CN103344289B

CN103344289B - 液体流量非浸入式测量装置及传感探头

Info

Publication number: CN103344289B
Application number: CN201310277882.1A
Authority: CN
Inventors: 王昌; 尚盈; 刘小会; 宋志强
Original assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: CN103344289A

Abstract

一种液体流量非浸入式测量装置及传感探头，它包括传感探头，其特征是传感探头通过光路连接到环形器，环形器经过隔离器接收980nm的泵浦光源发出的光，环形器输出的光信号经隔离器送至耦合器，耦合器输出两路光信号，一路经相位调制器送至第一法拉第旋转镜，另一路直接送至第二法拉第旋转镜；耦合器输出的光信号送至光电探测器，光电探测器输出的电信号进入相位载波解调装置，解调DFB光纤激光器波长的微弱动态变化，通过波长的变化求解出流量；所述传感探头是指周向固定在油管外壁上的一段非对称式的相移光纤光栅。

Description

液体流量非浸入式测量装置及传感探头

技术领域

本发明涉及一种流量计，尤其涉及一种液体流量非浸入式测量装置。

背景技术

随着油田开发的不断进展，流量是确定石油生产和传输特性极其重要的参数，通过先进的技术手段对流量进行长期的实时监测，从而可掌握油井生产动态、进行产层评价和分析油井井下技术状况，可为优化油气开采方案及提高原油采收率提供科学依据。由于油气的生产过程中存在复杂的流态变化，在井下高压条件下流体含气量低，呈现出较好的均质流特征，基本上不存在滑脱现象，因此该条件下井下流量的测量要比在地面更加有利。但由于电子类传感器不能耐高温，无法在井下高温、高压和腐蚀环境中长期工作。光纤传统的传感器主要有以下几种：涡轮式流量计、涡街式流量计、多普勒式流量计等，但这几种流量计用到油井下都存在一定的问题：涡轮式的易卡堵；涡街式和多普勒式的易粘油污。

申请号为201210070213.2的《非浸入式井下光纤流量监测系统》存在不足之处：1、传感器模块的制作过程较复杂尤其105m长度的光纤缠绕，并且根据管壁振动测试理论是基于监测位置是近似一个点，但传感单元设计为宽度为5cm,层数为3层，不是一个截面点。2、流量测试精度高需要传感光纤长，但根据测试原理其长度又不能太长，故能流量的最小范围受限，实验过程中最小流量为10m3/h。3、完成多个流量场同时测试时，因为使用同一波长激光源，其传感器模块之间信号容易受到相互干扰。

发明内容

基于以上专利中的不足，提出了基于分布反馈（Distributed Feedback，DFB）光纤激光器的非浸入式流量测试方法，以有源相移光纤光栅是DFB光纤激光器的关键器件，它是利用紫外光在掺杂（如铒、铥、镱、镨等）的光敏光纤上刻写的一种特殊的光纤光栅，为了满足流量测试灵敏度的要求使其具有π相移、非对称式结构。具备此结构的DFB光纤激光器的具有光谱线宽很窄，低相位噪声特性，非常适用于微弱动态信号测试。

本发明所采用的技术方案是：一种液体流量非浸入式测量装置，它包括传感探头，其特征是传感探头通过光路连接到环形器，环形器经过隔离器接收980nm的泵浦光源发出的光，环形器输出的光信号经隔离器送至耦合器，耦合器输出两路光信号，一路经相位调制器送至第一法拉第旋转镜，另一路直接送至第二法拉第旋转镜；耦合器输出的光信号送至光电探测器，光电探测器输出的电信号进入相位载波（Phase Generated Carrier，PGC）解调装置，解调DFB光纤激光器波长的微弱动态变化，通过波长的变化求解出流量；所述传感探头是指周向固定在油管外壁上的一段非对称式的相移光纤光栅。

本方案的具体特点还有，所述非对称式的相移光纤光栅包括两段光纤光栅，两段光纤光栅在连接的位置产生相位的跃变，相移量为π，相位跃变位置偏离光纤光栅的中间位置，形成非对称式的相移光纤光栅。非对称式的相移光纤光栅的长度在3 cm -7cm。

所述油管壁厚在3mm-5mm之间，周向固定在油管外壁上的一段非对称式的相移光纤光栅是指将金属化了的非对称式的相移光纤光栅的两端按照周向位置焊接在不锈钢油管外壁，使得相移光纤光栅紧贴不锈钢油管外壁，形成传感探头，其结构特点是紧贴油管外壁的相移光纤光栅可以感应油管的应变。

所述金属化了的非对称式的相移光纤光栅是指在非对称式的相移光纤光栅的两端镀一层0.3μm厚的镍，再镀一层 0.3μm厚的金，这样进行金属化后就可使用金锡金属焊料（80%金，20%锡）焊接。

所述非对称式的相移光纤光栅是利用紫外光在掺杂铒、铥、镱、镨的光敏光纤上刻写的一种特殊的光纤光栅，在扫描曝光制作光纤光栅的过程中，当光栅长度和反射率均达到设定值时，控制相位掩膜板与光纤发生沿光纤轴向的相对运动，一般是移动掩膜板，之后继续曝光一定的长度，这样由于相位掩膜板位置的变化，使前后制作的两段光栅在连接位置产生相位的跃变，形成相移光纤光栅，此方法称为相位掩膜板移动法，此方法通过精确控制相位掩膜板和光纤的相对运动距离，使相移量精确控制在π，控制相位跃变位置偏离光纤光栅的中间位置，形成非对称式的相移光纤光栅，增加了DFB光纤激光器的出光功率，提高了流量监测的灵敏度。其结构特点是在光栅光栅的中存在π的相移并在结构上呈非对称式。它相当于激光器的工作物质和谐振腔，接上泵浦光源，就可以产生与相移光栅波长相同的激光。把相移光纤光栅作为传感探头布置在油管外壁，当流体流过油管时产生动态压力，致使油管外壁产生应变，相移光纤光栅随之产生应变，激光器的波长随之变化。

所述周向固定在油管外壁上的一段非对称式的相移光纤光栅是指，在油管外壁上周向设置两支腿，两支腿所在的平面垂直于油管轴线，支腿的间距为6cm；将两端金属化了的非对称式的相移光纤光栅焊接在两个支腿上，保持非对称式的相移光纤光栅水平拉直状态。非对称式的相移光纤光栅在水平状态出光功率稳定，噪声更低，测试精度更高。

采用不同掩膜板制作不同波长的相移光纤光栅，不同波长的非对称式的相移光纤光栅串联在同一根光纤上，产生不同波长的激光，形成传感器阵列，进行波分复用、分时采样技术完成流量的监测。由于采用了不同波长的相移光纤光栅作为传感探头，其不存在相互干扰，测试精度不会因为复用而降低。

DFB光纤激光器具有窄线宽（几kHz）、低相位噪声等特点，非常适用于动态信号测试方面的研究和应用。在传感应用时，相移光栅部分直接可作为敏感元件。

采用非平衡干涉仪技术测试油管的微弱变形，从而得到管内动态压力的变化，采用相位载波（Phase Generated Carrier，PGC）解调技术，解调DFB光纤激光器波长的微弱动态变化，通过波长的变化求解出流量。

本方案还提供了一种液体流量非浸入式测量装置用的传感探头，其特征是指周向固定在油管外壁上的一段非对称式的相移光纤光栅；所述非对称式的相移光纤光栅包括两段光纤光栅，两段光纤光栅在连接的位置产生相位的跃变，相移量为π，相位跃变位置偏离光纤光栅的中间位置，形成非对称式的相移光纤光栅。

本方案的具体特点还有，非对称式的相移光纤光栅的长度在3 cm -7cm。

所述非对称式的相移光纤光栅是利用紫外光在掺杂铒、铥、镱、镨的光敏光纤上刻写的一种特殊的光纤光栅，在扫描曝光制作光纤光栅的过程中，当光栅长度和反射率均达到设定值时，控制相位掩膜板与光纤发生沿光纤轴向的相对运动，一般是移动掩膜板，之后继续曝光一定的长度，这样由于相位掩膜板位置的变化，使前后制作的两段光栅在连接位置产生相位的跃变，形成相移光纤光栅，此方法称为相位掩膜板移动法，此方法通过精确控制相位掩膜板和光纤的相对运动距离，使相移量精确控制在π，控制相位跃变位置偏离光纤光栅的中间位置，形成非对称式的相移光纤光栅，增加了DFB光纤激光器的出光功率，提高了流量监测的灵敏度。

本方案涉及的动态压力测试系统工作机理是；在进行动态测试时，主要关心的是被测量随时间的相对变化。DFB光纤激光器应用于动态测试时，需要将波长随时间的变化转换成电信号随时间的变化，PGC解调技术是比较有效的方法，其原理如图3。在相位调制器（PM）上加频率为ω ₀，幅度为C的调制信号，产生的相位变化Φ_p为：

（1）

假设激光波长变化频率为ω，表示为λ(ω,t) = λ ₀+Δλ(ω,t) （其中Δλ<<λ ₀），迈克耳逊干涉仪两臂光程差（OPD）为ΔL，则干涉仪两臂的相位差Φ表示为

（2）

其中

（3）

（4）

Φ₀是由于干涉仪两臂长差引起的固定相位差，而ΔΦ(ω,t)是波长变化引起的相位差，这正是我们需要解调出来的。根据光的相干原理，探测器（PD）上的光强I可表示为：

（5）

其中A，B为常数。按如图7所示方法解调运算后得：

（6）

所以，解调后得到反映波长变化的电信号S(ω, t)。

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。

流动速度可以由以下两个公式表示：

（7）

（8）

流动速度是速度的平均值和瞬时脉动值的叠加。速度平均值，T₁是使得速度平均值稳定不变的足够长的时间。u是沿着主管轴方向的速度和v是垂直于主管道轴方向的速度。沿着主管轴方向的速度瞬时脉动值，是垂直于主管轴方向的速度瞬时脉动值。因为在垂直于主管道轴方向没有净流体流入管道，所以在垂直方向的速度平均值为零，湍流流动速度等于瞬时脉动值。

尽管任意方向的瞬时脉动值的平均值为零，但是不同方向的瞬时脉动值的乘积不为零，如。

对于一个圆形管道半径为r，剪应力τ，以及作用在管壁上的压力p，x轴为圆管轴向，他们之间的关系为：

（9）

（10）

其中剪应力τ为：

（11）

由公式（9）、公式（10）和公式（11）可以得知：

（12）

由公式（12）可以得出管壁上的动态压力与轴向瞬时脉冲值和径向瞬时脉冲值的乘积平均值具有一定的关系。

由流体运动产生振动导致固液体之间相互作用从而产生了不断变化的流体压力，在此类流体中，湍流强度是瞬时脉动值与平均流速的比值并且是恒定，即：

（13）

由公式（12）、（13）可以得出管壁上的动态压力与湍流平均流速具有一定的关系。通过测试动态压力就可以检测出湍流平均流速。

由湍流引起的油管壁的动态压力非常小，故采用高灵敏度的窄线宽、低噪声的DFB光纤激光器技术检测动态压力，具体方法是：将DFB光纤激光器周向固定在油管外壁上，感应动态压力引起的管壁微应变变化，采用非平衡光纤干涉仪技术解调出由管壁微应变引起的波长变化，从而达到检测油管壁动态压力的目的。

油管可以看做一个圆筒，其因内压P引起圆筒外壁圆周应变关系如公式（14）所示：

(14)

其中△r为径向位移；P是圆筒内压；E是弹性模量；r ₁是圆筒内径；r ₂是圆筒外径； r是圆筒半径（r₁=<r<=r₂）；ε′是圆筒外壁圆周应变。

油管微应变引起的DFB光纤激光器的波长变化△λ如式(15)所示：

(15)

其中λ₀是DFB光纤激光器波长；P _e是有效光弹系数；ε是光纤轴向应变。

紧密缠绕在圆筒上的光纤应变与圆筒外壁圆周应变关系式如式(16)所示：

（16）

其中s是耦合度。

将式（14）、式（16）代入式（15）得出：

(17)

由公式（17）可以得出油管内压P与DFB光纤激光器波长变化△λ成正比关系。

由公式（17）、（12）可以得出动态压力与湍流平均流速具有一定的关系，只要确定两者之间的关系，通过监测DFB光纤激光器的波长变化△λ即可求解出相应的湍流平均流速。

本发明的有益效果是：1. 实现了5m³/d超低流量的非浸入式测量。2. 使用相位掩膜板移动法精确控制相位掩膜板和光纤的相对运动距离，制作成非对称的π相移光纤光栅，非对称的π相移光纤光栅提高了出光功率，提高监测系统的信噪比，实现了5m³/d超低流量的非浸入式测量。3.实现相移光纤光栅的金属化，与油管形成传感探头。4.利用非对称的π相移光纤光栅窄线宽低噪声特性，实现了微弱动态压力的监测。5.实现了流量的截面点的测量。6.进行多个流量场的流量同时检查，采用不同波长的相移光纤光栅作为传感器，故其传感信号不收相互干扰。

附图说明

图1是相移光纤光栅结构示意图相；图2传感探头示意图1；图3 流量测试光路示意图；图4相位载波解调电路结构示意图；图5传感探头示意图2；图6 波分复用流量检测光路示意图；图7是实施例1的实验数据；图8是实施例2的实验数据；图9是实施例3的实验数据。图中：1-相移光纤光栅；2-不锈钢油管；3-第一固定点；4-第二固定点；5-支腿。

具体实施方式

实施例一首先采用掩膜板移动法制作出具有非对称、π相移的相移光纤光栅，其结构示意如图1所示。它是利用紫外光在掺杂（如铒、铥、镱、镨等）的光敏光纤上刻写的一种特殊的光纤光栅，在扫描曝光制作光纤光栅的过程中，当光栅长度和反射率均达到设定值时，控制相位掩膜板与光纤发生沿光纤轴向的相对运动（一般是移动掩膜板）之后继续曝光一定的长度，这样由于相位掩膜板位置的变化，使前后制作的两段光栅在连接位置产生相位的跃变，形成相移光纤光栅，此方法称为相位掩膜板移动法，此方法通过精确控制相位掩膜板和光纤的相对运动距离，可以使相移量精确控制在π，控制相位跃变位置偏离光纤光栅的中间位置（使得一端光纤光栅的长度L₁小于另一端光纤光栅的长度L₂）。

将相移光纤光栅封装制作为传感探头如图2所示，在相移光纤光栅的两端镀一层0.3μm厚的镍，再镀一层 0.3μm厚的金，使用金锡金属焊料（80%金，20%锡）将相位光纤光栅的两端按照周向位置焊接在不锈钢油管外壁第一固定点3和第二固定点4处，使得相移光纤光栅1紧贴不锈钢油管2的外壁，形成传感探头。其结构特点是紧贴油管外壁的相移光纤光栅可以感应油管的应变。

如图2所示把相移光纤光栅接入环形器的C₂端，980nm的泵浦光源经过隔离器后进入环形器的C₁端，经过环形器的C₂端进入到相移光纤光栅，最后在相移光纤光栅内形成窄线宽、低相位噪声的DFB光纤激光器，由环形器的C₃端射出，进入到耦合器的P₁端，分光到耦合器的P₂端、P₃端，分别经过第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜的反射后合束进入到耦合器的P₄端，进入到光电探测器。

由图3所示的探测器信号进入到如图4所示的相位载波解调中，所述相位载波（Phase Generated Carrier，PGC）解调装置包括乘法器、滤波器、微分器、积分器。探测器信号与基频信号在第一乘法器相乘进入到第一低通滤波器，信号送至第一微分器，与第二低通滤波后的信号相乘，进入到减法器一端，与第四乘法器之后的信号进行减法运算；探测器信号与倍频信号在第二乘法器相乘进入到第二低通滤波器，信号送至第二微分器，与第一低通滤波后的信号相乘，进入到减法器一端，与第三乘法器之后的信号进行减法运算；两路信号同时送入减法器，运算后送入积分器、高通滤波器后，解调出传感信号。

实施例一的实验数据如图7所示，量程为5m3/d-50 m3/d,测量精度为±5%，如图两条直线表示为±5%的精度线，横轴为参考的实际流量值，纵轴为测试装置测量的流量值，检测最低5m3/d的流量，量程范围内的测试值与参考值的误差基本在±5%。

实施例二与实施例一不同之处如图6所示，非对称式的相移光纤光栅1固定在不锈钢油管2上的支腿5上，形成传感探头。所述周向固定在不锈钢油管2外壁上的一段非对称式的相移光纤光栅1是指，在不锈钢油管2外壁上周向设置两支腿5，两支腿5所在的平面垂直于油管2的轴线，支腿5的间距为6cm；将两端金属化了的非对称式的相移光纤光栅1焊接在两个支腿5上，保持非对称式的相移光纤光栅1水平拉直状态。相移光纤光栅1在水平状态出光功率稳定，噪声更低，测试精度更高，实验数据如图8所示，图中两条直线为±5%的精度线，在线外的数值明显比图7的要少，说明测试精度更高。

实施例三与实施例一不同之处如图7所示，采用不同波长的相移光纤光栅作为传感器，形成传感器阵列，采用波分复用、分时采样技术完成流量的监测。由于采用了不同波长的相移光纤光栅作为传感探头，其不存在相互干扰，测试精度不会因为复用而降低，采用传感器阵列的实验数据如图9所示，基本的数据精度与图7基本吻合，没有发现因为复用而降低。

Claims

1.一种液体流量非浸入式测量装置，它包括传感探头，其特征是传感探头通过光路连接到环形器，环形器经过隔离器接收980nm的泵浦光源发出的光，环形器输出的光信号经隔离器送至耦合器，耦合器输出两路光信号，一路经相位调制器送至第一法拉第旋转镜，另一路直接送至第二法拉第旋转镜；耦合器输出的光信号送至光电探测器，光电探测器输出的电信号进入相位载波解调装置，解调DFB光纤激光器波长的微弱动态变化，通过波长的变化求解出流量；所述传感探头是指周向固定在油管外壁上的一段非对称式的相移光纤光栅，所述非对称式的相移光纤光栅是在掺杂有铒或者铥或者镱或者镨的光敏光纤上刻写而成的非对称式的相移光纤光栅；非对称式的相移光纤光栅能够吸收980nm的泵浦光源光子形成分布式反馈光纤激光器；所述非对称式的相移光纤光栅包括两段光纤光栅，两段光纤光栅在连接的位置产生相位的跃变，相移量为π，相位跃变位置偏离光纤光栅的中间位置，形成非对称式的相移光纤光栅；非对称式的相移光纤光栅的长度在3cm-7cm。

2.根据权利要求1所述的液体流量非浸入式测量装置，其特征是所述油管壁厚在3mm-5mm之间，周向固定在油管外壁上的一段非对称式的相移光纤光栅是指将金属化了的非对称式的相移光纤光栅的两端按照周向位置焊接在不锈钢油管外壁，使得相移光纤光栅紧贴不锈钢油管外壁，形成传感探头，其结构特点是紧贴油管外壁的相移光纤光栅可以感应油管的应变。

3.根据权利要求1所述的液体流量非浸入式测量装置，其特征是所述周向固定在油管外壁上的一段非对称式的相移光纤光栅是指，在油管外壁上周向设置两支腿，两支腿所在的平面垂直于油管轴线，支腿的间距为6cm；将两端金属化了的非对称式的相移光纤光栅焊接在两个支腿上，保持非对称式的相移光纤光栅水平拉直状态。

4.根据权利要求2或3所述的液体流量非浸入式测量装置，其特征是所述金属化了的非对称式的相移光纤光栅是指在非对称式的相移光纤光栅的两端镀一层0.3μm厚的镍，再镀一层0.3μm厚的金，这样进行金属化后就能使用金锡金属焊料焊接，金锡金属焊料中金80%，锡20%。

5.根据权利要求1所述的液体流量非浸入式测量装置，其特征是所述非对称式的相移光纤光栅是利用紫外光在掺杂铒、铥、镱、镨的光敏光纤上刻写的光纤光栅，在扫描曝光制作光纤光栅的过程中，当光栅长度和反射率均达到设定值时，控制相位掩膜板与光纤发生沿光纤轴向的相对运动，一般是移动掩膜板，之后继续曝光一定的长度，这样由于相位掩膜板位置的变化，使前后制作的两段光栅在连接位置产生相位的跃变，形成相移光纤光栅，该方法称为相位掩膜板移动法，通过精确控制相位掩膜板和光纤的相对运动距离，使相移量精确控制在π，控制相位跃变位置偏离光纤光栅的中间位置，形成非对称式的相移光纤光栅。

6.根据权利要求5所述的液体流量非浸入式测量装置，其特征是采用不同掩膜板制作不同波长的非对称式的相移光纤光栅，不同波长的非对称式的相移光纤光栅串联在同一根光纤上，产生不同波长的激光，形成传感器阵列，进行波分复用、分时采样技术完成流量的监测。