CN103335772A - 一种光纤Bragg光栅温度压力传感器 - Google Patents

一种光纤Bragg光栅温度压力传感器 Download PDF

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陈海峰
何苗
陈红丽
唐晓敏
刘淑芬
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Abstract

一种光纤Bragg光栅温度压力传感器。主要目的在于提供一种可适合在油气环境中完成对管道及井下温度、压力参数进行长期测量的传感元件。其特征在于：由保护管、压力转化管、挡板、支撑臂、1号传感光纤Bragg光栅以及2号传感光纤Bragg光栅构成；保护管设置进压口和管阀件；挡板与保护管中心轴线垂直；支撑臂的一端和保护管内壁紧密焊接，另一端悬空；压力转换管为中空的螺旋状，首端与进压口相连接后形成通路；1号光栅水平粘贴于支撑臂上，2号光栅固定于支撑臂和挡板之间。本种压力传感器能同时测量温度和压力信息，并能对测量结果进行温度补偿，灵敏度高、性能稳定，适合应用于石油石化行业中完成对油气井下温度、压力信息的监测。

Description

一种光纤Bragg光栅温度压力传感器
技术领域
 本发明涉及一种应用于石油石化行业中对油气管道和油气井下温度、压力参数进行监测的传感器件。
背景技术
 温度、压力监测是保证油气生产正常运行一个重要环节，目前国内各油田公司基本上都采用电子式仪器进行油气井下温度、压力参数动态监测。但是，经过长时间应用后发现，现在广泛使用于电子式压力、温度动态参数测量仪器中的传感器存在许多缺点：例如，现有的传感器难以适于长时间、高灵敏度的完成对油气井下温度、压力信息进行监测的工作；这些传感器中的电子部件容易产生“漂移”、仅能进行“偶尔”式测量、占用井场时间，容易污染环境；不易在海上和沙漠等艰苦环境施工。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种光纤Bragg光栅温度压力传感器，该种传感器结构简单，性能稳定、灵敏度高、使用寿命长，可同时测量温度、压力双参数，能有效解决温度-压力交叉敏感的问题，适合工作于油气井下及油气管道高温高压酸碱等恶劣环境中。
本发明的技术方案是：该种光纤Bragg光栅温度压力传感器，由保护管、压力转化管、挡板、支撑臂、1号传感光纤Bragg光栅以及2号传感光纤Bragg光栅构成；其中，所述保护管呈空心圆柱状，为不锈钢材质，所述保护管的一端设置进压口，另一端封闭，但设置有可引出传输光纤的管阀件；所述管阀件外连接有中空的不锈钢管；传输光纤通过管阀件从保护管中密封引出，传输光纤被引出后用中空不锈钢管密封保护；所述挡板所在的平面与保护管的中心轴线垂直；支撑臂平行于保护管的中心轴线固定，支撑臂的一端和保护管内壁紧密焊接，另一端悬空；所述的压力转换管为螺旋状，中空，该管的首端和保护管的进压口相连接后形成通路，该管的尾端和挡板密封焊接，压力转换管具有弹性；1号传感光纤Bragg光栅水平粘贴于支撑臂的表面上，2号传感光纤Bragg光栅的两端分别粘贴固定于支撑臂的尾端和挡板的上端，固定后，2号传感光纤Bragg光栅呈与保护管的中心轴线平行状态。
传输光纤连通1号传感光纤Bragg光栅和2号传感光纤Bragg光栅后形成回路经由管阀件引出保护管，但需要注意满足传输光纤的接入不会对作为感应元件的光栅造成任何影响，传输光纤不会对1号传感光纤Bragg光栅和2号传感光纤Bragg光栅的受力造成任何影响。
其中，1号传感光纤Bragg光栅和2号传感光纤Bragg光栅串联在一起，从外部宽带光源发出的光经过传感光纤进入1号传感光纤Bragg光栅和2号传感光纤Bragg光栅，光纤Bragg光栅则把携带有温度和压力信息的光反射回来，在经由管阀件引出保护管，到达解调器进行解调；但需要注意1号传感光纤Bragg光栅和2号传感光纤Bragg光栅以及2号传感光纤Bragg光栅和保护管之间的传输光纤要有适度的弯曲，目的消除传感器各部件发生微小应变时对光纤光栅中心波长变化产生的影响。
具体实现时，按照以下参数设定所得到的工作效果最佳，即确定保护管的长度为250毫米，外半径为50毫米，壁厚10毫米；压力转换管亦为不锈钢管，长度为180毫米，内径为5毫米，壁厚为5毫米；挡板的材质亦为不锈钢，形状为长方体，长度为35毫米，宽度为15毫米；支撑臂的材质为二氧化硅，形状为长方形，长度为150毫米，宽度为15毫米。
本发明具有如下有益效果： 本种传感器通过在一跟传输光纤上串联两个传感光纤Bragg光栅作为温度、压力传感器，同时构造了一系列的配合机构，例如保护管、螺旋状的压力转化管、挡板以及支撑臂等，当外界压力进入压力转换管后，压力转换管会伸长带动挡板运动，从而带动2号传感光纤Bragg运动产生位移。由于支撑臂不受任何外力作用，因此2号传感光纤Bragg光栅的作用为测量压力和温度总变化，而1号传感光纤Bragg光栅的作用为在2号传感光纤Bragg光栅测量温度和测量压力时进行温度补偿。与本种传感器配合使用的波长解调仪用来解调从传输段光栅传来的携带有温度和压力波长信息，经过标定后，即可得出温度、压力参数信息。本种传感器除了具有耐高温、抗腐蚀、抗干扰、井下无需电子部分、本质安全、尺寸小、易于复用等诸多优点外, 而且压力灵敏度高并且封装结构合理，非常适合在油气井下环境中进行油气管道温度、压力参量的长期测量。可以实现实时、在线、动态、分布式地测量油气井下温度压力等参数，有效的解决了温度和压力交叉敏感的问题。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图中1-保护管，2-压力转换管，3-挡板，4-支撑臂，5-1号传感光纤Bragg光栅，6-传输光纤，7-2号传感光纤Bragg光栅，8-进压口，9-管阀件，10-不锈钢管，11-波长解调仪。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图1所示，该种光纤Bragg光栅温度压力传感器，由保护管1、压力转化管2、挡板3、支撑臂4、1号传感光纤Bragg光栅5以及2号传感光纤Bragg光栅7构成。其中，所述保护管1呈空心圆柱状，为不锈钢材质，所述保护管的一端设置进压口8，另一端封闭，但设置有可引出传输光纤6的管阀件9；所述管阀件9外连接有中空的不锈钢管10；传输光纤6通过管阀件9从保护管1中密封引出，传输光纤6被引出后用中空不锈钢管10密封保护。所述挡板3所在的平面与保护管1的中心轴线垂直；支撑臂4平行于保护管1的中心轴线固定，支撑臂4的一端和保护管内壁紧密焊接，另一端悬空；所述的压力转换管2为螺旋状，中空，该管的首端和保护管1的进压口8相连接后形成通路，该管的尾端和挡板3密封焊接，压力转换管2具有弹性；1号传感光纤Bragg光栅5水平粘贴于支撑臂4的表面上，2号传感光纤Bragg光栅7的两端分别粘贴固定于支撑臂4的尾端和挡板3的上端，固定后，2号传感光纤Bragg光栅呈与保护管1的中心轴线平行状态；传输光纤6连通1号传感光纤Bragg光栅5和2号传感光纤Bragg光栅7后形成回路经由管阀件9引出保护管1。
在本技术方案中，温度压力传感器外侧为圆柱形不锈钢保护管，传输光纤通过管阀件从保护管密封引出，传输光纤被引出后用中空不锈钢管保护，最后和波长解调仪相连接。由于压力转换管为螺旋状，一端和保护管密封连接作为压力进口，另一端和挡板密封焊接，压力转换管具有一定的弹性，受力会带动挡板一起拉伸或收缩，同时中空螺旋状压力转换管也可以缓冲外来压力作用。支撑臂一端和保护管内壁紧密焊接，用来支撑粘贴1号传感光纤Bragg光栅，另一端悬空。由于支撑臂不受任何外力作用，因此1号传感光纤Bragg光栅在2号传感光纤Bragg光栅测量温度和测量压力时进行温度补偿。挡板一端和支撑臂一端的空隙粘贴2号传感光纤Bragg光栅，用来测量压力和温度总变化，当外界压力进入压力转换管后，压力转换管会伸长带动挡板运动，从而带动2号传感光纤Bragg光栅运动产生位移。波长解调仪用来解调从传输段光栅传来的携带有温度和压力波长信息，经过标定后，即可得出温度、压力参数信息。
下面给出本发明的优选方案：保护管的长度为250毫米，外半径为50毫米，壁厚10毫米；压力转换管2亦为不锈钢管，长度为180毫米，内径为5毫米，壁厚为5毫米；挡板3的材质亦为不锈钢，形状为长方体，长度为35毫米，宽度为15毫米；支撑臂4的材质为二氧化硅，目的防止粘贴基底对温度参数增敏，形状为长方形，长度为150毫米，宽度为15毫米。
具体实现时，波长解调仪精度为±5pm,用来解调从传输段光纤6传来的携带有温度和压力的波长信息，经过标定后，即可得出温度、压力参数。

Claims (2)

1.一种光纤Bragg光栅温度压力传感器，由保护管（1）、压力转化管（2）、挡板（3）、支撑臂（4）、1号传感光纤Bragg光栅（5）以及2号传感光纤Bragg光栅（7）构成；其中，所述保护管（1）呈空心圆柱状，为不锈钢材质，所述保护管的一端设置进压口（8），另一端封闭，但设置有可引出传输光纤（6）的管阀件（9）；所述管阀件（9）外连接有中空的不锈钢管（10）；传输光纤（6）通过管阀件（9）从保护管（1）中密封引出，传输光纤（6）被引出后用中空不锈钢管（10）密封保护；
所述挡板（3）所在的平面与保护管（1）的中心轴线垂直；支撑臂（4）平行于保护管（1）的中心轴线固定，支撑臂（4）的一端和保护管内壁紧密焊接，另一端悬空；
所述的压力转换管（2）为螺旋状，中空，该管的首端和保护管（1）的进压口（8）相连接后形成通路，该管的尾端和挡板（3）密封焊接，压力转换管（2）具有弹性；
1号传感光纤Bragg光栅（5）水平粘贴于支撑臂（4）的表面上，2号传感光纤Bragg光栅（7）的两端分别粘贴固定于支撑臂（4）的尾端和挡板（3）的上端，固定后，2号传感光纤Bragg光栅呈与保护管（1）的中心轴线平行状态；
传输光纤（6）连通1号传感光纤Bragg光栅（5）和2号传感光纤Bragg光栅（7）后形成回路经由管阀件（9）引出保护管（1）。
2.根据权利要求1所述的一种光纤Bragg光栅温度压力传感器，其特征在于：保护管（1）的长度为250毫米，外半径为50毫米，壁厚10毫米；压力转换管（2）亦为不锈钢管，长度为180毫米，内径为5毫米，壁厚为5毫米；挡板（3）的材质亦为不锈钢，形状为长方体，长度为35毫米，宽度为15毫米；支撑臂（4）的材质为二氧化硅，形状为长方形，长度为150毫米，宽度为15毫米。
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