CN110579249A - 一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器及制造方法 - Google Patents

一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器及制造方法 Download PDF

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Abstract

一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器及制造方法，加热部分由掺钴多模光纤和泵浦光源构成，掺钴多模光纤在泵浦光源的激励下，将激光能量全部转化成热能，提供该传感器的热源；温度传感部分是由普通的单模光纤和光纤光栅解调仪构成，光纤光栅温度响应特性线性度好，灵敏度高。先将光纤光栅插入波纹管导热陶瓷中，其中间隙填充钨粉，然后将掺钴多模光纤缠绕在波纹管导热陶瓷的外侧，涂抹导热硅胶简单固定后插入导热空心陶瓷管中，环氧树脂固定导热陶瓷管一端。该传感器体积小有效减少湍流对传感器测量的影响。本发明为全光纤光栅流量传感器，传感器成本低，体积小，耐高温，耐腐蚀，结构简单，灵敏度高，适用于流量范围5‑100 m3/d实时监测。

Description

一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器及制造方法
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器及制造方法。
背景技术
据2019年全球能源需求与预测报道，中国能源需求与日俱增，其中最主要的能源需求是石油。随着油气资源的不断开采，浅层易开采的油层已枯竭，人们不断向深层油层探索开采石油资源。然而在于深层石油的开采、运输以及存储过程中，流速的准确测量对估计产量和保证生产安全具有重要意义。低启动下的单相或油水两相甚至更复杂的油气水三相流的高精度在线监测流量传感器是目前石油开采的技术难题。目前，对于传统的单相流量计的研究已有很多，包括电类的流量计和光纤类的流量计。其中电类的流量计主要有电气叶轮式流量计，涡轮流量计和文丘里流量计等。由于测量范围、测试环境不同所以传感器的种类较多，但是针对油气井中低启动流流量测量传统的电类传感器由于其不耐高温、易受电磁干扰固有弊端导致其不在适用。对于光纤流量传感器很好地弥补了电类传感器的不足。目前已报到的光纤流量传感器主要有靶式光栅流量计，但是基于机械结构的靶式光纤流量计的灵敏度低、体积大、响应时间且长引入湍流，因此现有的光纤流量传感器不能满足低启动流的在线流量监测。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器及制造方法，克服流量范围为5-100m3/d及流速约0.073m/s-0.147m/s的宽测量范围、低启动流速下的流量传感器，提供一种结构简单、耐高温、耐腐蚀、高灵敏度并响应时间快的用于在线井中流速检测的的全光纤光栅流量传感器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器，包括普通单模光纤光栅（1），其特征在于，普通单模光纤光栅（1）插入波纹管导热陶瓷（3）中，通过环氧树脂胶（7）固定普通单模光纤光栅（1）与波纹管导热陶瓷（3）的一端，普通单模光纤光栅（1）与波纹管导热陶瓷（3）间隙填充纳米钨粉（2），波纹管导热陶瓷（3）外侧缠绕掺钴多模光纤（4），掺钴多模光纤（4）表面涂抹导热硅胶（5）；将上述整体插入导热空心陶瓷管（6）中，导热空心陶瓷管（6）开口端通过环氧树脂胶（7）密封。
一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将普通单模光纤光栅（1）插入波纹管导热陶瓷（3）中；
2）用环氧树脂胶（7）固定普通单模光纤光栅（1）在波纹管导热陶瓷（3）一端位置，其中普通单模光纤光栅（1）和波纹管导热陶瓷（3）间隙填充纳米钨粉（2）；
3）将掺钴多模光纤（4）缠绕在波纹管导热陶瓷（3）的外侧，表面涂抹导热硅胶（5）；
4）最后将整体插入导热空心陶瓷管（6）中，再用环氧树脂胶（7）密封导热陶瓷管一端，全光纤光栅流量传感器制作完成。
本发明的有益效果是：
本发明在热线式流量传感机理下，设计的全光纤低启动流量传感器。该传感器主要利用高掺钴的多模光纤在泵浦光中心波长为976nm半导体激光器产生加热源和高灵敏度的光纤光栅温度传感。热线式全光纤流量传感在流量范围为5-100m3/d以及流速范围约0.073m/s-0.147m/s的测量环境中，具有灵敏度高，结构简单，响应时间快，体积小巧，耐腐蚀，耐高温等优点，因此实现了深层油气田开采流速的在线监测。
附图说明
图1是本发明的全光纤光栅流量传感器截面示意图。
图2是本发明的全光纤光栅流量传感器俯视示意图。
图3是本发明的模拟井中低启动流测试装置图。
图4是本发明本发明传感器在不同流速下，光纤光栅波长变化图。
其中，1为光纤光栅，2为纳米钨粉，3为波纹管导热陶瓷，4为掺钴多模光纤，5为导热硅胶，6为导热空心陶瓷管，7为环氧树脂胶，8为光纤光栅解调仪，9为泵浦光源，10为电类流量计和温度计，11为注水泵，12为温度流速控制面板。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进一步叙述。
如图1、2所示，一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器，包括普通单模光纤光栅（1），其特征在于，普通单模光纤光栅（1）插入波纹管导热陶瓷（3）中，通过环氧树脂胶（7）固定普通单模光纤光栅（1）与波纹管导热陶瓷（3）的一端，普通单模光纤光栅（1）与波纹管导热陶瓷（3）间隙填充纳米钨粉（2），波纹管导热陶瓷（3）外侧缠绕掺钴多模光纤（4），掺钴多模光纤（4）表面涂抹导热硅胶（5）；将上述整体插入导热空心陶瓷管（6）中，导热空心陶瓷管（6）开口端通过环氧树脂胶（7）密封。
一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将普通单模光纤光栅（1）插入波纹管导热陶瓷（3）中；
2）用环氧树脂胶（7）固定普通单模光纤光栅（1）在波纹管导热陶瓷（3）一端位置，其中普通单模光纤光栅（1）和波纹管导热陶瓷（3）间隙填充纳米钨粉（2）；
3）将掺钴多模光纤（4）缠绕在波纹管导热陶瓷（3）的外侧，表面涂抹导热硅胶（5）；
4）最后将整体插入导热空心陶瓷管（6）中，再用环氧树脂胶（7）密封导热陶瓷管一端，全光纤光栅流量传感器制作完成。
基于全光纤光栅线式流量传感器件的基本工作原理:
如图3所示，掺钴多模光纤4在泵浦激光中心波长为976nm的固体激光器8的激励下产生温度高达800℃的恒温可控热源，普通单模光纤光栅1通过光纤光栅解调仪9波长解调对应的温度场，其中光纤光栅中心波长1550nm。因此，当传感器安装在流体中时，利用波长解调技术可实时测量出对应的温度，结合温度流速控制面板12计算出流量与波长之间的关系，在实际测试中根据关系式反推出流量值。显然，流体流速越大，带走的热量就越大，栅区的温度就越小，温度与流体流量成非线性关系。同时，模拟井中三相流实验室测试装置中带有电类流量计和温度计10，流体自身温度对传感器检测至关重要，温度计提供了当前环境温度，通过温度补偿得到流体流量的准确测量。
图4所示全光纤光栅流量传感器在模拟井中三相流实验室测试装置进行实验测试结果。由于流速与热损耗的关系是非线性的，光纤光栅的温度响应特性是线性的，所以流量与波长偏移的变化是非线性的。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明制备全光纤光栅流量传感器进行实验室研究试验，实验情况如下：
实验仪器：光纤光栅解调仪，型号为SM-125，由MICRON OPTICS公司生产；直流稳压电源，型号为LPS305，由台湾茂迪股份有限公司；模拟井中三相流实验室测试装置，型号SXL-1油气水三相流模拟装置，由南通华兴石油仪器有限公司生产制造；泵浦激光器974/976nm，型号为FL-976-600-B，由陕西白驹光电科技有限公司生产制造。
导热材料：钨粉，型号高纯超细钨粉，由中国金属冶金研究总院生产；导热硅胶，由诺风电子有限公司生产。
本发明在热线式流量传感机理下，设计的全光纤低启动流量传感器。该传感器主要利用高掺钴的多模光纤在泵浦光中心波长为976nm半导体激光器产生加热源和高灵敏度的光纤光栅温度传感。热线式全光纤流量传感在流量范围为5-100m3/d以及流速范围约0.073m/s-0.147m/s的测量环境中，具有灵敏度高，结构简单，响应时间快，体积小巧，耐腐蚀，耐高温等优点，因此实现了深层油气田开采流速的在线监测。

Claims (2)

1.一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器，包括普通单模光纤光栅（1），其特征在于，普通单模光纤光栅（1）插入波纹管导热陶瓷（3）中，通过环氧树脂胶（7）固定普通单模光纤光栅（1）与波纹管导热陶瓷（3）的一端，普通单模光纤光栅（1）与波纹管导热陶瓷（3）间隙填充纳米钨粉（2），波纹管导热陶瓷（3）外侧缠绕掺钴多模光纤（4），掺钴多模光纤（4）表面涂抹导热硅胶（5）；将上述整体插入导热空心陶瓷管（6）中，导热空心陶瓷管（6）开口端通过环氧树脂胶（7）密封。
2.一种基于掺钴多模光纤光栅热线式流量传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将普通单模光纤光栅（1）插入波纹管导热陶瓷（3）中；
2）用环氧树脂胶（7）固定普通单模光纤光栅（1）在波纹管导热陶瓷（3）一端位置，其中普通单模光纤光栅（1）和波纹管导热陶瓷（3）间隙填充纳米钨粉（2）；
3）将掺钴多模光纤（4）缠绕在波纹管导热陶瓷（3）的外侧，表面涂抹导热硅胶（5）；
4）最后将整体插入导热空心陶瓷管（6）中，再用环氧树脂胶（7）密封导热陶瓷管一端，全光纤光栅流量传感器制作完成。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113075421A (zh) * 2021-03-22 2021-07-06 广东工业大学 一种热线式风速传感器、制备方法和风速检测系统
CN113532536A (zh) * 2021-07-22 2021-10-22 北京奥特美克科技股份有限公司 一种光纤传感器及其制作方法
CN116754104A (zh) * 2023-08-14 2023-09-15 山东省科学院激光研究所 一种光纤光栅激光热场传感器及其应用方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1869619A (zh) * 2006-06-26 2006-11-29 哈尔滨工业大学 高电压环境光纤光栅温度传感器
US20120033709A1 (en) * 2009-05-01 2012-02-09 Fujitsu Limited Temperature measurement system and temperature measurement method
CN103148902A (zh) * 2013-01-29 2013-06-12 中国计量学院 一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器
CN103292931A (zh) * 2013-05-31 2013-09-11 国家电网公司 一种电力电缆光纤测温基准数据测量装置
CN103791957A (zh) * 2014-03-03 2014-05-14 中国计量学院 一种基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器
CN104977098A (zh) * 2015-07-16 2015-10-14 吉林大学 一种响应速度快的高灵敏度光纤光栅温度传感器
CN105021649A (zh) * 2015-07-27 2015-11-04 清华大学 一种微距渗流监测传感器
CN107179421A (zh) * 2017-06-29 2017-09-19 山东省科学院激光研究所 流速传感器探头及流速测量系统
CN108332878A (zh) * 2018-01-31 2018-07-27 北京航天控制仪器研究所 一种光纤光栅温度传感器及制备方法
CN109030561A (zh) * 2018-07-09 2018-12-18 大连理工大学 一种基于分布式光纤传感器的预应力管道压浆密实度检测装置及检测方法
CN109596496A (zh) * 2018-12-14 2019-04-09 西安理工大学 一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台
CN109813458A (zh) * 2019-01-05 2019-05-28 西安科技大学 一种基于3d打印技术的光纤光栅温度传感器及其组装方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1869619A (zh) * 2006-06-26 2006-11-29 哈尔滨工业大学 高电压环境光纤光栅温度传感器
US20120033709A1 (en) * 2009-05-01 2012-02-09 Fujitsu Limited Temperature measurement system and temperature measurement method
CN103148902A (zh) * 2013-01-29 2013-06-12 中国计量学院 一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器
CN103292931A (zh) * 2013-05-31 2013-09-11 国家电网公司 一种电力电缆光纤测温基准数据测量装置
CN103791957A (zh) * 2014-03-03 2014-05-14 中国计量学院 一种基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器
CN104977098A (zh) * 2015-07-16 2015-10-14 吉林大学 一种响应速度快的高灵敏度光纤光栅温度传感器
CN105021649A (zh) * 2015-07-27 2015-11-04 清华大学 一种微距渗流监测传感器
CN107179421A (zh) * 2017-06-29 2017-09-19 山东省科学院激光研究所 流速传感器探头及流速测量系统
CN108332878A (zh) * 2018-01-31 2018-07-27 北京航天控制仪器研究所 一种光纤光栅温度传感器及制备方法
CN109030561A (zh) * 2018-07-09 2018-12-18 大连理工大学 一种基于分布式光纤传感器的预应力管道压浆密实度检测装置及检测方法
CN109596496A (zh) * 2018-12-14 2019-04-09 西安理工大学 一种基于Si-DTS的砂性土渗流量监测平台
CN109813458A (zh) * 2019-01-05 2019-05-28 西安科技大学 一种基于3d打印技术的光纤光栅温度传感器及其组装方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113075421A (zh) * 2021-03-22 2021-07-06 广东工业大学 一种热线式风速传感器、制备方法和风速检测系统
CN113075421B (zh) * 2021-03-22 2024-03-01 广东工业大学 一种热线式风速传感器、制备方法和风速检测系统
CN113532536A (zh) * 2021-07-22 2021-10-22 北京奥特美克科技股份有限公司 一种光纤传感器及其制作方法
CN116754104A (zh) * 2023-08-14 2023-09-15 山东省科学院激光研究所 一种光纤光栅激光热场传感器及其应用方法
CN116754104B (zh) * 2023-08-14 2023-11-03 山东省科学院激光研究所 一种光纤光栅激光热场传感器及其应用方法

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