CN104220847B - 具有集成馈通装置的光学传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学传感器。当部署光学传感器(例如，在井眼或其他工业环境中)时，传感器的“测量”部分可以暴露于高压和流体中。传感器可以包括具有形成第一密封的第一部分的光波导，该第一密封使传感器的“仪器”部分隔离于测量部分可能暴露于其中的高压和流体。传感器还可以包括具有与光波导的第二部分接触的材料元件的“堆叠”的第二密封，从而也使传感器的仪器部分隔离于测量部分可能暴露于其中的高压和流体。

Description

具有集成馈通装置的光学传感器
按照35U.S.C.§119要求优先权
本申请要求于2012年3月8日提交的题为“Optical Transducer with IntegratedFeedthrough”的美国临时专利申请No.61/608,569的权益，其全部内容通过引用合并到本文中。
背景技术
技术领域
本发明的实施方案一般性涉及馈通装置，更特别地涉及适合用于高压、高温和/或其他恶劣环境中的馈通装置。
相关技术的描述
许多行业和应用利用设备感测器来测量诸如压力的参数。在一些情况下，这种感测器可以利用光波导，所述光波导设计成穿透壁、隔板或其他馈通构件，其中在馈通构件的两端存在较高的流体压差。另外，馈通构件的一侧或两侧可能承受较高的温度和其他恶劣的环境条件(如腐蚀性或挥发性气体、液体和其他材料)。例如，隔板馈通装置可能需要在约138,000千帕斯卡(kPa)及以上的高压和约150℃至300℃及以上的高温下对光波导进行密封，具有5至20年或更长的使用寿命。
利用这种光纤馈通装置构建感测器存在若干挑战。这些问题之一涉及玻璃纤维由于其小的尺寸、柔韧性和脆性性质而引起的对损坏和破损的敏感性。另一个挑战涉及当使用环氧树脂或其他粘结材料将光纤密封在当暴露于极端范围的温度和压力时可能会破裂的馈通孔中时泄漏的可能性。
发明内容
本发明的实施方案一般性涉及适合用于高压、高温和/或其他恶劣环境中的馈通装置(例如，针对光学感测器、钢丝绳、线缆、其他电或光传导线或路径等的馈通装置)。
对于一些实施方案，提供了一种光学传感器。当部署光学传感器(例如，在井眼或其他工业环境中)时，传感器的“测量”部分可能暴露于高压、高温流体中。传感器可以包括具有形成第一密封的第一部分的光波导，该第一密封使传感器的“仪器”部分隔离于测量部分可能暴露于其中的高压和流体。传感器还可以包括具有与光波导的第二部分接触的材料元件的“堆叠”的第二密封，该第二密封还可以使传感器的仪器部分隔离于测量部分可能暴露于其中的高压和流体。
同时，可以将第一密封和第二密封视为形成主要密封和次要密封，即使在一个密封被破坏的情况下也能提供密封的多余部分和一些保障(备用)。哪个被视为是主要或次要的可以是相对任意的。可以基于所需压力性能和温度标准选择传感器的各部件的确切材料。例如，第二密封可以包括为了实现所需温度性能同时仍保持其形状的完整性以用于充分密封而选择的两个或更多个(可能是交替的)材料的堆叠体。
本发明的一个实施方案提供了一种光学传感器。该光学传感器通常包括至少一个光波导；形成在光波导的一部分中的至少一个感测元件；以及馈通元件，该馈通元件设计成将传感器的与感测元件通信的第一部分隔离于传感器的包含感测元件的第二部分，其中馈通元件至少包括由光波导的第一部分与穿过馈通元件的壳体延伸的孔接触而形成的第一密封，以及通过密封元件的具有光波导的第二部分的布置与馈通装置的壳体的内表面之间的接触而形成的第二密封。
本发明的另一实施方案提供了一种光学传感器。该光学传感器通常包括至少一个光波导；设置在光波导的一部分中的至少一个感测元件；以及馈通元件，该馈通元件设计成将传感器的与感测元件通信的第一部分隔离于传感器的包含感测元件的第二部分，其中馈通元件包括通过光波导的第一部分与穿过馈通元件的壳体延伸的孔接触而形成的密封，并且其中用于形成密封的孔的配合面的一部分经底切(undercut)以减小沿着光波导的第一部分从高应力过渡到无应力的区域中的应力分布的幅度或梯度中的至少之一。
本发明的又一实施方案提供了一种馈通组合件。该组合件通常包括至少一根传导线以及馈通元件，该馈通元件设计成将组合件的第一部分隔离于组合件的第二部分，其中馈通元件包括通过线的第一部分与穿过馈通元件的壳体延伸的孔接触而形成的第一密封，并且其中用于形成第一密封的孔的配合面的一部分经底切以减小沿着线的第一部分从高应力过渡到无应力的区域中的应力分布的幅度或梯度的至少之一。该至少一根传导线可以包括光波导或线缆中的至少之一。对于一些实施方案，施加预加载力以在操作环境中部署之前促进第一密封的密封。对于一些实施方案，馈通元件还包括通过密封元件的具有线的第二部分的布置与馈通元件的壳体的内表面之间的接触而形成的第二密封。
本发明的又一实施方案提供了一种馈通组合件。该组合件通常包括至少一根传导线以及馈通元件，该馈通元件设计成将组合件的第一部分隔离于组合件的第二部分，其中馈通元件包括通过线的第一部分与穿过馈通元件的壳体延伸的孔接触而形成的第一密封、以及通过密封元件的具有线的第二部分的布置与馈通元件的壳体的内表面之间的接触而形成的第二密封。
附图说明
因此，通过参考实施方式可以得到能够详细地理解本发明上述特征的方式以及对以上简要概括的本发明的更详细的描述，在附图中示出了其中的一些实施方式。然而，应注意，因为本发明可以允许其他等同效果的实施方案，所以附图仅说明本发明的典型实施方案，因此不认为是限制了本发明的范围。
图1是根据本发明的实施方案的具有集成馈通装置的光学传感器的截面图。
图2是根据本发明的实施方案的图1中所示的光学传感器的馈通装置部分的截面图。
图3示出了根据本发明的实施方案的用于动态密封的材料的示例性堆叠体。
图4是根据本发明的实施方案的图1中所示的传感器的示例性预加载部分的横截面图。
图5示出了根据本发明的实施方案的图4中所示的传感器的一部分的示例性外部视图。
图6示出了根据本发明实施方案的传感器的示例性最终组合件。
具体实施方式
本发明的实施方案一般性涉及适合用于高温高压环境下的馈通组合件。虽然将在下面详细描述具有光学波导馈通组合件的传感器，但是本发明的实施方案还可以应用于其他类型的馈通装置(例如线缆馈通组合件，其中用于电通信、记录或运行以及取回井下工具的线缆与恶劣环境隔离)。
根据一些实施方案，光学传感器可以包括馈通组合件，该馈通组合件具有由设置在馈通壳体的凹部(例如埋头孔)中的截头圆锥形玻璃塞形成的第一密封。玻璃塞可以限定被密封在壳体的凹部内且通过壳体提供光通信的大直径、基于杆的波导。文中所描述的所有实施方案提供了随着玻璃塞与凹部的密封表面接触而相对于在玻璃塞处或玻璃塞周围的壳体的密封。
当在本文中使用时，“光纤”、“玻璃塞”以及更一般的术语“光波导”是指用于沿着期望的路径传输光信号的任意设备。例如，这些术语中的每个术语可以指单模式、多模式、双折射的、偏振保持、偏振、多芯或多包层的光波导，或者平坦或平面的波导。光波导可以由任意玻璃(例如，二氧化硅、磷酸盐玻璃或其他玻璃)、玻璃和塑料、或仅塑料制成。此外，这些光波导中的任何光波导可以部分地或全部地涂覆有吸杂剂和/或阻挡剂(如金)以提供保护波导的氢隔离。
图1示出了结合有将传感器的第一(测量)部分110隔离于传感器的第二(仪器)部分120的馈通装置(F/T)元件105的示例性光学传感器100。传感器的测量部分110可以用于感测参数(例如，温度或压力)并且将所感测的参数转换成变化的光信号。仪器部分120可以提供接口用于经由连接器和具有一根或更多根光纤的光缆将光信号发送至电子感测装置。
如图所示，根据某些方面，传感器100可以是压力传感器，测量部分110可以包括压力脚(pressure foot)和波纹管组合件130，其可以响应于外部压力而轴向移动，从而将压力变化传递至波纹管组合件的填充流体内部并且传递至感测元件。感测元件可以由具有在其中形成的一个或更多个布拉格(Bragg)光栅的光波导形成。填充流体中的压力变化可以引起光栅波长的变化。一个或更多个第二光栅可以与压力的变化隔离或配置成以不同的灵敏度进行响应，通过由多个方程得到的系统的解决方案提供压力和温度变化的单一的且离散的值。
感测元件可以包含在提供一些保护和阻尼以及将压力变化传递至感测元件的填充流体(例如硅油)中。如所示，这部分可以经由集成填充端口140进行填充，填充端口140可以被密封以确保在传感器外部的环境(例如井眼流体)与容纳填充流体的壳体之间没有连通。在一些情况下，该密封可以通过密封元件来实现，并且对于某些实施方案是通过螺纹元件来实现。螺纹元件可以提供对密封元件的加强并且如果密封元件发生故障则可以作为备用密封以容纳任何泄漏。
如图2所示，光波导200的密封部分204可以是圆锥形(或截头圆锥形)形状并且与金属壳体202中的孔的互补形状的配合面紧密配合，从而形成玻璃-金属密封(glass-to-metal seal)203。在部署和操作期间(例如，在井眼内)自然存在的压力可以迫使密封部分204朝向配合面形成密封。正如下面更详细地描述的那样，还可以提供一种机制以在运输和部署之前的制造传感器100的期间“预加载”玻璃-金属密封203。
对于本发明的一些实施方案，诸如薄垫圈306(如图3中所示)的元件可以用在密封部分204与壳体202的配合面之间以促进密封(例如，通过在密封表面之间填充任意缺陷，以及减轻接触应力的集中)。垫圈306可以包括任意合适的材料例如相对软的金属(例如金)以用于辅助玻璃-金属密封203。
如上所述，仪器部分120中的光波导200可以与光缆连接以用于将光信号发送至电子感测装置。类似地，例如，在线缆馈通组合件中，一个或更多个线缆可以穿过馈通元件的壳体并且耦接连接器和具有一条或更多条电线的电缆以用于将电信号经过线缆发送至电子装置。
不同于传统的馈通光学传感器，光波导200是提供感测和馈通两方面的整体结构。相反地，传统的传感器通常包括两个单独的部件以实现下述方面：经由光纤跳线与感测波导连接的感测光波导和单独的馈通玻璃塞。此外，在常规设计中光纤跳线暴露于高压以及潜在的有害流体。从本发明的实施方案中去除了这种跳线，减小了性能故障的风险。
当对脆性材料的元件例如在本实例中的玻璃进行轴向装载时，应力在突然遭遇在配合面的端部处从“高压缩应力”过渡到“无应力”的区域之前可以是相对线性地穿过元件的配合面。这种突然的过渡可以导致在这个区域的拉伸应力的集中，这可能导致脆性材料变形，并且最终导致破损。然而，根据本发明的某些方面，如图2中所示，可以通过去除(例如底切)壳体202的配合面的一部分来减小过渡应力分布的幅度和梯度，以使得当玻璃塞被密封到壳体的互补埋头孔中时产生空隙206。例如，可以通过沿着孔的配合面的内环对壳体202进行底切来进行该去除。在这种情况下，如图2所示，得到的壳体202与埋头孔相对的表面可以具有环形底切。对于另一些实施方案，对过渡应力分布的幅度和梯度的减小可以通过铸造或以最初形成具有与埋头孔相对的环形底切的壳体202的其他方式来实现，以使得不需要进行去除。这种对从高压缩过渡到无压缩的应力分布的幅度和梯度的减小可以有助于防止破损。在传感器100的情况下，对配合面的这种修改消除了故障模式，从而提高了传感器的可靠性和寿命。
如图2所示，馈通元件105还可以包括作为第二密封特征的一个或更多个动态密封(通常由于其横截面中的“v”形状而被称为“人字型”密封或v型密封)。在已组装的产品中，这些动态密封可以接触光波导200的第二部分和壳体202，给玻璃-金属密封203(或玻璃-金属密封可以被视为给动态密封提供备用)提供备用。随着施加更大的压力，动态密封被轴向压缩并且进一步径向地扩张，从而紧固了光波导200与壳体202之间的密封。此外，动态密封还可以相对于馈通壳体202的孔和玻璃-金属密封203将光波导200集中到传感器100内。
如前所述，可以基于所需性能和温度标准选择传感器100的各部件的确切材料。例如，第二密封特征可以包括如图3中所示的两个或更多个(可能是交替的)材料302、材料304的“堆叠体”300。可以选择材料302、材料304以实现所需的温度性能，同时仍保持其形状的完整性以用于充分密封。这些材料的实例可以包括PEEK、聚四氟乙烯、聚酰亚胺以及其他聚合物。在某些情况下，对于较高的额定温度(例如，高达250℃)，传感器可以包括交替的PEEK和聚四氟乙烯的堆叠体。可以通过在堆叠体300中使用石墨、石墨增强聚合物或者诸如PMR-15的某些高性能聚酰亚胺来获得甚至更高的额定温度(例如，>300℃)。当然，可以在适当地在材料之间进行一般的替代，并且其他部件的材料也可以被替换以增大额定温度和可靠性。
增大传感器100的额定温度和可靠性的另一特征是在测量部分110中不使用环氧树脂或其他粘结材料。传统的光学馈通装置设计通常将用作测量部分110中的密封特征的环氧树脂暴露在高温下。然而，在如此高的温度下可能破坏环氧树脂的结构完整性，从而导致密封中不可接受的泄漏。采用本发明的实施方案中的玻璃-金属密封203和/或动态密封，在传感器100中不需要使用环氧树脂。
如上所述，为了减小部件接口处的应力分布的幅度和梯度的材料去除还可以用在图4所示的传感器100的预加载部分400中。如所示，波导200的形状可以被设计成在组装过程期间使轴向力406能够施加到波导上。该预加载可以在暴露于操作压力之前有助于保持玻璃-金属密封203中的接触。然而，在波导200与用于在预加载期间施加力的一个或更多个构件402(例如，夹具)之间的接触区域中产生的应力集中可能会损坏光波导。因此，如图4所示，构件402的一个或更多个部分404可以被移除(例如底切)以努力减小在预加载期间强加在波导200上的应力集中的幅度和梯度。构件402可以由任意合适的材料(如塑料)构成并且可以通过预加载部分400中的卡圈保持在适当的位置处。
对于一些实施方案，在传感器100的制造期间还可以将轴向预加载力施加到堆叠体300上。这个预加载力可以用于对动态密封进行轴向压缩且径向膨胀以及在光波导200与壳体202之间产生密封。对于一些实施方案，如图2和图4所示，预加载力可以由v型密封预加载件208提供。
根据某些方面，可以使用一个或更多个诊断感测器(例如布拉格光栅)来监控在预加载期间施加的力的大小。在一些情况下，这种诊断感测器可以沿着受到预加载力的波导200放置在任何适当的位置处，如放置在预加载部分400与光波导200的密封部分204之间。例如，这种诊断感测器在预加载期间可以被监测并且采用与用于感测元件中的感测器的波长带不同的波长带。
图5示出了图4中所描绘的预加载部分400的外部视图。预加载部分400可以包括预加载件壳体500，该预加载件壳体500围绕使用一个或更多个构件402预加载的光波导。预加载件壳体的凸缘504可以由v型密封预加载件208的一个或更多个保持构件(例如图5中所示的卡口形构件502)轴向地保持。以这种方式保持预加载件壳体使得壳体能够径向移动，以使得壳体的中心可以设置在轴线上或相对于壳体202的孔(和v型密封预加载件208的轴线)稍微偏离轴线。利用预加载件壳体的这种可能的径向移动，在传感器100的组装期间可以避免光波导200上的弯曲力，或至少减小光波导200上的弯曲力。使该弯曲力最小化避免了对光波导的应力，以使得冲击载荷不会使光学波导破裂且导致传感器故障。
在传感器组装期间，预加载件壳体可以设置在v型密封预加载件208上方以围绕构件402，预加载件壳体可以旋转以使得凸缘504通过构件502保持，并且预加载件壳体可以沿径向定位以努力避免或至少减小光波导200上的弯曲力。然后，预加载件壳体的凸缘504可以焊接在v型密封预加载件208上方的位置处。如果在传感器操作期间凸缘焊缝失效，则构件502防止预加载件壳体500轴向移动远离v型密封预加载件208。
图6示出了根据本发明公开内容的某些方面的传感器600的示例性最终组合件。例如，使用待测量的区域中的芯轴压力端口上栓接的感测部分的压力脚，对完整组合件的安装可以是较直接的。可以在仪器侧602上进行对仪器的连接，与由上述的密封特征所提供的测量环境隔离。
本发明的实施方案提供了与具有馈通装置特征的传统的光学传感器相比的几个优点。例如，相较于操作温度通常不超过150℃(例如，由于环氧树脂、胶合物或其他粘合材料的分解)的常规传感器，上述的传感器可以获得更高的长期操作温度(至少200℃，并且在一些情况下超过300℃)。通过在传感器的测量部分中使用波纹管组合件，将任何光纤或其他玻璃部件隔离于有害流体。此外，上述用于减小或消除对脆性材料的损坏的特征使得在运输、部署以及传感器的操作期间发生故障的风险显著降低。总之，上述各种特性导致馈通光学传感器相对于传统的馈通传感器具有增大的可靠性和寿命。
虽然前述是针对本发明的实施方案，但是在不脱离本发明基本范围下可以想出本发明的其他实施方案和另外的实施方案，并且本发明的范围由所附权利要求来确定。

Claims (20)

1.一种光学传感器，包括：
至少一个光波导；
设置在所述光波导的一部分中的至少一个感测元件；
馈通元件，所述馈通元件设计成将所述传感器的与所述感测元件通信的第一部分隔离于所述传感器的容纳所述感测元件的第二部分，其中所述馈通元件包括：
通过所述光波导的第一部分与穿过所述馈通元件的壳体延伸的孔接触而形成的第一密封；以及
通过对于所述光波导的第二部分的密封元件的布置与所述馈通元件的壳体的内表面之间的接触而形成的第二密封；以及
构件，所述构件接触所述光波导的第三部分并且构造成用于施加第一预加载力以促进至少所述第一密封的密封，其中所述光波导的所述第三部分具有大于所述光波导的所述第一部分和所述光波导的所述第二部分的外径。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中第二预加载力通过使所述密封元件膨胀促进所述第二密封的密封。
3.根据权利要求1所述的光学传感器，还包括诊断光栅，所述诊断光栅设置在所述光波导中使所述第一预加载力能够被测量。
4.根据权利要求1所述的光学传感器，其中：
所述构件的表面的一部分经底切以减小沿着所述光波导的所述第三部分从高应力过渡到无应力的区域中的应力分布的幅度或梯度中的至少之一。
5.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述构件构造成用于施加所述第一预加载力使得避免在组装期间所述光波导上的弯曲力。
6.根据权利要求1所述的光学传感器，其中用于形成所述第一密封的所述孔的配合面的一部分经底切以减小沿着所述光波导的所述第一部分从高应力过渡到无应力的区域中的应力分布的幅度或梯度中的至少之一。
7.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述密封元件包括在至少两种材料间交替的至少两个元件。
8.根据权利要求7所述的光学传感器，其中所述两种材料中的至少之一包括聚合物。
9.根据权利要求7所述的光学传感器，其中所述两种材料中的至少之一包括PMR-15、石墨或石墨增强聚合物。
10.根据权利要求7所述的光学传感器，其中所述至少两种材料包括PEEK和聚四氟乙烯。
11.根据权利要求5所述的光学传感器，还包括围绕所述构件以及所述光波导的所述第三部分的另一壳体，其中所述另一壳体以使得所述另一壳体的中心能够相对于所述馈通元件的壳体的孔的中心径向地移动的方式轴向地保持，来避免组装期间光波导上的弯曲力。
12.根据权利要求11所述的光学传感器，其中所述另一壳体包括构造成由一个或更多个卡口形保持构件轴向地保持的凸缘。
13.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述光波导的所述第三部分为扩口的。
14.一种光学传感器，包括：
至少一个光波导；
设置在所述光波导的一部分中的至少一个感测元件；
馈通元件，所述馈通元件设计成将所述传感器的与所述感测元件通信的第一部分隔离于所述传感器的容纳所述感测元件的第二部分，其中：
所述馈通元件包括通过所述光波导的第一部分与穿过所述馈通元件的壳体延伸的孔接触而形成的密封；以及
用于形成所述密封的所述孔的配合面的一部分经底切以减小沿着所述光波导的所述第一部分从高应力过渡到无应力的区域中的应力分布的幅度或梯度中的至少之一；以及
构件，所述构件接触所述光波导的第二部分并且构造成用于施加预加载力以促进密封的密封，其中所述光波导的所述第二部分具有大于所述光波导的所述第一部分的外径。
15.根据权利要求14所述的光学传感器，还包括诊断光栅，所述诊断光栅设置在所述光波导中使所述预加载力能够被测量。
16.根据权利要求14所述的光学传感器，其中：
所述构件的表面的一部分经底切以减小沿着所述光波导的所述第二部分从高应力过渡到无应力的区域中的应力分布的幅度或梯度中的至少之一。
17.根据权利要求14所述的光学传感器，其中所述构件构造成用于施加所述预加载力使得避免在组装期间所述光波导上的弯曲力。
18.一种馈通组合件，包括：
至少一根传导线；
馈通元件，所述馈通元件设计成将所述组合件的第一部分隔离于所述组合件的第二部分，其中所述馈通元件包括通过所述传导线的第一部分与延伸穿过所述馈通元件的壳体的孔接触而形成的第一密封，并且其中用于形成所述第一密封的所述孔的配合面的一部分经底切以减小沿着所述传导线的所述第一部分从高应力过渡到无应力的区域中的应力分布的幅度或梯度中的至少之一；以及
构件，所述构件接触所述传导线的第二部分并且构造成施加预加载力以促进所述第一密封的密封，其中所述传导线的所述第二部分具有大于所述传导线的所述第一部分的外径。
19.根据权利要求18所述的组合件，其中所述传导线包括光波导或线缆中的至少之一。
20.根据权利要求18所述的组合件，其中所述馈通元件还包括通过对于所述传导线的第三部分的密封元件的布置与所述馈通元件的壳体的内表面之间的接触而形成的第二密封。
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