的主體部分為圓柱形,內(nèi)直徑為240mm,填料床段的內(nèi)部高度為500mm,因此,采用主軸2高480mm、上支撐桿3A、3B、3C和下支撐桿4A、4B、4C的長度為110mm,支架采用有機玻璃材料,上支撐桿3A、3B、3C沿徑向設(shè)置在主軸2的頂部,上支撐桿3A、3B、3C之間互成120度,所述下支撐桿4A、4B、4C沿徑向設(shè)置在主軸2的底部,下支撐桿4A、4B、4C分別與上支撐桿3A、3B、3C同向,在每對同向的上支撐桿和下支撐桿之間沿軸向設(shè)置固定桿2根,固定桿的高度與主軸高度一致,也是480mm,其中一根固定桿與填料床段的內(nèi)壁的距離為40mm,另一根固定桿與主軸的距離為40mm,固定桿與固定桿之間的間距為40mm。 將6組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣分別固定在6根固定桿上,將1組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣固定在主軸2上. 每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣由5個Bragg光柵溫度傳感器和一根光纖構(gòu)成,每個Bragg光柵溫度傳感器的長度相等,大約為10mm,相鄰的Bragg光柵溫度傳感器中心的間距大約為lOOmm,所述光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣上的光纖Bragg光柵溫度傳感器諧振中心波長相距10nm, 5個光纖Bragg光柵溫度傳感器諧振中心波長覆蓋1530nm 1570nm的波段范圍,每組FBG溫度傳感線陣的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同。 將支架和光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣放入生物膜式反應(yīng)器的填料床段內(nèi),按照圖5方式進行連接,其中,光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣通過3db耦合器14分別與光分路器12和光纖耦合器13連接,光分路器12接收寬帶激光光源10的入射光線,光纖耦合器13與光纖光柵解調(diào)儀11連接,光纖光柵解調(diào)儀11與計算機連接,其中,光纖光柵解調(diào)儀11選擇美國MOI公司制作的光纖光柵解調(diào)儀SM125-500,該光柵解調(diào)儀能夠?qū)崟r解調(diào)FBG的諧振中心波長",選擇波長范圍1510nm 1590nm,波長精度lpm,掃描頻率lHz,4通道,對每個FBG的溫度信號探測精度《0. 1°C ,結(jié)合8通道光開關(guān)擴展模塊,可以同時探測8路FBG溫度傳感線陣。并能通過其配套的軟件系統(tǒng),在線測量每個溫度傳感單元的溫度大小。 實驗數(shù)據(jù) 在氣-液兩相來流溫度均保持在恒溫條件下,采用傳感陣列對生物膜式反應(yīng)器掛膜啟動穩(wěn)定后填料床段的溫度測量數(shù)據(jù)如圖8、圖9所示。 實驗研究表明,在生物膜式反應(yīng)器掛膜階段,已經(jīng)出現(xiàn)了溫度分布,且軸向溫差可
達2. 48t:,徑向最大溫差可達0. 75°C。其原因是,由于反應(yīng)器內(nèi)填料陶瓷球、氣_液兩相流
分布不均,從而引起生物膜分布不均,生物膜代謝產(chǎn)熱不同,出現(xiàn)溫度分布現(xiàn)象。 通過上述實施例說明本系統(tǒng)可實時在線的測量生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度變化情況,
將為工業(yè)中膜式反應(yīng)器的過程優(yōu)化控制提供重要的參考,對推動生物膜式反應(yīng)的測量方法
和技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。
權(quán)利要求
基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng),包括支架、若干組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣,其特征在于所述支架由主軸(2)、上支撐桿(3A、3B、3C)、下支撐桿(4A、4B、4C)、固定桿(5A、5B、5C、5D、5E、5F)構(gòu)成,所述上支撐桿(3A、3B、3C)沿徑向設(shè)置在主軸(2)的頂部,上支撐桿(3A、3B、3C)之間互成120度,所述下支撐桿(4A、4B、4C)沿徑向設(shè)置在主軸(2)的底部,下支撐桿(4A、4B、4C)分別與上支撐桿(3A、3B、3C)同向,在同向的上支撐桿和下支撐桿之間沿軸向設(shè)置固定桿(5A、5B、5C、5D、5E、5F);每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣由M個光纖Bragg光柵溫度傳感器(6)和一根光纖(1)構(gòu)成,其中,M為大于等于2的自然數(shù),所述光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣分別固定在主軸(2)和固定桿(5A、5B、5C、5D、5E、5F)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng),其特征在于所述光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣上的光纖Bragg光柵溫度傳感器諧振中心波長相距5nm 15nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng),其特征在于所述光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣中相鄰Bragg光柵溫度傳感器(6)間隔50-200mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng),其特征在于設(shè)置在相同的上支撐桿和下支撐桿之間的相鄰固定桿(5A、5B、5C、5D、5E、5F)之間的間距為30-60mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng),其特征在于所述每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣上的光纖Bragg光柵溫度傳感器波長范圍從1510nm 1590nm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于光纖Bragg光柵的生物膜式反應(yīng)器內(nèi)溫度場測量系統(tǒng),包括支架、若干組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣,其特征在于所述支架由主軸、上支撐桿、下支撐桿、固定桿構(gòu)成,所述上支撐桿沿徑向設(shè)置在主軸的頂部,上支撐桿之間互成120度,所述下支撐桿沿徑向設(shè)置在主軸的底部,下支撐桿分別與上支撐桿同向,在同向的上支撐桿和下支撐桿之間沿軸向設(shè)置固定桿;每組光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣由M個光纖Bragg光柵溫度傳感器和一根光纖構(gòu)成,所述光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣分別固定在主軸和固定桿上;本發(fā)明將光纖Bragg光柵溫度傳感器線陣應(yīng)用到生物膜式反應(yīng)器內(nèi)的溫度場測量中,能夠測量填料床段多層溫度分布數(shù)據(jù)。
文檔編號G01K11/32GK101710004SQ20091019186
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者曹陽, 羅彬彬, 胡新宇, 趙明富, 鐘年丙 申請人:重慶理工大學(xué)
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