CN102587897B - 非浸入式井下光纤流量监测系统 - Google Patents

Abstract

一种非浸入式井下光纤流量监测系统，它包括利用光纤干涉仪测量相位变化并形成具有多个脉冲干涉信号的光路系统及与之相应的信号处理系统，还有与信号处理系统电连接的控制系统，仅将光路系统中传感器模块的传感光纤缠绕在油管外壁在不破坏原有系统流场的情况下进行多个管道流场流量的非浸入式监测。采用了基于管道振动测量原理光纤干涉原理，使用光纤干涉技术将振动加速度信号转化为光相位信号，探测器将光相位的变化转变为光强的变化，采用分时采样技术找出脉冲干涉信号与管道流场的对应关系，最后采用微分交叉相乘式相位载波技术解调出相应管道流场的相位信息，实现了流量监测。

Description

非浸入式井下光纤流量监测系统

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，尤其是非浸入式井下光纤流量监测领域。

背景技术

在油田领域，流量的测量可以为生产测井动态监测，为石油生产和传输特性提供极其重要的参数，井下具有高温、高压等十分恶劣的环境，传统的电子流量计易出现故障，而现有的光纤涡轮、涡街流量计是一种浸入式技术（如《分布式光纤流量测量装置与方法》发明专利），打破原有的系统流场，测量结果具有局限性。

《分布式光纤流量测量装置与方法》发明专利测试原理如下：

通过利用一根传感光纤将多个待测流场管道连接在一起，在每个流场里分别设置一个障碍物，流体遇到障碍物后将形成有规律的两列旋转方向相反的并排旋涡称为卡门旋涡。此旋涡频率与流速成正比，解调基于Φ-光时域发射计的干涉机理，干涉信号反映出传感光纤的感应振动频率，此传感光纤受旋涡冲力的作用而作受迫振动，传感光纤中的产生的后向散射光信号相位也就此振动调制，通过解调出旋涡频率，从而可求出流场的流速。

《分布式光纤流量测量装置与方法》发明专利不足之处：流量的测量必须要在流场里设置障碍物，打破原有的系统流场。采用散射原理，解调信号的信噪比较低，低流速难以测量准确。

发明内容

基于以上不足，本发明提出了非浸入式井下光纤流量计，主要是采用了基于管道振动的非浸入式测量原理和光纤干涉原理。

本发明的技术方案是：一种非浸入式井下光纤流量监测系统，它包括利用光纤干涉仪测量相位变化并形成具有脉冲干涉信号的光路系统及与之相应的信号处理系统，还有与信号处理系统电连接的控制系统，其特性是仅将光路系统中传感器模块的传感光纤缠绕在油管外壁在不破坏原有系统流场的情况下进行流量的非浸入式监测。

本方案的具体特点还有，所述光路系统包括光源驱动模块和与之连接的声光调制器模块，还包括将声光调制器模块和至少一个传感器模块连接在一起的光纤干涉仪模块，所述传感器模块包括传感光纤和与之两端连接的光纤光栅。

所述声光调制器模块将连续窄线宽激光调制为一定周期的脉冲光，送入到作为光纤干涉仪模块的马赫-曾德干涉仪有特定臂长差的两臂，形成两个脉冲激光，并进入n个传感器模块，经过n个传感器模块中的低反射率光栅的反射，最终在接收端形成与n个传感器模块相对应的脉冲干涉信号。

传感器模块的传感光纤长度为马赫-曾德干涉仪有特定臂长差的一半，传感光纤的长度范围为50m～200m。根据光纤干涉原理可知光纤长度越长，相位监测灵敏度越高，但是根据管壁振动测试理论是基于监测位置是近似一个点，缠绕在管壁管径是定值。光路系统使用声光调制器将连续激光调制为脉冲激光，并通过马赫曾德干涉仪实现信号的载波调制以及延时功能。载波调制是通过驱动相位调制器完成干涉信号的调制，延时功能通过特定的臂长差完成此功能，臂长差（ΔL）的计算是按照两路光在不同长度的光纤内传播的时间差（ΔT）来计算的，在本发明中，采用的时间差（ΔT）为1μs，根据长度、时间、光速（C）之间的关系ΔL =C×ΔT，其臂长差（ΔL）设定为210m。

传感光纤紧密缠绕在油管外侧，根据管壁振动测试理论是基于监测位置是近似一个点的理论，将传感单元设计为宽度为5cm,层数为3层，并在传感单元两端焊接光纤光栅构成流量传感器。

有n个传感器模块串联在一起，n≥2，具体结构是指第一个传感器模块需要在传感光纤前端连接第一光栅，在传感光纤后端端连接第二光栅，第二个传感器模块将传感光纤的前端与第二光栅连接，并在第二个传感器模块的传感光纤后端连接第三光栅，第三个传感器模块将传感光纤的前端与第三光栅连接，并在第三个传感器模块的传感光纤后端连接第四光栅，以此类推至第n个传感器模块。该光路系统能够同时检测多个流场流量。所述声光调制器模块将连续窄线宽激光调制为一定周期的脉冲光，送入到作为光纤干涉仪模块的马赫-曾德干涉仪有特定臂长差的两臂，形成两个脉冲激光，并进入传感器模块，经过n个传感器模块中的低反射率光栅的反射，最终在接收端形成与n个传感器模块相对应的脉冲干涉信号。

所述控制系统是指单片机控制模块C8051F410，单片机完成对声光调制器的控制、对信号采集模块的时分复用开关的控制以及完成用于相位调制的调制信号的控制功能。

所述的信号处理系统包括连通单片机控制模块和PGC解调模块的信号发生模块、与光路系统连接的信号接收模块，信号接收模块输出信号经信号采样模块送至PGC解调模块。

光源驱动模块，采用恒流驱动窄脉宽DFB模块的方式，其中光源采用EP1550-NLW-B系列100KHz线宽的DFB激光器。

使用微分交叉相乘式相位载波技术进行了相位解调。

所述发明涉及一种非浸入式光纤流量监测系统，利用管道振动测试原理和光纤干涉技术实现了流量的非浸入式监测。

所述发明的管道测量基本原理如下：

根据Pittard M.T的研究，流体分子到达管壁的时候,它们所具有的动能将有90%以上转化为压力的形式，即压力是流体与管壁传递能量的主要形式。

由Prashun关于圆管湍流研究,可知压力脉动和流速脉动成正比，即                                                                              （1）

而一个充满液体的管子可以简化为一维梁，有如下关系:

                   （2） 

式中,有V—剪切力；M—弯矩；—单位长度上的载荷函数。

结合工程力学一般公式：                          （3）                      

由梁的振动公式：

                      （4）

可知：

                         （5）             

    即管壁振动的加速度和压力脉动成正比。  

所述发明涉及光纤干涉原理如下：

光在光纤中传输时的相位取决于光纤波导的三个特性:总物理长度、折射率及其分布、光纤波导的横向几何尺寸。光通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为：

                                （6）             

其中n是光纤纤芯折射率，c是真空中光速，v是光频。显然，L、v及n的变化都将导致输出光相位的变化，由上面公式可知

                                    （7）

通常引起相位调制的物理因素可分为应力应变效应和温度效应。本发明利用液体流动时对管壁产生压力脉动，进而引起对管壁产生应力应变效应，最后导致相位发生变化，为了监测相位变化使用了如图2所示的光纤干涉技术，首先通过声光调制器将连续激光分为特定占空比的脉冲激光，在马赫-曾德干涉仪中，一臂通过相位调制器对激光进行角频率为的正弦信号的载波调制，另一臂设定一定长度的延时光纤，脉冲激光进入马赫-曾德干涉仪后，一路激光经过调制，一路激光进过延时，两路激光分时进入由传感光纤和光栅组成的传感器阵列，经过光栅的反射在接收端干涉形成脉冲序列，如图2所示，其具体原理如下：

1号脉冲信号在经过马赫-曾德干涉仪后形成两个脉冲信号（1号脉冲信号和2号脉冲信号），1号脉冲信号进入传感器经过第一光栅2，第二光栅4，第三光栅7，第四光栅10反射后在接收端信号形成脉冲序列1（1号脉冲信号、2ˊ号脉冲信号、3ˊ号脉冲信号和4ˊ号脉冲信号）；2号脉冲信号进入传感器经过第一光栅2，第二光栅4，第三光栅7，第四光栅10反射后在接收端信号形成脉冲序列2（2〞号脉冲信号、3〞号脉冲信号、4〞号脉冲信号和5号脉冲信号）；脉冲序列1和脉冲序列2在接收端干涉：2ˊ号脉冲信号和2〞号脉冲信号信号叠加形成脉冲序列的2号脉冲信号；3ˊ号脉冲信号3〞号脉冲信号3号脉冲信号；4ˊ号脉冲信号4〞号脉冲信号4号脉冲信号。其中2号干涉脉冲信号包含着第一个传感器（由第一光栅2，第一传感光纤3和第二光栅4组成）的传感信息；3号干涉脉冲信号包含着第二个传感器（第二传感光纤6和第三光栅7组成）的传感信息；3号干涉脉冲信号包含着第三个传感器（由第三传感光纤9和第四光栅10组成）的传感信息，经过分时采样第二个脉冲信号就可以得到其第一个传感器干涉信号为：

                                   （8）

式（8）中： Ccosω₀t是相位载波;φ( t) =Dcosω_st +Ψ(t)，Dcosω_st是待测传感器信号引起的相位变化,Ψ(t)是环境扰动等引起的初始相位的缓慢变化。

所述发明涉及流量传感器，每一个待测流场对应一个流量传感器，传感器中的传感光纤长度是至关重要的参数，根据光纤干涉原理可知长度越长，相位监测灵敏度越高，但是根据管壁振动测试理论是基于监测位置是近似一个点，缠绕在管壁外侧的传感光纤宽度不能大，故传感器传感光纤长度应具有一个平衡值，其具体长度大小要根据声光调制器调制出的脉冲宽度有关，在实际应用中脉冲宽度为1μ s，长度为105m,如图3所示，将105m的传感光纤紧密缠绕在油管外侧，形成宽度为5cm,层数为3层的传感单元，并在传感单元两端焊接光纤光栅构成流量传感器。流量传感器具有将感应到的振动加速度信号转化为光相位信号的功能，实现了流量—振动加速度—相位参数转化的监测，通过信号解调系统解调出相位信号进行反演运算即可求出流量信号。

所述非介入式光纤流量系统主要由利用光纤干涉仪测量相位变化并形成具有脉冲干涉信号的光路系统及与之相应的信号处理系统，还有与信号处理系统电连接的控制系统组成如图1所示。

所述光路系统主要由光源、声光调制器、光纤干涉仪以及传感器模块组成如图2所示。通过控制声光调制器可以将连续窄线宽激光调制为一定周期的脉冲光，一个脉冲激光经过马赫-曾德干涉仪的有特定臂长差的两臂，形成两个脉冲激光，并进入传感器模块，经过传感器模块中的低反射率光栅的反射，最终在接收端形成一系列具有干涉信号的脉冲信号。

所述控制系统主要由单片机C8051F410组成，单片机完成对声光调制器的控制、对信号采集模块的时分复用开关的控制以及完成用于相位调制的调制信号的控制功能。

所述的信号处理系统主要由信号发生、接收、采样模块和PGC解调模块组成。信号发生模块产生调制频率为频率=2π*80KHz的载波信号作用在相位调制器中，引起所在一臂光纤长度、以及折射率的变化，致最后输出光波相位差随载波信号有规律的变化，并将传感器感应单元处的相位信号调制载波信号基频以及倍频附近，在从而实现相位调制。信号接收模块将相位信号转化为光强信号，进入信号采样模块，在信号采样模块中，接收控制系统的控制，完成对干涉信号的时分复用的采集处理，最后进入微分交叉相乘式PGC解调模块，微分交叉相乘式PGC解调模块采样PGC解调技术将光强信号解调出相位信息，在通过其与加速度之间的关系，进而求出与流量的关系。

本发明的有益效果是：所述发明涉及将管壁振动原理和光纤干涉原理应用到多个流场流量的非浸入式监测。流体分子到达管壁的时候,它们所具有的动能将有90%以上转化为压力的形式，即压力是流体与管壁传递能量的主要形式。流体流过管壁时产生动态压力，从而管壁振动加速度标准方差与平均流量之间具有一定的关系，将传感光纤缠绕在管壁外侧感应管壁振动加速度信号，使用光纤干涉技术将振动加速度信号转化为光相位信号，探测器将光相位的变化转变为光强的变化，采用分时采样技术找出脉冲干涉信号与管道流场的对应关系，最后采用微分交叉相乘式相位载波技术（PGC）解调出相应的相位信息，完成“相位—振动加速度—流量” 的反演计算，从而实现了非浸入式的流量监测。

附图说明

图1 非浸入式光纤流量监测系统框图；图2 非浸入式光纤流量监测系统光路干涉仪图；图3 单个传感器示意图；图4 两个传感器示意图；图5 迈克尔逊干涉方案1；图6 迈克尔逊干涉方案2；图7 改进型的迈克尔逊干涉方案1；图8 改进型的迈克尔逊干涉方案2；图9 光源驱动模块电路图；图10 信号接收采集模块电路图；图11 信号滤波模块电路图；图12 微分交叉相乘式PGC解调模块信号流程图；图13 微分交叉相乘式PGC解调乘法器电路图；图14 微分交叉相乘式PGC解调低通滤波电路图；图15 微分交叉相乘式PGC解调微分电路图；图16微分交叉相乘式 PGC解调积分电路图；图17 微分交叉相乘式PGC解调高通滤波电路图；图18 反正切PGC解调模块信号流程图；图19 33耦合器相位解调模块光路原理图；图20 33耦合器相位解调模块信号运算法则图；图21信号发生模块电路图；图22控制模块电路图；图23是三个传感器示意图；图24 第一油管流量与光强关系图；25 第二油管流量与光强关系图。

图中：1-第一油管；2-第一光栅；3-第一传感光纤；4-第二光栅；5-第二油管；6-第二传感光纤7-第三光栅；8-第三油管；9-第三传感光纤10-第四光栅。

具体实施方案

具体实施方案如下：

实施例1：光源驱动模块如图10所示，U3（ADR420）的管脚6为DFB激光器提供一个稳定的恒流驱动，U1（LTC1923）为DFB激光器提供精准的温度控制，DFB模块采用EP1550-NLW-B系列100KHz线宽的DFB激光器。

光源发出连续窄带激光，经过声光调制器后变为具有占空比为1:9的脉冲激光信号，脉冲激光信号进入马赫-曾德干涉仪的两个光纤臂，一个臂的脉冲信号延时1μs，另一个臂的脉冲信号调制为角频率=2π*80KHz的脉冲信号，两臂信号在马赫-曾德干涉仪的后端形成两个脉冲信号，进入到传感器中，经过传感器的光栅发射使得脉冲信号在接收端形成脉冲序列，根据上述光纤干涉原理可知：传感信号包含在脉冲序列中。

传感器模块的制作如图3所示，本系统中单一管道流量监测脉冲宽度选择为1μs，其传感器模块的传感光纤长度设定为105m，以便产生1μs的延时。将105m的传感光纤按照每层5cm宽的原则均匀紧密缠绕在第一油管1的管壁外侧形成第一传感光纤3，在第一传感光纤3两端串入两个低反射率的光纤光栅，传感器模块前端接入如图2所示的光路系统的干涉仪内。如果监测两个油管内的流体流量如图4所示，按照上述光纤干涉原理，第一油管1传感器与单一管道流量监测一致，第二油管5的传感光纤长度按照时间延时的方法确定，其中1μs的延时包括传输光纤（第二光栅4到第二传感光纤6之间的光纤）和第二传感光纤6两部分的时间和。缠绕方法与单一管道流量监测一致，并在第二传感光纤6后面串入第三光栅7，第二油管5的第二传感光纤6前端与第一油管1的第二光栅4进行串联，如果监测三个管道流体流量如图23所示，前面第一油管1和第二油管2的传感器连接与图4一致，另外需要第三油管8中的第三传感光纤9后面串入第四光栅10，第三油管8的第三传感光纤9前端与第二油管5的第三光栅7进行串联，更多管道流场的监测依次类推。

信号接收、采集模块如图10所示，激光经过传感器的光栅发射使得脉冲信号在接收端形成脉冲序列，由D1（光电探测器）转化为相应的电信号，经过C74进入U8（ADG504），单片机C8051F410通过控制U8管脚14,15,16,17,18完成对接收信号的分时采样处理，然后进入图11所示的信号滤波模块，为下一步PGC解调做好准备。

经过图11所示的信号滤波之后的干涉信号进入微分交叉相乘式PGC解调模块，分别与载波频率的基频、二倍频信号相乘，进入如图12所示的信号流程，解调出响应的传感器相位信息，其主要包括由乘法器，低通滤波，微分、积分模块组成。乘法器如图13所示，主要是由U10（MC1959）完成乘法功能，信号分别通过U10的管脚4,9进入U10,完成乘法运算，信号由U10的管脚2,14输出至U11A（OPA2604）的管脚2,3进行差分运算后在U11A的管脚1输出最终的乘法运算结果。低通滤波模块如图14所示，主要是由U12（OPA2604）和U13（OPA2604）构成，乘法器运算后的信号结果由U12的管脚5,6进入，经过滤波处理最后由U13的管脚7输出。微分模块如图15所示，信号进入到U14（OPA2604）的管脚2,3进行微分运算，在管脚7输出微分后的信号，积分模块如图16所示，信号进入U15（OPA2604）的管脚5,6进行积分运算，由U15的管脚1输出，高通滤波模块如图17所示 ，主要是由U16（OPA2604）和U17（OPA2604）构成，乘法器运算后的信号结果由U16的管脚5,6进入，经过滤波处理最后由U17的管脚1输出，即可求解出相应的相位信息。

干涉信号的相位解调方案也可以采用图18所示的反正切式PGC解调模块，与图13不同之处是干涉信号经过交叉相乘、低通滤波后没有进行微分交叉相乘，而是进行了相除、反正切运算，求解出相应的相位信息。

干涉信号的相位解调方案也可以采用图19所示的33耦合器相位解调模块，与图12、图13不同之处是需要33耦合器和3个探测器分别接受干涉信号，三路干涉信号I₁、I₂、I₃进行图21所示的信号运算后即可求解出相应的相位信息。

信号发生模块如图21所示，控制系统的单片机C8051F410控制U4（AD9833）的管脚6,7,8使U4的管脚10产生80KHz的正弦信号作为载波信号，驱动相位调制器完成相位调制功能。

控制模块如图22所示，是由U9（C8051F410）完成控制工作的，通过管脚13输出脉冲信号控制声光调制器完成对连续激光的脉冲取样功能；通过管脚14,15,16与图7中U4（AD9833）的管脚6,7,8连接，控制U4完成信号输出功能；通过管脚17,18,19,20,21控制图8中U8（ADG504），完成分时采样功能。

实施1采用上述的传感器模块组合（光栅和传感光纤的组合）能够完成多个管道流场流量，多个传感器的制作如图23所示，不能简单的按照图3所示的单个传感器串联，否则按照光纤干涉原理形成不了规则的含有传感器信号的干涉脉冲序列。图24，图25是把第一油管和第二油管设置在同一个流场内的不同位置的流量测量数据，横坐标是表征管壁振动信号的光强信号，纵坐标是流量，通过PGC解调出的表征管壁振动信号的光强信号，求解出想对应的流量大小，根据测量数据显示，此方案很好的完成了多个流场流量的监测。

实施例2 是监测单个管道内流体流量，与实施例1不同之处采用如图5所示的连续激光器的方案。传感器模块的制作与脉冲激光检测方案一致，采用麦克尔逊干涉仪，在传感光纤的后面接入法拉第旋转镜，此方案只能监测一个管道内的流量，法拉第旋转镜不能适应高温高压，只能应用在地面环境。

实施例3是监测单个管道内流体流量，与实施例2不同之处是采用如图6所示的连续激光器的方案，将法拉第旋转镜换为全反射光栅，此方案只能监测一个管道内的流量，因为全反射光栅能够适应油井下高温高压环境，所以此方案可以满足井下要求。

实施例4是监测单个管道内流体流量，与实施例1不同之处采用如图7所示的连续激光器的方案。此方案是改进后的迈克尔逊干涉仪，其不同之处：在传感光纤的后面接入全反射光栅，传感光纤直接接入迈克尔逊干涉仪的感应臂，调制信号加载在迈克尔逊干涉仪的参考臂上，迈克尔逊干涉信号进入信号解调模块。此方案只能监测一个管道内的流量，光路较其他方案稍复杂，可以满足井下要求。

实施例5是监测单个管道内流体流量，与实施例4不同之处可以采用如图9所示的连续激光器的方案，将全反射光栅改为法拉第旋转镜。此方案只能监测一个管道内的流量，光路较其他方案稍复杂，法拉第旋转镜不能适应高温高压，只能应用在地面环境。

Claims (7)

1.一种非浸入式井下光纤流量监测系统，它包括利用光纤干涉仪测量相位变化并形成具有脉冲干涉信号的光路系统及与之相应的信号处理系统，还有与信号处理系统电连接的控制系统，其特征是仅将光路系统中传感器模块的传感光纤缠绕在油管外壁，在不破坏原有系统流场的情况下进行流量的非浸入式监测；所述光路系统包括光源驱动模块和与之连接的声光调制器模块，还包括将声光调制器模块和至少一个传感器模块连接在一起的光纤干涉仪模块，所述传感器模块包括传感光纤和与之两端连接的光纤光栅；所述声光调制器模块将连续窄线宽激光调制为一定周期的脉冲光，送入到作为光纤干涉仪模块的马赫-曾德干涉仪有特定臂长差的两臂，形成两个脉冲激光，并进入传感器模块，经过传感器模块中的低反射率光栅的反射，最终在接收端形成一系列具有干涉信号的脉冲信号；传感器模块的传感光纤长度为马赫-曾德干涉仪有特定臂长差的一半，传感光纤的长度范围为50m～200m。

2.根据权利要求1所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是传感光纤紧密缠绕在油管外侧，宽度为5cm，层数为3层，并在传感单元两端焊接光纤光栅构成流量传感器。

3.根据权利要求2所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是有n个传感器模块串联在一起，n≥2，具体结构是指第一个传感器模块需要在传感光纤前端连接第一光栅，在传感光纤后端连接第二光栅，第二个传感器模块将传感光纤的前端与第二光栅连接，并在第二个传感器模块的传感光纤后端连接第三光栅，第三个传感器模块将传感光纤的前端与第三光栅连接，并在第三个传感器模块的传感光纤后端连接第四光栅，以此类推至第n个传感器模块。

4.根据权利要求1所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是所述控制系统是指单片机控制模块C8051F410，单片机完成对声光调制器的控制、对信号采集模块的时分复用开关的控制以及完成用于相位调制的调制信号的控制功能。

5.根据权利要求1所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是所述的信号处理系统包括连通单片机控制模块和PGC解调模块的信号发生模块、与光路系统连接的信号接收模块，信号接收模块输出信号经信号采样模块送至PGC解调模块。

6.根据权利要求2所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是光源驱动模块，采用恒流驱动窄脉宽DFB模块的方式，其中光源采用EP1550-NLW-B系列100KHz线宽的DFB激光器。

7.根据权利要求1所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是使用微分交叉相乘式相位载波技术进行了相位解调。