DE19860409A1 - Faser-Bragg-Gitter Sensor zur Messung differentieller Drücke und von Strömungsgeschwindigkeiten - Google Patents

Faser-Bragg-Gitter Sensor zur Messung differentieller Drücke und von Strömungsgeschwindigkeiten

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DE19860409A1
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Hubert Braendle
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Abstract

Die vorliegende Erfindung hat einen Faser-Bragg-Gitter Sensor 1, 25 zum Gegenstand, der insbesondere zur Messung von Differenzdrücken und Strömungsgeschwindigkeiten v¶1¶ in Erdölbohrlöchern geeignet ist. Das erfindungsgemäße Sensorprinzip beruht darauf, dass mit Hilfe eines Transducers 1 mit zwei Druckkammern 7a, 7b eine hydrostatische Druckdifferenz zweier flüssiger oder gasförmiger Medien 11a, 11b in eine longitudinale Faserdehnung oder Faserkompression umgesetzt und über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge LAMBDAlambda¶B¶ mindestens eines Faser-Bragg-Gitters 3, 4 gemessen wird. Es werden Ausführungsbeispiele mit zwei entgegengesetzt dehnungsempfindlichen Faser-Bragg-Gittern 3, 4 mit temperaturkompensierten Transducern 1 und mit mehreren Transducern 1 in Wellenlängenmultiplexkonfiguration angegeben. Eine Anwendung betrifft die Messung einer Strömungsgeschwindigkeit v¶1¶ mit einem Venturirohr 23.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der faseroptischen Druck- und Temperaturmessung. Sie geht aus von einem faseroptischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 12.
STAND DER TECHNIK
Bei der Erdölförderung müssen Bohrlöcher hinsichtlich Druck und Temperatur überwacht werden. Im Bohrloch können die Flüssigkeitsdrücke bis zu ca. 100 MPa (1000 bar) und die Temperaturen bis zu über 200°C betragen. Zur Druck­ messung bis ca. 170°C werden häufig elektrische Sensoren, wie z. B. Piezowiderstände, piezoelektrische Elemente, kapazitive Sonden oder Kristallresonatoren, oder optische Drucksensoren, wie z. B. Fabry-Perot Resonatoren oder elastooptische Sensoren, verwendet.
Ein faseroptischer Drucksensor gemäss Oberbegriff ist aus dem Artikel von M. G. Xu et al., "Optical In-Fibre Grating High Pressure Sensor", Electronics Letters 29 (4), 398-399 (1993), bekannt. Dort werden Faser-Bragg-Gitter Sensoren zur Messung isotroper Drücke von Flüssigkeiten vorge­ stellt. Das Bragg-Gitter einer Sensorfaser wird unmittel­ bar dem allseitigen hydrostatischen Druck eines Fluids ausgesetzt. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, dass die isotrope Druckempfindlichkeit für Bragg-Gitter in Glasfasern ausserordentlich niedrig ist (typisch 0,0003 nm­ /100 kPa spezifische Braggwellenlängenverschiebung bei 1550 nm). Zudem ist es wegen der grossen Temperaturemp­ findlichkeit (typisch 0,01 nm/°C) erforderlich, Tempera­ tureffekte zu kompensieren.
Ein optischer Sensor mit Faser-Bragg-Gittern zur Messung von Materialdehnungen wird z. B. in dem U.S. Pat. No. 4,761,073 offenbart. Zur Überwachung von Körperdeformatio­ nen ist die Sensorfaser typischerweise an der Oberfläche des Körpers befestigt oder im Körper eingebettet. Es wird vorgeschlagen, Signalstörungen aufgrund thermischer Git­ terdehnungen mit Hilfe superponierter Gitter unterschied­ licher Reflexionswellenlängen zu eliminieren.
In dem U.S. Pat. No. 5,042,898 wird ein temperatur­ stabilisiertes Faser-Bragg-Gitter gezeigt, das als Wellen­ längenstandard, zur Stabilisierung der Emissionswellen­ länge von Laserdioden oder als Wellenlängenfilter in fa­ seroptischen Sensoren einsetzbar ist. Die Faser ist zwi­ schen zwei Trägern geeigneter thermischer Ausdehnung und Länge so gehaltert, dass die thermisch induzierten Ände­ rungen der Braggwellenlänge kompensiert werden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Faser- Bragg-Gitter Drucksensor anzugeben, welcher zur Messung differentieller isotroper Drücke in Flüssigkeiten oder Gasen geeignet ist und sich durch eine gute Messempfind­ lichkeit und einen grossen Messbereich auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des An­ spruchs 1 und 12 gelöst.
Durch die Erfindung wird ein faseroptischer Sensor für Differenzdruckmessungen angegeben, der einen Transducer mit Druckkörpern zur Aufnahme zweier Fluide umfasst, wobei der Transducer zur Umsetzung der Mediumsdrücke in eine longitudinale Dehnung oder Kompression mindestens eines Faser-Bragg-Gitters einer Sensorfaser ausgestaltet ist. Der Transducer steht also in Druckaustausch mit den beiden Fluiden, wird durch deren Drücke deformiert und trans­ formiert die Deformation in eine Längenänderung der Sen­ sorfaser im Bereich eines Faser-Bragg-Gitters. Die Defor­ mation des Transducers hängt von den Absolutdrücken und/oder direkt vom Differenzdruck ab.
In ersten Ausführungsbeispielen ist ein Faser-Bragg-Gitter zwischen zwei Druckkörpern gehaltert, die durch die Drücke der Fluide dehnbar sind.
In zweiten Ausführungsbeispielen ist ein Faser-Bragg- Gitter zwischen einem am Transducergehäuse befestigten Stützkörper und einem durch die Druckdifferenz beider Flu­ ide dehnbaren Druckkörper gehaltert.
Zusätzlich kann ein Faser-Bragg-Gitter zur Fehlerkompensa­ tion so zwischen den Druckkörpern oder einem Druck- und Stützkörper angebracht sein, dass das Messignal entgegen­ gesetzt und Störsignale gleichgerichtet sind und ein ver­ doppeltes störungsfreies Differenzsignal gebildet werden kann.
Ein anderes Ausführungsbeispiel stellt eine serielle, re­ flexive Multiplexanordnung mehrerer Faser-Bragg-Gitter Differenzdrucksensoren mit unterschiedlichen Bragg-Wellen­ längen dar, die über eine gemeinsame Breitbandlichtquelle gespiesen und wellenlängenselektiv detektiert werden.
Eine bevorzugte Anwendung des Differenzdrucksensors ist die Verwendung im Zusammenhang mit einem Venturirohr zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfin­ dung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es zeigen für einen erfindungsgemässen Differenzdrucksen­ sor:
Fig. 1 einen Transducer (= Druckübertragungselement) mit zwei konzentrischen Druckzylindern: (a) Anordnung für die Dehnung eines Faser-Bragg-Gitters; (b) Anordnung mit temperaturkompensierenden Druckzy­ lindern; (c) Anordnung für eine entgegengesetzte Dehnung zweier Faser-Bragg-Gitter zur Kompensation von Signalstörungen durch Temperatur und allseiti­ gen Druck eines Mediums;
Fig. 2 einen Transducer mit zwei seriellen Druckzylindern (a) für die Dehnung eines Faser-Bragg-Gitters oder (b) für die entgegengesetzte Dehnung zweier Faser- Bragg-Gitter;
Fig. 3 (a), (b) einen Transducer mit zwei parallelen Druckzylindern für die Dehnung eines Faser-Bragg- Gitters;
Fig. 4 einen Transducer mit zwei Druckzylindern für eine separate Dehnung zweier Faser-Bragg-Gitter zur Messung zweier absoluter Drücke;
Fig. 5 eine Multiplexanordnung mit mehreren Differenz­ drucksensoren in Reflexion und
Fig. 6 ein Venturirohr mit Differenzdrucksensor zur Be­ stimmung von Durchflussgeschwindigkeiten.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung hat einen faseroptischen Drucksensor zum Ge­ genstand. Das bekannte Messprinzip besteht darin, dass ein Faser-Bragg-Gitter, welches durch UV-Licht in eine Monomo­ defaser eingeschrieben ist, als Reflektions- oder Trans­ missionsfilter mit einer charakteristischen Bragg- Wellenlänge λB wirkt. Durch longitudinale Faserdehnungen werden Gitterperiode und Brechungsindex geändert und die Bragg-Wellenlänge λB verschoben. Die Ausgangssignale sind wellenlängenkodiert und unabhängig von der Lichtleistung. Der Messbereich ist bei Dehnungsmessungen mit Bragg- Gittern nur durch die Faserbruchgrenze eingeschränkt.
Die Erfindung wird zunächst im Hinblick auf Fig. 1-4 dar­ gelegt. Der erfindungsgemässe faseroptische Drucksensor 1, 25 umfasst einen Transducer 1 mit einer Sensorfaser 2, die mindestens ein Faser-Bragg-Gitter 3, 4, 5 aufweist, wobei der Transducer 1 mindestens einen ersten Druckkörper 7a zur Aufnahme eines ersten Mediums 11a unter einem allsei­ tigen Druck p1 umfasst, mindestens einen zweiten Druckkör­ per 7b zur Aufnahme eines zweiten Mediums 11b unter einem allseitigen Druck p2 umfasst und zur Messung einer Druck­ differenz p1-p2 durch Umsetzung der allseitigen Drücke p1, p2 in eine longitudinale Dehnung oder Kompression mindes­ tens eines Faser-Bragg-Gitters 3, 4 der Sensorfaser 3 aus­ gestaltet ist. Mit Vorteil ist der Transducer für eine durch die Druckdifferenz p1-p2 induzierte differentielle Dehnung des Faser-Bragg-Gitters 3, 4 ausgestaltet. Insbe­ sondere ist der Sensor 1, 25 zur Messung von Differenz­ drücken und Strömungsgeschwindigkeiten in Erdölbohr­ löchern geeignet.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Sensor­ faser 2 zwischen Halterungen 6a, 6b, 6c; 15b montiert und vorzugsweise vorgespannt, sind die Halterungen 6a, 6b, 6c; 15b mit den Druckkörpern 7a, 7b und gegebenenfalls mit Stützkörpern 15a kraftschlüssig verbunden und sind die Druckkörper 7a, 7b zur Auslenkung mindestens einer Hal­ terung 6a, 6b, 6c in Abhängigkeit der Drücke p1, p2 aus­ gestaltet. Bevorzugt sind genau zwei zylindrische Druck­ körper 7a, 7b vorgesehen, die z. B. konzentrisch, parallel oder seriell zueinander angeordnet sind, haben die Druck­ zylinder 7a, 7b gleiche Länge L und sind die Halterungen 6a, 6b, 6c an Stempelflächen 8, 8a, 8b der Druckzylinder 7a, 7b befestigt.
Der Transducer 1 soll separate Einlasse 10a, 10b für die Medien 11a, 11b in die Druckkörper 7a, 7b aufweisen. Es können ein Faser-Bragg-Gitter 3 zur Differenzdruckmessung, ein Faser-Bragg-Gitter 4 zur Fehlerkompensation und/oder ein Faser-Bragg-Gitter 5 zur Temperaturmessung vorgesehen sein. Typischerweise sind die Faser-Bragg-Gitter 3 immer, 4 manchmal und 5 nicht mechanisch vorgespannt. Sie sind durch unterschiedliche Bragg-Wellenlängen λB charakteri­ siert und spektral getrennt auslesbar.
Der Transducer 1 weist druckdichte Faserdurchführungen 12a, 12b für die Sensorfaser 2 und/oder einen Hohlraum 13 für ein Faser-Bragg-Gitter 5 zur Temperaturmessung auf. Für eine nicht dargestellte Kompressionsanordnung soll mindestens ein Block mit einer Bohrung zur seitlichen Stützung der Sensorfaser 2 im Bereich eines Faser-Bragg- Gitters 3, 4 vorgesehen sein. Wegen der ca. 20fach grös­ seren Druck- als Dehnungsbelastbarkeit von Glasfasern ist dadurch ein sehr grosser Druckmessbereich realisierbar.
Die Fig. 1 und 3 zeigen Anordnungen, bei denen zur Diffe­ renzdruckmessung ein Faser-Bragg-Gitter 3 durch Halterun­ gen 6a, 6b zwischen dem ersten und zweiten Druckkörper 7a, 7b fixiert ist. Insbesondere kann gemäss Fig. 1c ein Fehlerkompensations-Faser-Bragg-Gitter 4 zur gegenphasigen Dehnungsänderung in umgekehrter Reihenfolge zwischen dem zweiten und ersten Druckkörper 7b, 7a zwischen Halterungen 6a, 6c befestigt sein. D. h. die Sensorfaserabschnitte mit den Faser-Bragg-Gittern 3, 4 sind beidseits der Endplatte oder Stempelfläche 8 des ersten Druckzylinders 7a angeord­ net und an ihren gegenüberliegenden Enden mit dem zweiten Druckzylinder 7b verbunden. Dadurch sind Dehnungen durch Differenzdrücke p1-p2 einander entgegengesetzt und störende Dehnungen durch isotropen Druck, Temperaturabhängigkeiten der Faser-Bragg-Gitter 3, 4 und Temperaturausdehnung der Druckkörper 7a, 7b gleichgerichtet. Durch Bildung eines Differenzsignals des ersten und zweiten Faser-Bragg- Gitters 3 und 4 sind also die Störsignale eliminierbar und das Nutzsignal verdoppelbar.
Die Fig. 2 zeigen Anordnungen, bei denen ein Faser-Bragg- Gitter 3 zwischen einer durch Differenzdruck zweier Druck­ körper 7a, 7b auslenkbaren Halterung 6a und einem mit dem Transducergehäuse 9 fest verbundenem Stützkörper 15a an Halterungen 5a, 15b montiert ist. Vorzugsweise sind die Druckkörper 7a, 7b seriell hintereinander angeordnet und haben eine gemeinsame Endplatte 8, mit welcher die Hal­ terung 6a in Verbindung steht. Insbesondere ist in Fig. 2b ein vorgespanntes Fehlerkompensations-Faser-Bragg-Gitter 4 zur gegenphasigen Dehnungsänderung in umgekehrter Reihen­ folge zwischen dem Stützkörper 15a und der durch Diffe­ renzdruck auslenkbaren Halterung 6a gehaltert 6a, 15b. D. h. die Faser-Bragg-Gitter 3 und 4 sind beidseits der Halterung 6a mit dem im wesentlichen fixen Stützkörper 15a über die Halterungen 15b verbunden. Dadurch ist wiederum die oben diskutierte erfindungsgemässe Kompensation von Störeffekten im Differenzsignal erreichbar.
Anhand von Fig. 1a wird eine detailliertere Analyse der Funktionsweise des Differenzdrucksensors 1 gegeben. Der erste Druckzylinder 7a ist auf einem Vorsprung oder Sockel 14 montiert, am anderen Ende mit einer Endplatte 8a ver­ schlossen und steht unter einem Innendruck p1 und einem Aussendruck p2. Der konzentrische zweite Druckkörper 7b ist am Gehäuse 9 montiert, hat eine offene Endplatte 8b und ist über den Einlass 10b innen und aussen dem zweiten Druck p2 ausgesetzt. L bezeichnet die Länge der Druckzylin­ der 7a, 7b und l die Länge der Dehnungsstrecke der Sensor­ faser 2 und die Länge des Sockels 14. Eine Variante mit parallelen Druckkörpern 7a, 7b ist in Fig. 3b gezeigt.
Die differentielle longitudinale Dehnung ΔL der Druck­ körper 7a, 7b hängt von den druckinduzierten longitudina­ len Spannungen und über die Poisson'sche Querdehnung auch von den radialen und tangentialen Spannungen in beiden Druckkörpern 7a, 7b ab. Für Druckkörper 7a, 7b gleicher Länge L, gleichen Elastizitätsmoduls E und gleicher Pois­ sonzahl µ findet man
ΔL = L.Δp/E.(1-2 µ).Ri 2/(Ra 2-Ri 2), (G1)
wobei Ri = Innenradius und Ra = Aussenradius des geschlossenen, durch Differenzdruck Δp = p1-p2 belasteten Druckkörpers 7a. Die differentielle Dehnung ΔL ist unabhängig von den abso­ luten Drücken p1, p2 und von den Radien des Druckkörpers 7b. ΔL wird auf die Faserdehnungsstrecke l übertragen und bewirkt für ein Faser-Bragg-Gitter 3, 4 mit einer Bragg- Wellenlänge λB bei 1550 nm eine Wellenlängenverschiebung
ΔλB = 1.21 µm.ΔL/l. (G2)
Auf der Faserdehnungsstrecke soll die Vorspannung so be­ messen sein, dass sie auch bei maximaler Druckbelastung nicht verschwindet. Durch das Längenverhältnis L/l kann die Grösse der Faserdehnung bei gegebener Transducer­ dehnung vorgegeben und insbesondere für eine hohe Druck­ auflösung gross gewählt werden. Beispielsweise wird ein Längenverhältnis L/l < 10 gewählt, um die linearen, hystere­ sefreien Bereiche der Transducerdehnung (ΔL/L < 0,001) und Faserdehnung (Δl/l bis zu über 0,01) aufeinander abzu­ stimmen.
Ein quantitatives Beispiel zum erzielbaren Auflösungsver­ mögen und Messbereich des Differenzdrucks: Druckkörper 7a, 7b aus Stahl mit E = 196.109 N/m2, µ = 0.28, L = 150 mm, l = 10 mm, Ri = 4,8 mm, Ra = 5,0 mm. Dann ist die spezifische Verschiebung der Bragg-Wellenlängen Δλ/Δp = 480 pm/MPa und das Druckauf­ lösungsvermögen 2.1 kPa für 1 pm Wellenlängenauflösung.
Der Messbereich ist durch die Elastizitätsgrenze des Transducers 1 auf Differenzdrücke bis zu ca. 5 MPa (Bragg- Wellenlängenverschiebung ΔλB = 2,4 nm) beschränkt. Die Radien des zweiten Druckkörpers 7b sind unkritisch und können z. B. 6 mm und 8 mm betragen. Ein Transducergehäuse 9 mit 7,5 mm Innenradius und 10,5 mm Aussenradius kann absoluten Drücken über 100 MPa standhalten.
Die Bragg-Wellenlänge λB des Faser-Bragg-Gitters 3 kann auch unmittelbar durch den isotropen Druck p2 (ΔλB = einige pm/MPa), inhärent thermisch (10,3 pm/°C bei λB ≈ 1550 nm) oder durch differentielle thermische Dehnung der Druckkör­ per 7a, 7b gestört werden. Gemäss Fig. 1c wird zur Kompen­ sation ein zweites, spektral separat auslesbares Faser- Bragg-Gitter 4 auf einer gleichlangen Dehnungsstrecke l dem gleichen Druck p2, der gleichen Temperatur und der gleichen thermischen Dehnung ausgesetzt und das störungs­ freie Differenzsignal beider Faser-Bragg-Gitter 3, 4 aus­ gewertet. Darüberhinaus kann die Temperatur des Transdu­ cers 1 mit einem dritten, mechanisch unbelasteten Faser- Bragg-Gitter 5 überwacht und gegebenenfalls zur Korrektur eines Differenzdrucksignals verwendet werden.
Gemäss Fig. 1b kann alternativ oder ergänzend eine passive Temperaturkompensation für die Faserdehnungsstrecke(n) vorgesehen sein. Hierfür soll mindestens ein Druckkörper 7a, 7b und/oder mindestens ein Stützkörper 15a aus Materi­ alien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten α1, α2 bestehen oder zusammengesetzt sein, so dass eine differentielle thermische Ausdehnung zwischen den Halterungen 6a, 6b, 6c einer thermisch induzierten Ver­ schiebung einer Bragg-Wellenlänge λB der Sensorfaser 2 ent­ gegenwirkt. Bei vollständiger Temperaturkompensation gilt
(α2.L - α1.(L + l))/l = 8,0.10-6°C-1, (G3)
wobei α1, α2 = thermische Ausdehnungskoeffizienten des ersten Druckkörpers 7a (mitsamt Sockel 14) und des zweiten Druck­ körpers 7b. Im Gegensatz zum eingangs erwähnten U.S. Pat. No. 5,042,898 werden erfindungsgemäss nach Gleichung G3 die Zylinderlängen gleich gewählt und die Ausdehnungskoef­ fizienten angepasst. Unter der Annahme L = 150 mm, l = 10 mm und α1 = 12,4.10-6°C-1 ist α2 = 14,0.10-6°C-1 erforderlich. Darüberhinaus ist die Faservorspannung so hoch zu wählen, dass eine hinreichende Vorspannung auch noch bei maximaler Betriebstemperatur und maximaler Druckdifferenz p2-p1 gewährleistet ist. Durch die Temperaturkompensation wird die Zuverlässigkeit der Differenzdruckmessung deutlich verbessert.
Geeignete Transducermaterialien sollen neben linearen ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten gemäss Gleichung G3 auch eine geringe Nichtlinearität der thermischen Ausdehnung, eine hohe Korrosionsbeständigkeit bis zu 230°C, einen ähn­ lichen Elastizitätsmodul E und eine ähnliche Poissonzahl µ aufweisen. Somit ist die Auswahl an Stählen eingeschränkt und in vielen Fällen ist die passive Temperaturkompensation nicht oder nur unvollständig durchführbar. Erfindungsgemäss können der Druck- oder Stützkörper 7a, 7b, 15a aus mindes­ tens zwei Segmenten mit unterschiedlichen thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten und vorgebbaren Längen L', L" zusam­ mengesetzt sein. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b ist der zweite Zylinder 7b aus Segmenten L" mit α1 und L' mit α2 aufgebaut. Die modifizierte Bedingung für die Tempera­ turkompensation lautet
(α2.L' - α1.( L' + l))/l = 8,0.10-6°C-1. (G4)
Durch Wahl der Segmentlängen L', L" (mit L' + L" = L) kann also bei gegebenen Ausdehnungskoeffizienten α1, α2 die dif­ ferentielle Ausdehnung der Druckkörper 7a, 7b massge­ schneidert werden. Beispielsweise wird eine Nickel- Basislegierung (z. B. "Hastealloy C-22" der Firma Hynes International mit α1 = 12,4.10-6°C-1) mit einem Chrom-Nickel­ stahl (z. B. "AISI 304" mit α2 = 17,0.10-6°C-1) kombiniert. Für L = 150 mm und l = 15 mm findet man L' = 44,3 mm und L" = 105,6 mm.
Ein Vorteil der temperaturkompensierten Anordnung nach Fig. 1b besteht darin, dass nur das erste Faser-Bragg- Gitter 3 mechanisch vorgespannt ist. Störungen durch iso­ tropen Druck p2 werden mit Hilfe des nun unbelasteten Faser-Bragg-Gitters 4 erfasst und dessen Temperaturabhän­ gigkeit wird mit dem Faser-Bragg-Gitter 5 korrigiert. Die passive Temperaturkompensation gemäss Fig. 1b reduziert den für einen Fasersensor 1 erforderlichen Bragg-Wellen­ längen-Spektralbereich. Sie ist grundsätzlich bei allen Ausführungsbeispielen anwendbar.
Die Anordnungen nach Fig. 2a, 2b und 3a haben den Vorzug, dass die Faser-Bragg-Gitter 3, 4, 5 nicht dem Druck des Mediums 11b ausgesetzt sind. Der Innenraum des Transducers 1 ausserhalb der Druckkörper 7a, 7b kann mit Vakuum oder einem Niederdruckgas gefüllt sein. Die Druckkörper 7a, 7b sind für die volle Druckbelastung p1 oder p2 auszulegen. Der Messbereich für Differenzdrücke erstreckt sich dann bis zu p1 oder p2. Das Druckauflösungsvermögen beträgt für L = 150 mm, auf 100 MPa ausgelegte Wandstärken und 1 pm spektraler Auflösung ca. 100 kPa. Fig. 3a zeigt eine Vari­ ante mit zwei parallelen, ausschliesslich durch Innendruck p1 oder p2 belasteten Druckkörpern 7a, 7b, einem vorge­ spannten Faser-Bragg-Gitter 3 zur Differenzdruckmessung und einem unbelasteten Faser-Bragg-Gitter 5 zur Tempera­ turmessung. Das Faser-Bragg-Gitter 3 wird zwischen gleich­ langen Zylindern 7a, 7b über eine Endplatte 8a und einer um den Sockel 14 der Länge l verlängerten Endplatte 8b ge­ haltert 6a, 6b.
Fig. 4 zeigt einen weiteren Differenzdrucksensor 1, bei welchem je ein Faser-Bragg-Gitter 3 zwischen einem ersten Druckkörper 7a und einem Stützkörper 15a und einem zweiten Druckkörper 7a und einem Stützkörper 15a gehaltert 6a, 15b ist und aus den separat gemessenen Dehnungen der Faser- Bragg-Gitter 3, 4 eine Druckdifferenz Δp = p1-p2 bestimmbar ist. Vorteilhaft ist hierbei die kompakte Anordnung zweier Absolutdruckmessungen in einem Transducer 1.
Fig. 5 zeigt eine Multiplexanordnung 25 mit mehreren er­ findungsgemässen Transducern 1 unterschiedlicher Bragg- Wellenlänge λB. Die Transducer 1 sind mit einer Breitband­ lichtquelle 16, z. B. einer LED oder SLD, und vorzugsweise über einen Faserkoppler 18 mit einem Wellenlängendemulti­ plexer 19 und einem Detektor plus Messelektronik 20 (und Computer 21) optisch verbunden. 22 bezeichnet eine optio­ nale Quelle für Referenzwellenlängen zur spektralen Kali­ bration der Faser-Bragg-Gitter 3, 4, 5. Die Gitter haben ca. 0,2 nm spektrale Breite, 90% maximale Reflektivität, 10 mm Länge und Durchstimmbereiche von 2,4 nm für Tempera­ tur (0°C-230°C) und 3,6 nm zur Differenzdruckmessung (0,003 maximale Dehnung). Mit 1 nm Reserveabstand zum Durchstimmbereich des Nachbargitters benötigt ein passiv temperaturkompensierter Transducer 1 also 7 nm spektrale Breite. Mit einer verlustarmen 1550 nm Lichtquelle (50 nm Spektralbreite) sind 7 Transducer 1 durch Wellenlänge multiplexierbar. Die Transducer 1 können alternativ oder ergänzend auch im Zeitmultiplexverfahren und/oder mittels faseroptischer Schalter sequentiell nacheinander ausge­ lesen werden.
Fig. 6 zeigt eine Verwendung eines erfindungsgemässen faseroptischen Differenzdrucksensors 1, 25, bei welcher aus einer Differenzdruckmessung eine Strömungsgeschwin­ digkeit v1 einer Fluidströmung 24 bestimmt wird. Insbeson­ dere sind die Einlasse 10a, 10b des Transducers 1 mit einem Venturirohr 23 an zwei Stellen mit Querschnitts­ flächen A1 und A2 verbunden. Aus dem Differenzdruck Δp = p1-p2 kann in bekannter Weise die Strömungsgeschwindig­ keit v1 bestimmt werden.
Insgesamt ist der faseroptische Drucksensor 1, 25 durch ein vorteilhaftes Zusammenwirken des äusserst druckbelast­ baren Transducers 1 mit dem sehr dehnungsempfindlichen Faser = Bragg-Gitter 3, 4 der Sensorfaser 2 charakterisiert. Dadurch sind Differenzdrücke zwischen 0.1 kPa und 10 MPa bei sehr hohen Absolutdrücken bis zu ca. 100 MPa mit grossem Auflösungsvermögen messbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Drucksignal wellenlängenkodiert und somit sehr störungsunempfindlich ist. Es kann über grosse Distanzen zwischen dem passiven Sensorkopf 1 und der optoelektronischen Messeinrichtung 16, 19-22 unmittel­ bar faseroptisch ausgelesen werden. Vorteilhaft sind auch die gute Hochtemperaturtauglichkeit, Korrosionsbeständig­ keit und elektromagnetische Störunempfindlichkeit. Der Sensor 1, 25 ist aufgrund seiner Kompaktheit besonders zur Messung von Differenzdrücken und Strömungsgeschwindig­ keiten in Bohrlöchern geeignet.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Faseroptischer differentieller Drucksensor (Transducer)
2
optische Faser, Sensorfaser
3
Faser-Bragg-Gitter 1 (für Druckmessung)
4
Faser-Bragg-Gitter 2 (für Kompensationsmessung)
5
Faser-Bragg-Gitter 3 (für Temperaturmessung)
6
a-
6
c,
15
b Halterungen, Faserhalterungen, Ferrulhalterungen
7
a-
7
b Druckkörper, Druckzylinder
7
a Druckzylinder 1 (Innendruck p1
)
7
b Druckzylinder 2 (Referenzdruck p2
), Referenzzylinder
8
,
8
a,
8
b Endplatten der Druckkörper, Stempelfläche
9
Transducergehäuse
10
a,
10
b Einlasse
11
a Medium 1, Fluid 1 (unter Druck p1
)
11
b Medium 2, Fluid 2 (unter Druck p2
)
12
a,
12
b druckdichte Faserdurchführungen
13
Hohlraum für Temperatursensorfaser
14
Vorsprung, Sockel
15
a Stützkörper, Stützzylinder
16
(Breitband-)Lichtquelle, LED, SLD
17
Zuleitungsfasern
18
Koppler, Faserkoppler
19
Wellenlängendemultiplexer, (abstimmbares) Spek­ tralfilter, Fabry-Perot Filter
20
Detektor und Messelektronik
21
Computer, PC
22
Quelle für Referenzwellenlängen
23
Venturirohr
24
Fluidströmung
25
Gesamtsensor
A1
, A2
Querschnittsflächen
α1
, α2
thermische Ausdehnungskoeffizienten
E Young'scher Elastizitätsmodul
l Länge der Dehnungsstrecke der Drucksensorfaser
L Länge eines Druckzylinders
ΔL differentielle Dehnung
L', L" Segmentlängen eines Druckzylinders/Stützzylinders
λB
Bragg-Wellenlänge
ΔλB
Bragg-Wellenlängenverschiebung
µ Poissonzahl
p1
, p2
Drücke
Δp Druckdifferenz
Ri
Innenradius des ersten Druckzylinders
Ra
Aussenradius des ersten Druckzylinders
v1
, v2
Strömungsgeschwindigkeiten

Claims (12)

1. Faseroptischer Drucksensor (1, 25), insbesondere geeignet zur Messung von Differenzdrücken und Strö­ mungsgeschwindigkeiten in Erdölbohrlöchern, umfassend einen Transducer (1) mit einer Sensorfaser (2), die mindestens ein Faser-Bragg-Gitter (3, 4, 5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) der Transducer (1) mindestens einen ersten Druck­ körper (7a) zur Aufnahme eines ersten Mediums (11a) unter einem allseitigen Druck p1 umfasst,
  • b) der Transducer (1) mindestens einen zweiten Druck­ körper (7b) zur Aufnahme eines zweiten Mediums (11b) unter einem allseitigen Druck p2 umfasst und
  • c) der Transducer (1) zur Messung einer Druckdifferenz p1-p2 durch Umsetzung der allseitigen Drücke p1, p2 in eine longitudinale Dehnung oder Kompression des mindestens einen Faser-Bragg-Gitters (3, 4) der Sensorfaser (2) ausgestaltet ist.
2. Faseroptischer Sensor (1, 25) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer (1) für eine durch die Druckdifferenz p1-p2 induzierte differentielle Deh­ nung des Faser-Bragg-Gitters (3, 4) ausgestaltet ist.
3. Faseroptischer Sensor (1, 25) nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) die Sensorfaser (2) zwischen Halterungen (6a, 6b, 6c; 15b) montiert und vorzugsweise vorgespannt ist,
  • b) die Halterungen (6a, 6b, 6c; 15b) mit den Druckkör­ pern (7a, 7b) und gegebenenfalls mit Stützkörpern (15a) kraftschlüssig verbunden sind und
  • c) die Druckkörper (7a, 7b) zur Auslenkung mindestens einer Halterung (6a, 6b, 6c) in Abhängigkeit der Drücke p1, p2 ausgestaltet sind.
4. Faseroptischer Sensor (1, 25) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) genau zwei zylindrische Druckkörper (7a, 7b) vorge­ sehen sind, die konzentrisch, parallel oder seriell zueinander angeordnet sind,
  • b) die Druckzylinder (7a, 7b) gleiche Länge L haben und
  • c) die Halterungen (6a, 6b, 6c) an Stempelflächen (8, 8a, 5b) der Druckzylinder (7a, 7b) befestigt sind.
5. Faseroptischer Sensor (1, 25) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) der Transducer (1) separate Einlasse (10a, 10b) für die Medien (11a, 11b) in die Druckkörper (7a, 7b) aufweist und/oder
  • b) ein Faser-Bragg-Gitter (3) zur Differenzdruckmes­ sung, ein Faser-Bragg-Gitter (4) zur Fehlerkompen­ sation und/oder ein Faser-Bragg-Gitter (5) zur Tem­ peraturmessung vorgesehen sind/ist.
6. Faseroptischer Sensor (1, 25) nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) zur Differenzdruckmessung ein Faser-Bragg-Gitter (3) zwischen dem ersten und zweiten Druckkörper (7a, 7b) gehaltert (6a, 6b) ist und
  • b) insbesondere ein Fehlerkompensations-Faser-Bragg- Gitter (4) zur gegenphasigen Dehnungsänderung in umgekehrter Reihenfolge zwischen dem zweiten und ersten Druckkörper (7b, 7a) gehaltert (6a, 6c) ist.
7. Faseroptischer Sensor (1, 25) nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) ein Faser-Bragg-Gitter (3) zwischen einer durch Differenzdruck zweier Druckkörper (7a, 7b) auslenk­ baren Halterung (6a) und einem Stützkörper (15a) gehaltert (6a, 15b) ist, wobei vorzugsweise die Halterung (6a) mit einer gemeinsamen Endplatte (8) zweier seriell angeordneter Druckkörper (7a, 7b) verbunden ist und
  • b) insbesondere ein Fehlerkompensations-Faser-Bragg- Gitter (4) zur gegenphasigen Dehnungsänderung in umgekehrter Reihenfolge zwischen dem Stützkörper (15a) und der durch Differenzdruck auslenkbaren Halterung (6a) gehaltert (6a, 15b) ist.
8. Faseroptischer Sensor (1, 25) nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) je ein Faser-Bragg-Gitter (3) zwischen einem ersten Druckkörper (7a) und einem Stützkörper (15a) und einem zweiten Druckkörper (7a) und einem Stütz­ körper (15a) gehaltert (6a, 15b) ist und
  • b) mit beiden Faser-Bragg-Gittern (3, 4) eine Druck­ differenz bestimmbar ist.
9. Faseroptischer Sensor (1, 25) nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) mindestens ein Druckkörper (7a, 7b) und/oder minde­ stens ein Stützkörper (15a) aus Materialien mit un­ terschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizien­ ten α1, α2 besteht oder zusammengesetzt ist, so dass eine differentielle thermische Ausdehnung zwischen den Halterungen (6a, 6b, 6c) einer thermisch in­ duzierten Verschiebung einer Bragg-Wellenlänge (λB) der Sensorfaser (2) entgegenwirkt und
  • b) insbesondere ein Druck- oder Stützkörper (7a, 7b, 15a) aus mindestens zwei Segmenten mit unterschied­ lichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und vorgebbaren Längen L', L" zusammengesetzt ist.
10. Faseroptischer Sensor (1, 25) nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass
  • a) der Transducer (1) druckdichte Faserdurchführungen (12a, 12b) für die Sensorfaser (2) aufweist und/­ oder
  • b) der Transducer (1) einen Hohlraum (13) für ein Faser-Bragg-Gitter (5) zur Temperaturmessung auf­ weist und/oder
  • c) für eine Kompressionsanordnung mindestens ein Block mit einer Bohrung zur seitlichen Stützung der Sen­ sorfaser (2) im Bereich eines Faser-Bragg-Gitters (3, 4) vorgesehen ist.
11. Faseroptischer Sensor (1, 25) nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Transducer (1) unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge λB mit einer Breitbandlichtquelle (16) und vorzugsweise über einen Faserkoppler (18) mit einem wellenlängendemultiplexer (19) und einem Detektor plus Messelektronik (20) in optischer Verbindung stehen.
12. Verwendung eines faseroptischen Differenzdrucksensors (1, 25) nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass
  • a) aus einer Differenzdruckmessung eine Strömungsge­ schwindigkeit v1 einer Fluidströmung (24) bestimmt wird und
  • b) insbesondere die Differenzdruckmessung an einem Venturirohr (23) durchgeführt wird.
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