CN103376135A

CN103376135A - 非接触式光纤测量流量的装置与方法

Info

Publication number: CN103376135A
Application number: CN2012101070430A
Authority: CN
Inventors: 孙宝全; 刘小会; 张国玉; 赵文安; 杨斌; 尚盈; 许玲玲; 姜广彬; 张福涛; 郭林园
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Oil Production Technology Research Institute of Sinopec Shengli Oilfield Co
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Oil Production Technology Research Institute of Sinopec Shengli Oilfield Co
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-10-30

Abstract

一种非接触式光纤测量流量的装置与方法。装置包括传感光纤安装于管道上，传感光纤的一端顺次与光栅、光纤、环行器、光源相连接，另一端连接光栅，干涉仪与环行器相连接。方法包括光栅分别连接于传感光纤的两边，构成感应单元，光源发出的光自感应单元前端进入，光栅干涉技术将振动加速度的监测转化为光相位的监测，采用相位载波技术PGC对相位信息进行解调处理，即可实现非接触式的流量监测。本发明具有检测元件不与被测流体接触、不干扰流场、非电测量、安全可靠、适应性强、不受电磁干扰、实时连续遥测、不受光源波动、温度变化等因素的影响、不会造成节流压力损失、节约能量、可测量腐蚀性流体的流量、可多点测量，广泛在各种流量的测量工艺中应用。

Description

非接触式光纤测量流量的装置与方法

技术领域

本发明涉及光电子测量技术领域的光纤流量计，特别涉及一种非接触式光纤测量流量的装置与方法。

背景技术

流量测量是现代工业生产的重要依据，尤其是在石油化工领域，流量的测量可以为油气管道检测、生产井动态监测以及具有防腐、防爆、高温高压等复杂环境的石油生产和传输特性提供极其重要的参数。其测量方法不外乎接触式与非接触式两大类，现有的接触式与非接触式测量方法，如节流式流量计的节流件、涡轮流量计的涡轮、电磁流量计的电极等，这类流量计为流量测量，特别是为石油生产和传输的流量测量做出了贡献，但其同时存在着如下的缺点或不足：①流量仪表的传感元件与被测流体接触，与流体接触的检测元件不仅会造成压力损失，破坏管流原来的流场；②一般是永久性地接入系统中，只能测量某固定部位的流量；③流量仪表的传感元件本身易受到流体冲击、磨损，甚至腐蚀；④安装拆卸不方便，安装与拆卸时，易引起泄漏、损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式光纤测量流量的装置与方法，主要采用光栅、传感光纤、光纤、环行器、光源、光纤干涉仪、管道的组合结构，基于非接触式测量管道振动的原理，也就是流体流过管壁时会产生动态压力，而管壁振动加速度与平均流量之间具有一定的关系，使用光栅干涉技术将振动加速度监测转化为光相位监测，再采用相位载波技术PGC解调出相应的相位信息，即可实现非接触式的流量监测，同时有效地克服或避免上述现有技术中存在的缺点或不足。

本发明所述的非接触式光纤测量流量的装置，包括光栅、传感光纤、光纤、环行器、光源、干涉仪、管道。所述传感光纤安装于管道上，传感光纤的一端顺次与光栅、光纤、环行器、光源相连接，另一端连接光栅，干涉仪与环行器相连接。

其中，所述干涉仪通过环行器与光源相连通，通过环行器的输出端与光纤、光栅、传感光纤相连通。所述传感光纤一端与光栅相连接，另一端与光栅或反射镜相连通。

非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，所述传感光纤缠绕在管道的外表面，光栅分别连接于传感光纤的两边，构成感应单元，光源发出的光自感应单元前端进入，依据管道内的流体流过管壁时产生的动态压力、管壁的振动加速度与平均流量成正比，光栅干涉技术将振动加速度的监测转化为光相位的监测，采用相位载波技术（PGC）对相位信息进行解调处理，即可实现非接触式的流量监测。

其中，在待测流场管道外表面缠绕的传感光纤不接触管道内的流体，采用Mach-Zender、Michelson、Fabry-Peort等干涉技术或相位干涉技术实现对管道流量的测量。所述待测流场管道外表面缠绕的传感光纤的长度至少为管道直径的100倍以上，规则地缠绕在管道的外壁，构成高灵敏感应单元。所述传感光纤的左右两端光栅的中心波长具有高匹配性，每个光栅的反射率低于50%。使用双光栅干涉技术，对管道振动引起管壁的变形检测光在感应单元处的相位变化，继而得到待测流场的流量。所述光源为单模窄线宽DFB激光器，该激光器带有内置的热电冷却器和电热调节器，能够很好的消除外界环境温度对输出激光的影响。

所述非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，还可以应用于油井现场流量测量：井下光缆一端与光电解调及数据采集系统相连接，另一端通过井口穿越器下入井下套管中，穿过封隔器与感应单元相连接，感应单元下顺次连接分层开关和盲堵。感应单元上顺次与封隔器、分层开关、感应单元、封隔器、筛管、井下泵、管道相连接，感应单元中包含光栅和传感光纤。测试时，光源置于光电解调及数据采集系统中，其发射的光信号，由井下光缆传至井下的感应单元。感应单元中包含光栅和传感光纤，光信号携带感应单元所在位置处的流量信号，经光栅反射传输至地面的光电解调及数据采集系统，再经数据处理系统解释后，得到具体的流量参数值。

本发明现有技术相比较具有如下优点：

1、采用光纤非接触式测量方法进行流量测试，不干扰流场；

2、非电测量、传感器不受电磁干扰；

3、能实时连续遥测，由于检测的是相位信号，故不受光源波动、温度变化等因素的影响；

4、特别适合在如石油、煤矿类防爆、高温高压及腐蚀环境下的井下及管道流体流量的测试，安全可靠；

5、检测元件不与被测流体接触，不干扰原来流体的流动状态，不会造成节流压力损失，节约能量，因而可用来测量腐蚀性流体的流量，且可实现多点测量；

6、具有结构简单，无电气操作，无可动元件，适合高温高压或易燃易爆场合的流量测量。

附图说明

图1为本发明的一种实施例结构示意图。

图2为按图1所示的管道外感应单元结构示意图。

图3为按图1所示的两个管道外感应单元结构示意图。

图4本发明现场油井测量流量的实施例结构示意图。

图5为本发明测量流量的程序流程示意图。

具体实施方式：

参阅图1-图5，一种非接触式光纤测量流量的装置与方法，装置包括光栅1、传感光纤2、光纤3、环行器4、光源5、干涉仪6、管道7。所述传感光纤2安装于管道7上，传感光纤2的一端顺次与光栅1、光纤3、环行器4、光源5相连接，另一端连接光栅1，干涉仪6与环行器4相连接。

干涉仪6通过环行器4与光源5相连通，通过环行器4的输出端与光纤3、光栅1、传感光纤2相连通。所述传感光纤2一端与光栅1相连接，另一端与光栅1或反射镜相连通。

非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，包括传感光纤2缠绕在管道7的外表面，光栅1分别连接于传感光纤2的两边，构成感应单元，光源5发出的光自感应单元前端进入，依据管道7内的流体流过管壁时产生的动态压力、管壁的振动加速度与平均流量成正比，光栅干涉技术将振动加速度的监测转化为光相位的监测，采用相位载波技术PGC对相位信息进行解调处理，即可实现非接触式的流量监测。

在待测流场管道外表面缠绕的传感光纤不接触管道内的流体，采用Mach-Zender、Michelson、Fabry-Peort等干涉技术或相位干涉技术实现对管道流量的测量。所述待测流场管道外表面缠绕的传感光纤的长度至少为管道直径的100倍以上，规则地缠绕在管道的外壁，构成高灵敏感应单元。所述传感光纤的左右两端光栅的中心波长具有高匹配性，每个光栅的反射率低于50%。使用双光栅干涉技术，对管道振动引起管壁的变形检测光在感应单元处的相位变化，继而得到待测流场的流量。所述光源为单模窄线宽DFB激光器，该激光器带有内置的热电冷却器和电热调节器，能够很好的消除外界环境温度对输出激光的影响。

根据上述原理，本发明还有如下结构，非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，应用于油井现场流量测量：将井下光缆11一端与光电解调及数据采集系统9相连接，另一端通过井口穿越器10下入井下套管中，穿过封隔器14与感应单元15相连接。感应单元15下顺次连接分层开关16和盲堵17，感应单元15上顺次与封隔器14、分层开关16、感应单元15、封隔器14、筛管13、井下泵12、管道7相连接，感应单元15中包含光栅1和传感光纤2。测试时，光源5置于光电解调及数据采集系统9中，其发射的光信号，由井下光缆11传至井下的感应单元15。感应单元15中包含光栅1和传感光纤2，光信号携带感应单元15所在位置处的流量信号，经光栅1反射传输至地面的光电解调及数据采集系统9，再经数据处理系统解释后，得到具体的流量参数值。

使用时，传感器的制作按照监测的管道数目决定，如果是监测一个管道内的流体流量如图2所示，首先将特定长度的光纤缠绕在管道7的管壁外侧形成感应单元，在感应单元两端串入两个低反射率的光栅，传感器前端接入如图2所示的光路系统的干涉仪内。如图3、如图4所示，如果监测两个管道内的流体流量、或在油井现场检测其流量的话在管道7的管壁外侧同样缠绕光纤形成感应单元15，并在感应单元15后面串入光栅1，管道7的感应单元15前端与管道7的后面光栅1进行串联，如果监测更多的管道流体流量，依次类推。

Claims

1.一种非接触式光纤测量流量的装置，包括光栅、传感光纤、光纤、环行器、光源、干涉仪、管道，其特征在于所述传感光纤安装于管道上，传感光纤的一端顺次与光栅、光纤、环行器、光源相连接，另一端连接光栅，干涉仪与环行器相连接。

2.根据权利要求1所述的非接触式光纤测量流量的装置，其特征在于所述干涉仪通过环行器与光源相连通，通过环行器的输出端与光纤、光栅、传感光纤相连通。

3.根据权利要求1所述的非接触式光纤测量流量的装置，其特征在于所述传感光纤一端与光栅相连接，另一端与光栅或反射镜相连通。

4.一种非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，其特征在于所述传感光纤缠绕在管道的外表面，光栅分别连接于传感光纤的两边，构成感应单元，光源发出的光自感应单元前端进入，依据管道内的流体流过管壁时产生的动态压力、管壁的振动加速度与平均流量成正比，光栅干涉技术将振动加速度的监测转化为光相位的监测，采用相位载波技术PGC对相位信息进行解调处理，即可实现非接触式的流量监测。

5.根据权利要求4所述的非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，其特征在于在待测流场管道外表面缠绕的传感光纤不接触管道内的流体，采用Mach-Zender、Michelson、Fabry-Peort干涉技术或相位干涉技术实现对管道流量的测量。

6.根据权利要求4所述的非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，其特征在于所述待测流场管道外表面缠绕的传感光纤的长度至少为管道直径的100倍以上，规则地缠绕在管道的外壁，构成高灵敏感应单元。

7.根据权利要求4所述的非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，其特征在于所述传感光纤的左右两端光栅的中心波长具有高匹配性，每个光栅的反射率低于50%。

8.根据权利要求4所述的非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，其特征在于使用双光栅干涉技术，对管道振动引起管壁的变形检测光在感应单元处的相位变化，继而得到待测流场的流量。

9.根据权利要求4所述的非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，其特征在于所述光源为单模窄线宽DFB激光器。

10.根据权利要求4所述的非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，其特征在于所述非接触式光纤测量流量的装置测量流量的方法，还可以应用于油井现场：井下光缆一端与光电解调及数据采集系统相连接，另一端通过井口穿越器下入井下套管中，穿过封隔器与感应单元相连接，感应单元下顺次连接分层开关和盲堵，感应单元上顺次与封隔器、分层开关、感应单元、封隔器、筛管、井下泵、管道相连接，感应单元中包含光栅和传感光纤。