CN110579250A - 一种基于低启动流光纤光栅流量传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于低启动流光纤光栅流量传感器及其制备方法，光纤光栅具有很好的温度线性响应特性，而MHC加热陶瓷具有很好的加热和传热特性，将光纤光栅封装在加热陶瓷管的中心，空隙部分填充用高导热材料纳米钨粉，制成光纤光栅流量传感器。当流体流过传感器的过程中带走部分热量，导致光纤光栅的波长发生漂移。其中光栅被保护在陶瓷套管中避免与流体直接接触，同时避免了流体对光纤光栅冲击弯曲干扰。该传感器的外径5.5mm,长度70mm，相比传统光纤流量传感器，该传感器体积小有效减少湍流对传感器测量的影响。本发明为光电复合光缆的光纤光栅流量传感器，传感器成本低，体积小，耐腐蚀，结构简单，灵敏度高，响应时间快，适用于流量范围5‑100 m³/d实时监测。

Description

一种基于低启动流光纤光栅流量传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，涉及基于热线式传感机理的适应于低启动流速下的光纤光栅流量传感器，具体涉及一种基于低启动流光纤光栅流量传感器及其制备方法。

背景技术

随着石油不断开采，浅层能源已被开采完，人类又向深层能源开始不断挖掘，井下石油和表面管道系统的石油生产是产油率的关键测量参数，在一个大的动态范围，单相或多相流体流量的实时在线的监测测量，并使其具有精度高，可靠性好，成本效益低，是一个瓶颈问题，它对石油工业实现全面的经济潜力能产生重大影响。通常情况下，传统的单相流体流量计的电信号输出操作是电气传感元件和机械设备的组合。流体流动是通过监测参数的变化，如涡轮的频率,涡旋脱落引起的振动频率，或者流体流动引起的压力。由于油井油田是在恶劣的环境下，包括高压、空间狭小和腐蚀性物质的存在，所以如电气叶轮式流量计，涡轮流量计，基于振动的流量计和皮托管流量计都是不适合应用的。新型光纤流量传感器是一种新的光学传感器，由于流体的光信号强度，频率，相位和波长调制的特点，它有别于传统的流量传感器具有耐腐蚀，小巧，抗电磁干扰等优点。但对于深层油田的产油率低，因此对传感器的灵敏度要求更高，现有的光纤流量传感器不能满足低启动流的实时监测。

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低启动流光纤光栅流量传感器及其制备方法，克服5-100m³/d的低启动流、大范围的流量传感器，提供一种结构简单、高灵敏度并响应时间快的用于实时井中的基于热线式传感机理的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：

一种基于低启动流光纤光栅流量传感器，包括高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1），其特征在于，高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）内悬空光纤光栅（3），电极引脚（4）相反端通过353胶体将光纤光栅（3）固定在高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）中心，光纤光栅（3）与高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）之间缝隙填充高纯纳米钨粉（2），导线连接电极引脚（4）。

一种基于低启动流光纤光栅流量传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将光纤光栅（3）悬空在高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）中；

2）然后在电极引脚的相反端用353胶体将光纤光栅（3）固定在高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）的中心；

3）然后将高纯纳米钨粉（2）填充高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）与光纤光栅（3）之间的空隙，用细铁丝压实钨粉（2），最后用导线连接电极引脚（4），传感器制作完成。

本发明的有益效果是：

本发明基于热线式传感机理和高灵敏度光纤光栅温度结合的高灵敏度光纤低启动流流量传感器，该传感器适用于现有的光电复合光缆井中测试需求，传感器灵敏度高、响应时间快以及体积小实现了油田开采的实时流速监测。实现了流量检测范围为5-100m³/d，流速范围约0.073m/s-0.147m/s的测量。

附图说明

图1是本发明的光纤光栅流量传感器示意图。

图2是本发明的模拟井中低启动流测试装置图。

图3是本发明实施例1中不同流速与布拉格波长关系图。

图4是本发明实施例1在一定流速下，加热功率与布拉格波长之间变化图。

图5是本发明实施例1在额定加热功率下，传感器流量测试响应时间图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

如图1所示，一种基于低启动流光纤光栅流量传感器，包括高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1），其特征在于，高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）内悬空光纤光栅（3），电极引脚（4）相反端通过353胶体将光纤光栅（3）固定在高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）中心，光纤光栅（3）与高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）之间缝隙填充高纯纳米钨粉（2），导线连接电极引脚（4）。

一种基于低启动流光纤光栅流量传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将光纤光栅（3）悬空在高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）中；

2）然后在电极引脚的相反端用353胶体将光纤光栅（3）固定在高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）的中心；

3）然后将高纯纳米钨粉（2）填充高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）与光纤光栅（3）之间的空隙，用细铁丝压实钨粉（2），最后用导线连接电极引脚（4），传感器制作完成。

实施例1

在图1中，本实施例的一种基于热线式光纤光栅流量传感器由高温陶瓷金属陶瓷发热体（Metal Ceramics Heater，MCH）氧化铝加热管1、高纯纳米钨粉2、光纤光栅3、和电极引脚4组装构成。

首先将中心波长为1560nm的光纤光栅3悬空在加热管1中，加热管1的加热功率5W，加热管1的内径1.8mm，外径5.5mm，加热区域长4mm，总长7mm，然后在电极引脚的相反端用353胶体将光纤光栅3固定在加热陶瓷管1的中心；然后将高纯纳米钨粉2填充加热管1与光纤光栅3之间的空隙，用细铁丝压实钨粉2，最后用导线连接电极引脚4，传感器制作完成。

将光纤光栅流量传感器封装套管中，其中套管的内径3寸半（标准油管尺寸），如图2所示。在流量测试装置中，通过改变水泵的抽水功率进而改变流量的大小，在细的管口放有电磁流量传感器和温度计分别检测流量的大小和流体的温度。其中温度检测是用来补偿光纤光栅流量传感器。测试结果如图3所示，随着流速加快，散热速率增加，布拉格波长向短波方向漂移。加热管的加热功率是该传感器的重要参量。在一定的流速下，改变直流稳压电源的电流，导致光纤光栅波长漂移量明显不同，如图4所示，加热功率越高波长漂移该变量越大。本发明是用于流体的实时监测，因此传感器的响应时间是评价传感器的重要指标。因此在加热管额定加热功率下，改变流速观察传感器的响应时间，如图5所示，流量从541.706L/h变到279.284L/h，传感器响应时间约11.5s。

实施例2

在本实施例中，光纤光栅3的中心波长为1550nm，加热管1的加热功率3W，加热管1的内径1.8mm，外径5.5mm，加热区域长4mm，总长7mm。其它零部件以及零部件的联接关系及测试方式与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，光纤光栅3的中心波长为1540nm，加热管1的加热功率28W，加热管1的内径1.8mm，外径5.5mm，加热区域长4mm，总长7mm。其它零部件以及零部件的联接关系及测试方式与实施例1相同。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备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；钨粉，型号高纯超细钨粉，由中国金属冶金研究总院。工业微型高温陶瓷加热棒MCH氧化铝加热管，型号分别为3W，5W，28W，由广州市北龙电子有限公司生产；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。

Claims (2)

1.一种基于低启动流光纤光栅流量传感器，包括高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1），其特征在于，高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）内悬空光纤光栅（3），电极引脚（4）相反端通过353胶体将光纤光栅（3）固定在高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）中心，光纤光栅（3）与高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）之间缝隙填充高纯纳米钨粉（2），导线连接电极引脚（4）。

2.一种基于低启动流光纤光栅流量传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将光纤光栅（3）悬空在高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）中；

2）然后在电极引脚的相反端用353胶体将光纤光栅（3）固定在高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）的中心；

3）然后将高纯纳米钨粉（2）填充高温陶瓷金属陶瓷发热体氧化铝加热管（1）与光纤光栅（3）之间的空隙，用细铁丝压实钨粉（2），最后用导线连接电极引脚（4），传感器制作完成。