NO319929B1 - Fiberoptisk sensor og system omfattende slike sensorer - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører fiberoptiske sensorer som kan inngå i et avfø-lingssystem for å måle parametre slik som resistivitet, induktans, kapasitans og frekvens, og mer spesielt vedrører oppfinnelsen fiberoptiske sensor som angitt i innledningen til de selvstendige patentkravene 1,16 og 19. Oppfinnelsen vedrører dessuten et fiberoptisk avfølingssystem innbefattende et mangfold av de fiberoptiske sensorene, som angitt i innledningen til patentkrav 15. Oppfinnelsen vedrører således anvendelsen av intrinsike fiberoptiske elementer i et fiberoptisk sensorsystem for å måle slike para-metere som nevnt ovenfor.

Det er kjent mange teknikker for å maksimalisere oljevolumet som produseres i en olje-bønn. En av disse er for eksempel kalt "produksjonslogging". Produksjonslogging refe-rerer seg generelt til prosessen å senke ned en "verktøystreng" i en produserende olje-brønn som har blitt foret og perforert. Verktøystrengen kan innbefatte et antall velkjente anordninger for å uføre forskjellige funksjoner, slik som perforering av brønnens foringsrør, forsegling eller tetting av perforeringer i brønnens foringsrør, pumping av petroleum fra brønnen, måling av karakteristika eller egenskaper til fluider i brønnen og lignende.

Petrofysikere er ofte interessert i å måle karakteristika til forskjellige fluider i brønnen, ved forskjellige dybder, for å bestemme hvilke dybder av brønnen som produserer olje, og mengden eller hastigheten som de produserer med. Det er vanlig at det utføres perforeringer i brønnens foringsrør ved forskjellige dybder for å tillate olje å strømme inn i borehullet fra de omgivende strata. Selv om det er fordelaktig å utføre disse perforeringene på dybder som korresponderer med oljebærende strata, blir disse perforeringene noen ganger utført ved dybder hvor en blanding av olje og vann befinner seg, eller hvor det bare er vann. I noen tilfeller blir perforeringene utført ved dybder som initielt produserer en stor del olje, men etter hvert produserer mer og mer vann og mindre og mindre olje på grunn av utarmingen av oljereservene ved denne dybden. Dersom det blir fast-slått at en viss dybde av brønnen er ikke-produserende, eller produserer for det meste saltvann ("saltlake"), blir det utført utbedringsarbeide ved denne dybden av brønnen. For eksempel kan perforeringene i foringsrøret ved denne dybden plugges for å stoppe produksjonen. Så kan andre mer produktive dybder av brønnen fortsette produksjonen. Enn videre kan ny produksjon initieres ved å perforere foringsrøret ved andre, ikke-tappede dybder av brønnen.

Det er derfor en viktig produksjonsfunksjon å logge for å måle forholdet mellom vann og olje ved forskjellige dybder inne i brønnens foringsrør. Slik produksjonslogging in-dikerer hvorvidt fluidet som strømmer inn i brønnen ved et bestemt sted er olje eller vann. I de fleste tilfellene tilfører ikke strømmen av vann inn i brønnen noen verdi, men øker produksjonskostnaden. Indikasjonen vann til olje tillater brønnoperatøren å foreta utbedringshandlinger for å plugge perforeringen i brønnen som produserer for det meste vann og på annen måte kontrollere brønnen for å maksimalisere uttappingen av olje fra formasjonen.

En kjent fremgangsmåte for å bestemme vann og oljeinnholdet i en fluidprøve eller flu-idstrøm er å måle resistiviteten til fluidet. En slik resistivitetsmåling er et mål på resistansen pr. lengdeenhet til en mengde av fluidet som har en tverrsnittsenhet. Oljen og undergrunnsvannet har vanligvis svært forskjellige resistiviteter. Det salte undergrunnsvannet er mer ledende enn olje. Ved å måle resistiviteten til fluidet kan man lett skille mellom olje og vann. I virkeligheten er resistivitetsmåling en av de mest viktige brønn-logginger (i de fleste tilfellene den mest viktige loggen) som anvendes av petrofysikere for å evaluere jordformasjonen.

Kjente fremgangsmåter for å måle resistiviteten til fluid i en produksjonsbrønn innbefatter forskjellige elektroniske sonder og lignende. Slike instrumenter krever anvendelsen av et elektronisk utstyr i det røffe brønnmiljøet. En elektrisk kraftkilde må være tilveiebrakt for slikt elektronisk utstyr. Det er også kjent å bruke prøvekamre for å hjelpe til å fastslå tilstedeværelsen av vann. Med dette arrangementet blir strømmende fluider rettet inn i et delvis innelukket volum inne i loggeverktøyet hvor fluidene blir koblet til måle-elektroder. Selv om denne fremgangsmåten kan være nyttig i enkelte applikasjoner, kan det være vanskelig å sikre at en representativ prøve oppnås. Dette på grunn av tenden-sen olje-vannblandinger har å separeres i lav-turbulens-omgivelser.

Formål med den foreliggende oppfinnelsen innbefatter tilveiebringelsen av pålitelige og nøyaktige enkelt- eller multipunktsensorer for å måle parametre slik som resistivitet, induktans, kapasitans og frekvens.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe slike sensorer for anvendelsen i det røffe miljøet til en oljebrønn.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe slike sensorer som innbefatter intrinsike fiberoptiske elementer.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe slike sensorer som ikke krever en elektrisk kraftkilde mellom sensorstedet og stedet for signalanalyseutstyr, for drift.

De ovennevnte formål oppnås med fiberoptiske sensorer, og et fiberoptisk avfølingssys-tem som angitt innledningsvis, som er kjennetegnet ved trekkene angitt i karakteristik-ken til de respektive selvstendige patentkravene 1,15,16 og 19.

I henhold til oppfinnelsen er det tilveiebrakt et sensorelement som reagerer på en verdi eller tilstand til et materiale (parameter), slik som resistivitet, kapasitans, induktans, frekvens etc., for å tilveiebringe et utgangsspenningssignal som er avhengig av egenskapen eller tilstanden til materialet. Sensoren innbefatter videre et optisk til elektrisk konverteringselement, slik som en fotodetektor eller en solcelle som konverterer et optisk signal (fotodektordrivende optisk signal) som føres av en optisk fiber til et elektrisk signal. Det elektriske signalet blir påtrykt sensorelementet og som respons tilveiebringer sensorelementet det elektriske utgangssignalet. Det elektriske utgangssignalet blir påtrykt en måleanordning, slik som et piezoelektrisk element, som har i det minste en dimensjon som varierer med endringer i det elektriske utgangssignalet. En optisk deformasjonssensor er montert på måleanordningen slik at endringer i dimensjonen til måleanordningen medfører endringer i spenningen til den optiske deformasjonssensoren. Disse endringene i spenning blir detektert og relatert til egenskapen eller tilstanden til materialet.

Videre kan i samsvar med oppfinnelsen sensoren anvendes som en resistivitetssensor for å måle den dielektriske konstanten eller resistiviteten til et materiale. Kapasitansen til sensorelementet er konstant, eller en fast kapasitans blir tilføyd, slik at eventuelle variasjoner i kapasitansen er neglisjerbare. Variasjoner i det elektriske utgangssignalet er derfor direkte relatert til resistiviteten.

Ytterligere i samsvar med oppfinnelsen er sensoren spesielt nyttig som en resistivitetssensor får måle resistiviteten til et fluid. For eksempel kan resistiviteten til en fluidblanding av olje og vann måles for å bestemme det relative vann- og oljeinnholdet i fluidblandingen. I denne utførelsen av oppfinnelsen innbefatter sensorelementet et par adskilte ledende elementer. Den elektriske utgangseffekten fra fotodetektoren blir påtrykt de ledende elementene og fluidet blir sendt mellom de ledende elementene. Utgangsspenningen fra de ledende elementene varierer i relasjon til resistiviteten til fluidprøven mellom de ledende elementene.

Ytterligere i henhold til den foreliggende oppfinnelsen kan den optiske spennings- eller formendringssensoren innbefatte et Bragg-fibergitter tilformet i en lengde av optisk fiber montert på måleanordningen. Lengden optisk fiber er montert slik at spenningen eller formendringen i denne varierer med endringer i dimensjonen til måleanordningen. Et optisk inngangssignal blir ført inn i den optiske fiberen og Bragg-gitteret reflekterer en del av det innmatede signalet. Bølgelengden til det reflekterte signalet (avfølingssig-nalet) varierer med endringer i spenningen i Bragg-gitteret. Alternativt kan et Fabry-Perot type interferometer anvendes hvor en lengde av optisk fiber befinner seg mellom et par identiske Bragg-gitre. I dette tilfellet er lengden av optisk fiber, som virker som en spennings- eller formendringssensor, montert på måleanordningen slik at spenningen i lengden optisk fiber, og derfor bølgelengdekarakteristika til det reflekterte (avfølings) signalet, varierer med endringer i dimensjonene til måleanordningen.

Ytterligere i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan fotodektorens optiske

drivsignal ha en konstant eller fast størrelse slik at det elektriske signalet fra fotodetektoren er en likestrøm (DC) signal. Måleanordningen (for eksempel et piezoelektrisk element) blir derfor drevet av et elektrisk DC-utgangssignal fra avfølingselementet. Bølge-lengdekarakteristikken til det reflekterte optiske avfølingssignalet endrer seg som respons på endringen i spenning i den optiske sensoren forårsaket av dimensjonsend-ringen til måleanordningen forårsaket igjen av det elektriske DC-utgangssignalet.

I samsvar med en annen utførelse av oppfinnelsen er fotodetektorens optiske drivsignal et tidsvarierende signal, slik som et sinusformet signal, som har en forutbestemt frekvens slik at det elektriske signalet fra fotodetektoren er et vekselstrøm (AC) signal. I dette tilfellet er det elektriske utgangssignalet fra avfølingsanordningen i hovedsaken en skalert replika eller kopi av det elektriske signalet fra fotodetektoren som er fasefor-skjøvet en størrelse som relaterer seg til resistiviteten og kapasitansen til avfølingsar-rangementet. Spenningen i måleanordningen varierer med det elektriske utgangssignalet. Det optiske avfølingssignalet er derfor også et tidsvarierende signal med den forut-bestemte frekvensen og faseforskjøvet en størrelse som relaterer seg til resistiviteten og kapasitansen. Dersom enten resistiviteten eller kapasitansen er kjent, kan den andre variabelen bestemmes ved å måle faseforskjellen mellom det optiske drivsignalet og det optiske avfølingssignalet.

I samsvar med nok en utførelse av oppfinnelsen kan det optiske avfølingssignalet mates tilbake til en modulator som er tilkoblet for å modulere det optiske drivsignalet. Når sensoren er aktivert, vil det optiske avfølingssignalet komme i resonans ved en frekvens som er relatert til resistiviteten og kapasitansen til avfølingsarrangementet. Dersom enten resistiviteten eller kapasitansen er kjent, kan igjen den andre variabelen bestemmes ved å måle frekvensen til det optiske avfølingssignalet.

Ytterligere i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan avfølingselementet være en trykksensitiv resonansanordning som kommer i resonans ved en frekvens som er bestemt av trykket resonansanordningen blir utsatt for. I dette tilfellet blir et modulert optisk signal brukt til å drive fotodetektoren slik at AC eller vekselstrømseffekt tilveiebringes til resonansanordningen.

Ytterligere i samsvar med oppfinnelsen kan det anvendes et par optiske fibre, den ene for å drive fotodetektoren og den andre for å drive den optiske sensoren. Alternativt kan det anvendes en felles fiber for å tilveiebringe det optiske drivsignalet til fotodetektoren og den optiske sensoren.

Utviklingen av intrinsike fiberoptiske sensorer som anvender spenningssensitive intra-kjeme Bragg-gitre gir muligheten for å konstruere svært små, robuste og pålitelige sensorer. Slike sensorer kan utføres med svært liten størrelse, hvilket gjør det mulig å anordne adskillige sensorer innenfor et avgrenset rom. Deres intrinsike avfølingsegenskap, som ikke krever feilsikker elektronikk, tilveiebringer også et ekstremt høyt pålitelig-hetsnivå som langt overgår elektriske sensorer. For å kunne implementere sensoren i henhold til oppfinnelsen, er det ikke nødvendig med en forsyning av elektrisk kraft til sensorelementet. I stedet blir den nødvendige elektriske kraften levert til sensorelementet av fotodetektoren som konverterer et optisk signal til elektrisk energi.

De forutgående og andre formål, egenskaper og fordeler ved den foreliggende oppfinnelsen vil bli mer tydelige i lys av den etterfølgende detaljerte beskrivelsen av eksem-pelutførelser som illustrert i de medfølgende tegningene. Fig. 1 er et skjematisk blokkdiagram over en fiberoptisk resistivitetssensor konstruert i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 2 er et skjematisk blokkdiagram over en alternativ implementering av den intrinsike optiske sensoren som anvendes i den fiberoptiske resistivitetssensoren på fig. 1. Fig. 3 er en kurve som viser bølgelengdeforskyvningen til det reflekterte signalet fra en intrinsik optisk sensor inneholdt i sensoren på fig. 2 som respons på en måling av resis-ti vitet. Fig. 4 er et skjematisk blokkdiagram over en andre utførelse av den fiberoptiske resistivitetssensoren på fig. 1. Fig. 5 er et skjematisk blokkdiagram over en tredje utførelse av den fiberoptiske resistivitetssensoren på fig. 1. Fig. 6 er kurve som illustrerer faseforskyvningen i et optisk avfølingssignal med hensyn på et optisk drivsignal, hvor størrelsen på faseforskyvningen er relatert til en resistivitetsmåling. Fig. 7 er et skjematisk blokkdiagram over en fjerde utførelse av oppfinnelsen, som anvender en variabel resistansanordning. Fig. 8 er et skjematisk blokkdiagram over en femte utførelse av oppfinnelsen som anvender en variabel kapasitansanordning. Fig. 9 er et skjematisk blokkdiagram som viser et mangfold av fiberoptiske sensorer på fig. 7 multiplekset sammen, og

fig. 10 er et skjematisk blokkdiagram over en sjette utførelse av oppfinnelsen som anvender en trykksensitiv resonator som avfølingselement.

Den fiberoptiske sensoren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er spesielt veleg-net for å måle en egenskap eller tilstand til et materiale (en "parameter"), slik som resistivitet, kapasitans, induktans, frekvens etc. Som en resistivitetssensor, er den foreliggende oppfinnelsen vel egnet for å bestemme resistiviteten til en fluidprøve for derved å tilveiebringe en indikasjon på fluidinnholdet, for eksempel mengden olje og vann i flu-idprøven. Det refereres til fig. 1 hvor det er vist en første utførelse av en fiberoptisk resistivitetssensor 10 som innbefatter en optisk fiber 12 som er forbundet med et optisk-til-elektrisk element 14, slik som en fotodetektor, fotodiode, fotocelle, solcelle etc. Den optiske fiberen 12 er av en type kjent på området som typisk innbefatter en lysledende kjerne og i det minste et optisk kappelag, og hvor et optisk signal blir sendt langs kjer-nen til den optiske fiberen 12. Lys blir tilveiebrakt til den optiske fiberen 12, for eksempel av en bredbånds lyskilde 16, slik som en laserdiode.

Lyset som tilveiebringes til fotodetektoren 14 blir konvertert til et elektrisk signal. Utgangseffekten fra fotodetektoren 14 avhenger av typen fotodetektor som anvendes og "mengden" optisk signal tilveiebrakt av lyskilden 16. Fotodektorens utgangssignal blir påtrykt et par ledende plater 20, 21 som danner et sensorelement 25. De ledende platene 20, 21 er adskilt en avstand d. Spenningen Vut over de to platene 20, 21 genererer en strøm flyt i mellom dem. I avhengighet av applikasjonen av sensoren 10 i henhold til oppfinnelsen kan det være nødvendig med en eller annen isolasjon 27, 28 på de ytre overflatene av platene 20,21 for å sikre at strømmen bare kan flyte i området mellom platene. Utgangsspenningen Vut fra de ledende platene 20, 21 er tilkoblet en piezoelektrisk transduser 32.

Spenningen Vul som påtrykkes den piezoelektriske transduseren 32 forårsaker en spenning eller formendring i den piezoelektriske transduseren 32. Spesielt forårsaker Vul som påtrykkes den piezoelektriske transduseren 32 en endring i det minste av dens di-mensjoner. Størrelsen på en slik formendring er direkte relatert til størrelsen på spenningen Vut som påtrykkes transduseren 32.

En andre optisk fiber 33 er tilkoblet en lyskilde, slik som en avstemt laser 35, og innbefatter et sensorelement 38 for å måle spenningen eller formendringen i transduseren 32. Sensorelementet 38 innbefatter en lengde optisk fiber 39 viklet rundt transduseren 32. Lengden optisk fiber 39 er viklet rundt transduseren 32 sammen med et par Bragg-gitre 45,46 og danner et Fabry-Perot interferometer avfølingselement som detekterer formendringen eller spenningen til transduseren 32. Bragg-gitrene 45, 46 er tilformet i den optiske fiberen 33 umiddelbart foran og følger lengden til optiske fiberen 3 viklet rundt transduseren 32.

Bragg-gitre (fibergitre) er vel egnet for anvendelse som sensorelementer. Når et fibergitter blir belyst, reflekterer det et smalt lysbånd med en spesifikk bølgelengde. En spenning eller formendring i Bragg-gitteret, indusert for eksempel av spenning eller vibra-sjon fra transduseren 32, vil indusere en endring i fibergitteravstanden, hvilket endrer bølgelengden til lyset det reflekterer. Verdien (størrelsen) til spenningen eller vibrasjo-nen kan relateres til bølgelengden som reflekteres av fibergitteret og kan bestemmes ved å detektere bølgelengden til det reflekterte lyset. I interferometerarrangementet på fig. 1 danner paret av Bragg-gitter 45,46 og lengden optisk fiber 39 et resonanshulrom refe-rert til som et Fabry-Perot interferometer. I dette tilfellet er sensoren enda mer sensitiv ovenfor endringer i formen til transduseren 32 som forårsaker endringer i spenningen til lengden optisk fiber 39. Som med et individuelt Bragg-gitter, kan endringer i reflek-sjonsmønsteret til interferometeret 38 relateres direkte til spenningsendringen i lengden optisk fiber 39 forårsaket av formendringen til transduseren 32. Lyset som ikke reflekteres av den optiske sensoren 38 tilveiebringes av den optiske fiberen 50. Enden til den optiske fiberen kan være bearbeidet slik at den utleverer lyset som ikke reflekteres av den optiske sensoren 38. For eksempel kan enden av fiberen 50 være delt eller kløvet i en vinkel og/eller belagt med et brytningstilpassende materiale for derved å spre innfal-lende lys. Alternativt kan enden av fiberen gå tilbake til det optiske signalbehandlingsutstyret 49 for behandling eller som en kontinuitetssjekk, etter ønske.

Det optiske signalbehandlingsutstyret 49 blir brukt til å detektere endringer i reflek-sjonsmønsteret til den optiske sensoren 38. Det optiske signalbehandlingsutstyret 49 innbefatter passende optisk signalanalyseutstyr for å analysere retursignalene fra den optiske sensoren 38. Det er forskjellige teknikker for å behandle retursignalet fra indivi-duelle Bragg-gitre og/eller interferometre, slik som teknikkene beskrevet i US-patentsøknad med serienr. 08/786.704, inngitt 21. januar 1997, tittel "Multiparameter Fiber Optic Sensor for Use in Harsh Environments", hvis fremstilling herved er innlemmet som referanse, med spesiell henvisning til beskrivelsen av dynamisk og statisk signalmåling. Andre optiske signalanalyseteknikker kan anvendes med den foreliggende oppfinnelsen, slik som den nødvendige maskinvaren og programvaren for å implementere det optiske signaldiagnostiseringsutstyret beskrevet i US-patentene nr. 4 996 419, 5 401 956, 5 426 297 og/eller 5 493 390, hvis fremstillinger herved er innlemmet som referanse.

Som vel kjent på området, kan det anvendes en rekke optiske signalanalyser for å analysere retursignaler fra Bragg-gitre og interferometre. Disse fremgangsmåtene kan generelt klassifiseres i de følgende fire kategorier: 1. Direkte spektroskopi under anvendelse av konvensjonelle spredende elementer slik som linjegitre, prismer etc., og en lineær rekke av fotodetektorelementer eller en

CCD-rekke,

2. passiv optisk filtrering ved bruk av både optikk eller en fiberanordning med bølge-lengde avhengig overføringsfunksjon, slik som en WDM-kobler, 3. sporfølging eller tilpasning ved bruk av et avstembart filter slik som for eksempel et Fabry-Perot skannefilter, et akustisk optisk filter slik som filteret beskrevet i det

ovenfor angitte US-patent nr. 5 493 390, eller Bragg-gitterfiberbaserte filtre, og

4. interferometrisk detektering.

Den bestemte teknikken som anvendes vil variere og vil avhenge av Bragg-bølgelengdeforskyvningsstørrelsen (som avhenger av sensordesignet) og frekvensområ-det til måleverdien som skal detekteres.

Virkemåten til oppfinnelsen blir best forstått ved hjelp av et eksempel. Under henvisning til fig. 1 er et optisk inngangssignal, slik som et optisk bredbåndssignal, tilveiebrakt på den optiske fiberen 12 til fotodetektoren 14. For en gitt lysintensitet genererer fotodetektoren 14 en konstant mengde effekt. Utgangsspenningen Vut er da en funksjon av resistiviteten til fluidet (eller fast materiale) i området mellom platene 20, 21. Utgangsspenningen Vut er relatert til resistiviteten ved det følgende forholdet:

hvor I er intensiteten til lyset, d er avstanden mellom platene, R er resistiviteten, A er arealet til platene 20,21 og e er omformingseffektiviteten til fotodetektoren 14. Dersom I = 1 mW, d = 1 cm (0,393"), A er 6,45 cm<2> (l"2), og e = 0,1, så er K 0,039. For 0,1 Ohm-m < R < 1000 Ohm-m, er spenningen mellom 12 mV og 1,2 V. En spenning i dette området kan måles lett og nøyaktig.

Utgangsspenningen Vut blir påtrykt transduseren 32. Som respons på den påtrykte spenningen, endrer spenningen eller formen til transduseren seg, dvs. at en eller flere dimen-sjoner til transduseren endrer seg. Denne endringen i transduseren 32 forårsaker en endring av spenningen eller formen til den optiske fiberen 39 som er viklet rundt transduseren. Som resultat vil denne spennings- eller formendringen forårsake en endring av ba-nelengden 39 mellom gitrene 45,46. Dette forårsaker en endring i bølgelengdekarakte-ristikken som reflekteres av sensoren. Denne endringen er relatert til resistiviteten til fluidet mellom platene 20,21.

Dersom utgangseffekten fra fotodetektoren 14 er utilstrekkelig, kan flere fotodetektorer kobles til fiberen 16, med deres utganger seriekoblet for derved å tilveiebringe den ønskede utgangseffekten til resistivitetssensoren.

Ligningen ovenfor er utledet under forutsetningen av at dimensjonen til platene A er mye større enn avstanden mellom platene d og at det ikke er noen kanteffekt. I realiteten kan det være noen kanteffekt. Effekten kan kalibreres og rundsummeres inn i effektivi-tetsparameteren e.

Selv om oppfinnelsen er illustrert på fig. 1 ved bruk av platepar, kan andre arrangement slik som et par stenger anvendes. Alternativt kan en konstruksjon tilsvarende en koaksi-alkabel anvendes for å implementere resistivitetssensoren. Fotodetektorens 14 utgangs-effekt blir påtrykt mellom den ytre ledende sylinderen og den indre ledende sylinderen eller en ledningstråd. For en gitt effekt er spenningen en funksjon av fluidet inne i sylinderen. K-faktoren er forskjellig fra arrangementet med platekonifgurasjon.

Oppfinnelsen er beskrevet på fig. 1, idet det anvendes et Fabry-Perot interferometer for å implementere sensoren i henhold til oppfinnelsen. I en alternativ konfigurasjon av oppfinnelsen illustrert på fig. 3 kan imidlertid et Bragg-gitter 60 være tilformet i lengden av optisk fiber som er viklet rundt transduseren 32.1 dette tilfellet, som beskrevet ovenfor, vil formendringen i transduseren 32 bli avfølt som en bølgelengdeforskyvning til lyset som reflekteres av Bragg-gitteret 60. Også under henvisning til fig. 3, vil bølge-lengden til lyset som reflekteres av Bragg-gitteret 60, når det ikke blir utsatt for spenning eller formendring tilknyttet den piezoelektriske sensoren, ha en sentral bølgelengde X. Når imidlertid Bragg-gitteret er utsatt for spenning eller formendring (forårsaket av formendring i det piezoelektriske elementet), har det optiske signalet som reflekteres av Bragg-gitteret 60 en forskjellig (forskjøvet) sentral bølgelengde X' som blir detektert av det optiske signalbehandlingsutstyret 49 som beskrevet ovenfor. Bølgelengdeendringen Ak er relatert til resistiviteten til fluidet mellom platene 20, 21.

Selv om oppfinnelsen er illustrert på fig. 1 under bruk av to separate lyskilder 16, 35 for å tilveiebringe lyssignaler som føres av multiple optiske fibre 12, 33, kan oppfinnelsen implementeres ved bruk av en lyssignalkilde og en enkel optisk fiber. Med henvisning til fig. 4, tilveiebringer en lyskilde 116 lys via en optisk fiber 112 til en optisk sensor 138 (Fabry-Perot interferometer) som er montert på et piezoelektrisk element 132. Den optiske fiberen 112 fortsetter til en fotodetektor 114 hvis utgang leverer effekt til resistivitetssensoren 125.1 denne utførelsen av oppfinnelsen må det omhyggelig velges en passende lyskilde som leverer tilstrekkelig effekt til fotodioden 114 samtidig som det tilveiebringes ønsket drift av den optiske sensoren 138.

Hittil er oppfinnelsen beskrevet under anvendelse av et konstant eller fast optisk signal for å drive en fotodektor slik at en likespenning blir frembrakt for å drive resistivitetssensoren. Som illustrert på fig. 5, kan imidlertid det optiske signalet som anvendes til å drive fotodetektoren være modulert med et tidsvarierende signal, slik som et sinusformet signal, slik at det frembringes en vekselspenning på utgangen til fotodetektoren. Under henvisning til fig. 5 er det vist en optisk modulator 200 som befinner seg i den optiske fiberen 12 ved utgangen av lyskilden 16. Modulatoren 200 er koblet til en sig-nalgenerator 202 slik at det optiske signalet blir modulert ved en frekvens som bestemt av signalutgangen S0(t) til signalgeneratoren 202. Alternativt kan dette utføres ved direkte modulering av strømforsyningen til lyskilden 16 med signalgeneratoren 202. Utgangseffekten fra fotodetektoren 16 er et tidsvarierende signal som har en frekvens som er bestemt av frekvensen til det optiske signalet. Signalkarakteristika til strømmen som flyter i resistivitetssensorkretsen 25 kan måles, for eksempel som spenningen (sen-sorspenning) over en innkoblet kondensator 212. Alternativt kan spenningsfallet mellom platene 20, 21 måles som beskrevet ovenfor. Sensorspenningen som påtrykkes transduseren 32 er en vekselspenning som medfører at transduseren vibrerer (oscillerer) med frekvensen til vekselspenningsavfølingssignalet over motstanden 212. Under henvisning også til fig. 6, vil det detekterte signalet S'0(t) fra den optiske sensoren i hovedsaken være en skalert kopi av det optiske inngangssignalet S0(t). Det detekterte signalet S'0(t) vil imidlertid være faseforskjøvet i forhold til inngangssignalet en størrelsesorden t som er direkte relatert til RC tidskonstanten til resistivitetssensorkretsen 25. Antatt at kapasitansverdien er fast og kjent, så kan resistivitetsverdien bestemmes ved å bestemme faseforskyvningen x mellom det optiske inngangssignalet S0(t) og det optiske utgangssignalet S'0(t). Det forutsettes at kapasitansen til arrangementet er relativt konstant. Dersom imidlertid det er variasjoner i kapasitansen, knyttet til for eksempel tempe-ratur eller andre parametre, kan en stor fast kapasitans innsettes i kretsen for å maskere eller skjule eventuelle kapasitansvariasjoner som kan opptre.

Det refereres nå til fig. 7. Snarere enn å måle resistiviteten til et materiale, kan den foreliggende oppfinnelsen anvendes til å måle enhver variabel motstandsverdi. For eksempel kan en variabel motstand 301 og en fast kapasitans 302 være anordnet i en RC krets, idet størrelsen til den variable resistansen eller motstanden 301 er relatert til en tilstand som skal overvåkes. For eksempel kan motstandsverdien 301 være indikerende for posi-sjonen til en ventil, operatør etc. En direkte mekanisk kobling kan være utført mellom den variable resistansen og tilstanden som skal overvåkes. Prinsippene for oppfinnelsen kan deretter anvendes for å bestemme verdien til den variable resistansen, og således tilstanden som blir overvåket. Det refereres også til fig. 8, og snarere enn å anvende en variabel resistans, kan resistansen 401 være fast og en variabel kapasitans eller kondensator 402 kan anvendes som indikativ for en tilstand som skal overvåkes.

Under henvisning igjen til fig. 7, kan snarere enn å anvende en oscillator for å modulere utgangen fra fotodetektorlyskilden, det anvendes et tilbakekoblingsarrangement for å bringe sensoren til å oscillere. For eksempel kan utgangen 501 fra signalbehandlingsen-heten 49 bli matet tilbake til modulatoren 200 via en forsterker 502. Dette arrangementet vil naturlig komme i resonans ved en frekvens som er bestemt av RC tidskonstanten til resi sti vitetsavøflingskretsen. Slik det vil forstås av fagkyndige på området, må det piezoelektriske elementet 32 og verdiene til motstanden 301 og kondensatoren 302 være valgt slik at resonansfrekvensen ligger innenfor et ønsket frekvensområde. Resistiviteten blir bestemt ved å måle resonansfrekvensen.

Selv om det her bare en illustrert en enkelt sensor 10, kan flere sensorer multiplekses sammen i et resistivitets (eller kapasitans) avfølingssystem. Fig. 9 viser et

fiberresistivitetsavfølingssystem 600 som anvender flere fiberoptiske resistivitetssenso-rer 10 i henhold til oppfinnelsen. I dette tilfellet kan hver av sensorene 10 være koblet til en enkelt optisk fiber. Det optiske signalbehandlingsutstyret kan arbeide etter prinsippet med bølgedelingmultipleksing hvor hver Bragg-gittersensor blir brukt ved et forskjellig passbånd eller frekvensbånd av interesse. Avfølingssignalene fra de forskjellige sensorene kan derfor lett differensieres fra hverandre. Alternativt kan den foreliggende oppfinnelsen anvende tidsdivisjonsmultipleksing for å oppnå signaler fra multiple uavheng-ige sensorer, eller andre egnede innretninger for å analysere signaler som returneres fra et mangfold Bragg-gittersensorer tilformet i en fiberoptisk sensorstreng.

Det refereres nå til fig. 2, hvor det er vist en ytterligere utførelse av oppfinnelsen der utgangen fra fotodetektoren 14 kan være tilkoblet en trykksensitiv resonator 700, slik som en kvartsresonator. Lyskilderfekvensen fører til at den trykksensitive resonatoren 700 oscillerer. Som beskrevet nedenfor, blir lyskilderfekvensen styrt for å bringe den trykksensitive resonatoren 700 til å oscillere ved dens resonansfrekvens. Resonansfrekvensen til den trykksensitive resonatoren 700 vil variere med endringer i trykket som den blir utsatt for. Dersom en motstand 705 er plassert i serie med den trykksensitive resonatoren 700, vil spenningsfallet over motstanden ha en frekvens som korresponderer med resonansrfekvensen. Dette spenningssignalet blir deretter påtrykt transduseren 32, som vil vibrere med resonansrfekvensen (frekvensen til det påtrykte spenningssignalet). Som beskrevet ovenfor med henvisning til utførelsen på fig. 5, blir den optiske sensoren 38 og signalbehandlingskretsen 49 brukt til å detektere denne frekvensen. Den målte frekvensen fra signalbehandlingskretsen 49 kan tilveiebringes til en frekvenssty-rekrets 712 som blir brukt til å generere en frekvens for å modulere det optiske inngangssignalet. Frekvensen blir styrt til å være lik resonansfrekvensen til den trykkføl-somme resonatoren 700. Frekvensstyrekretsen 712 kan innbefatte for eksempel en topp-detekteringskrets 715 som detekterer den frekvensen hvorved størrelsen til det optiske avfølingssignalet har en maksimal verdi. En styreanordning 718 og oscillator 720, for eksempel en spenningsstyrt oscillator, er tilveiebrakt slik at styreanordningen styrer oscillatoren slik at den oscillerer ved frekvensen bestemt av toppdetekteringskretsen 715.

Oppfinnelsen er beskrevet her under bruk av et avfølingselement som innbefatter en resistans eller motstandskomponent og en kapasitans eller kondensatorelement. Det må imidlertid forstås at induktiv type sensorer også kan anvendes som avfølingselement i samsvar med oppfinnelsen. For eksempel kan en induktiv sensor anvendes for å detektere bølgeforplantning innenfor et materiale eller en struktur. I en utførelse av oppfinnelsen hvor det anvendes en induktiv sensor kan sensoren være drevet av et vekselstrøms-signal ved utgangen fra fotodetektoren, slik som arrangementet illustrert på fig. 5. Stør-relsen på faseforskyvningen i det avfølte optiske signalet vil da avhenge av størrelsen til den variable induktansen. Alternativt kan i et tilbakekoblingsarrangement, som tilbake-koblingsarrangementet illustrert på fig. 7, resonansrfekvensen til sensoren være avhengig av størrelsen til induktansen.

Det vil videre forstås av fagkyndige på området at de fleste sensorarrangementer har en iboende resistans, kapasitans og mduktanskomponent. Mens en eller flere av disse komponentene kan være neglisjerbare, er alt som er nødvendig i henhold til den foreliggende oppfinnelsen at en av disse komponentene er variabel som respons på endringen i en parameter tilordnet et materiale eller en tilstand for å tilveiebringe et optisk utgangssignal som er indikerende for parameteren som er tilordnet materialet eller tilstanden.

Oppfinnelsen er illustrert her under anvendelse med enten et vekselstrøm eller likestrøm optisk inngangssignal for å generere enten et vekselstrøm eller likestrøm elektrisk utgangssignal fra fotodetektoren for å drive en sensor eller en annen anordning. Det må imidlertid forstås av fagkyndige på området at andre optiske inngangssignaler kan anvendes, slik som et pulset signal. I dette tilfellet er avtagnings- eller svingetidskonstan-ten tilordnet det optiske avfølingssignalet indikerende for resistans-, induktans-, kapasi-tanstidskonstanten til sensoren.

Oppfinnelsen er beskrevet her under bruk av enten et individuelt Bragg-gitter eller et Bragg-gitterinterferometer (Fabry-Perot interferometer) som den optiske spennings-eller formendringssensoren. Det må imidlertid forstås av fagkyndige på området at enhver egnet optisk deformasjonssensor, slik som et Bragg-gitter laserelement eller et annet egnet interferometrisk optisk spenningsavfølingselement kan anvendes i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Bruken av uttrykket "optisk deformasjonssensor" er ment å referere til enhver type av slike sensorer. I tillegg, selv om den optiske deformasjonssensoren er beskrevet som montert på måleanordningen (piezoelektrisk element) ved vikling av fiberen rundt elementet, kan sensoren være montert i enhver egnet konfigurasjon forutsatt at endringen til dimensjonen eller dimensjonene til måleanordningen blir overført slik at det forårsakes en spenning eller formendring i den optiske deformasjonssensoren.

Mens systemet i henhold til oppfinnelsen er utsatt i et røft miljø, slik som inne i en olje-eller gassbrønn, kan fiberen eller fiberbunten være anordnet inne i foringsrøret eller innleiret permanent i sementen utenfor foringsrøret. I tillegg kan det anvendes forskjellige fiberforpaknings- og fiberbeskyttelsesarrangementer slik som å anordne den optiske fiberen eller fibrene inne i et hermetisk forseglet kapillarrør, slik som arrangementet beskrevet i den parallelle US-patentsøknad (fullmektigdokument nr. CC-0018) inngitt 9. september 1997, tittel "HIGH SENSITIVITY FIBER OPTIC PRESSURE SENSOR FOR USE IN HARSH ENVIRONMENTS", hvis fremstilling herved er innlemmet som referanse. På tilsvarende måte kan sensorkomponentene innbefattende det piezoelektriske materialet, den optiske sensoren, og fotodetektoren, være pakket slik at de er isolert fra omgivelsene, idet bare elektrodene/platene 20, 21 (avfølingsanordningen) er frilagt ovenfor omgivelsene for å foreta de ønskede målingene.

Claims (27)

1. Fiberoptisk sensor som omfatter en optisk lyskilde for å tilveiebringe et optisk inngangssignal til en optisk fiber og et optisk-til-elektrisk konverteringselement tilkoblet den optiske fiberen for å konvertere optisk effekt fra det optiske inngangssignalet til et elektrisk effektsignal til en sensor for å tilveiebringe et elektrisk signal til en måleanordning, karakterisert ved at den fiberoptiske sensoren videre omfatter et sensorelement som kan reagere på det elektriske effektsignalet og på i det minste en parameter for å tilveiebringe et elektrisk utgangssignal som er avhengig av den i det minste ene parameteren; og måleanordningen har i det minste en dimensjon som varierer som respons på endringer i det elektriske utgangssignalet; og en optisk deformasjonssensor tilformet i den optiske fiberen, montert slik at endringer i den i det minste ene dimensjonen til måleanordningen tilveiebringer endringer i formen eller dimensjonen til den optiske deformasjonssensoren, idet den optiske deformasjonssensoren kan reagere på det innmatede optiske signalet og deformasjonsendringen for å tilveiebringe et optisk avfølingssignal som er indikerende for den minst ene parameteren.

2. Sensor i henhold til krav 1, karakterisert ved at den optiske lyskilden innbefatter: en første optisk lyskilde for å tilveiebringe et første optisk inngangssignal til det optisk-til-elektriske konverteringselementet; og en andre optisk lyskilde for å tilveiebringe et andre optisk inngangssignal til den optiske deformasj onssensoren.

3. Sensor i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at den optiske deformasjonssensoren innbefatter en lengde av den optiske fiberen anordnet på måleanordningen, hvilken lengde av optisk fiber har et Bragg-gitter tilformet i denne.

4. Sensor i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at den optiske deformasjonssensoren innbefatter et interferometer som har en lengde av den optiske fiberen anordnet på måleanordningen, hvilken lengde av den optiske fiberen er posisjonert mellom et par Bragg-gitre tilformet i den optiske fiberen.

5. Sensor i henhold til et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at den i det minste ene parameteren er resistiviteten til et materiale, hvor sensorelementet er en resistivitetssensor innbefattende et par adskilte ledende elementer, og det elektriske effektsignalet blir påtrykt de adskilte ledende elementene og materialet er anordnet mellom de ledende elementene, og det elektriske utgangssignalet er relatert til resistiviteten til materialet.

6. Sensor i henhold til krav 5, karakterisert ved at materialet er en fluidblanding og hvor det optiske avfølingssignalet er relatert til sammenset-ningen av fluidet.

7. Sensor i henhold til et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at det optiske inngangssignalet er et likestrømssignal slik at det optisk-til-elektriske konverteringselementet genererer et elektrisk effektsignal som induserer et likestrømssignal i sensorelementet.

8. Sensor i henhold til et hvilket som helst av kravene 1-7, karakterisert ved at det optiske inngangssignalet er modulert ved en valgt frekvens slik at det optisk-til-elektriske konverteringselementet genererer et elektrisk effektsignal som induserer et vekselstrømssignal i sensorelementet.

9. Sensor i henhold til krav 8, karakterisert ved at sensorelementet er en krets som har en kombinasjon av resistans-, kapasitans- og induk-tanskomponenter, innbefattende kombinasjoner hvor en eller to av disse komponentene har en nullverdi, og hvor en hvilken som helst eller flere av disse komponentene er anordnet til å variere som respons på endringer i den i det minste ene parameteren, og hvor det optiske avfølingssignalet har en frekvens som er lik den valgte frekvensen som er faseforskjøvet i forhold til det optiske inngangssignalet med en størrelse som er bestemt av størrelsen til resistans-, kapasitans- og induktanskomponentene.

10. Sensor i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 8, ytterligere karakterisert ved: en moduleringsinnretning for å modulere det optiske inngangssignalet; og en tilbakekoblingsinnretning for å påtrykke det optiske avfølingssignalet på moduleringsinnretningen slik at det optiske inngangssignalet blir modulert av det optiske avfø-lingssignalet; hvor sensorelementet er en krets som har resistans-, kapasitans- og induktanskomponen-ter, innbefattende kombinasjoner hvor en eller to av disse komponentene har en nullverdi, og hvor en hvilken som helst eller flere av disse komponentene er anordnet til å variere som respons på endringer i den i det minste ene parameteren; hvor kretsen oscillerer med en resonansfrekvens som er relatert til størrelsen på resistans-, kapasitans og induktanskomponentene; og hvor den optiske avfølingssignalfrekvensen er resonansfrekvensen.

11. Sensor i henhold til et hvilket som helst av kravene 1-8, karakterisert ved at sensorelementet er en resonator som oscillerer som respons på det elektriske effektsignalet, hvor frekvensen til oscillasjonene endrer seg som respons på endringer i den i det minste ene parameteren, og hvor både det elektriske utgangssignalet og det optiske avfølingssignalet har en frekvenskomponent som er lik oscilla-sjonsfrekvensen til resonatoren.

12. Sensor i henhold til krav 11, karakterisert ved at resonatoren er en trykksensitiv resonator, og hvor den i det minste ene parameteren er trykk.

13. Sensor i henhold til et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at måleanordningen er et piezoelektrisk element.

14 Sensor i henhold til et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at det optiske inngangssignalet er et pulset signal, og hvor svinnehastigheten til det optiske avfølingssignalet er indikerende for parameteren.

15. Fiberoptisk avfølingssystem innbefattende et mangfold av de fiberoptiske sensorene, hver som angitt i et hvilket som helst av de forutgående kravene, karakterisert ved at de fiberoptiske sensorene er multiplekset sammen langs den optiske fiberen.

16. Fiberoptisk sensor som omfatter en optisk lyskilde for å tilveiebringe et optisk inngangssignal til en optisk fiber og et optisk-til-elektrisk konverteringselement tilkoblet den optiske fiberen for å konvertere optisk effekt fra det optiske inngangssignalet til et elektrisk effektsignal til en sensor for å tilveiebringe et elektrisk signal til en måleanordning, karakterisert ved at den omfatter: en moduleringsinnretning for å modulere det optiske inngangssignalet i den optiske fiberen; et sensorelement som reagerer på det elektriske effektsignalet og på minst en parameter for å tilveiebringe et elektrisk utgangssignal som er avhengig av den minst ene parameteren; en måleanordning som har i det minste en dimensjon som varierer som respons på endringer i det elektriske utgangssignalet; en optisk deformasjonssensor tilformet i den optiske fiberen, hvilken optisk deformasjonssensor er montert på måleanordningen slik at endringer i den i det minste ene dimensjonen til måleanordningen forårsaker endringer i formen til den optiske deformasjonssensoren, hvilken optisk deformasjonssensor reagerer på det optiske inngangssignalet og deformasjonsendringen for å tilveiebringe et optisk avfølingssignal som er indikerende for den minst ene parameteren.

17. Sensor i henhold til krav 16, karakterisert ved at den videre omfatter tilbakekoblingsinnretning for å påtrykke det optiske avfølingssignalet på moduleringsinnretningen for å modulere det optiske inngangssignalet med det optiske avfølingssignalet.

18. Sensor i henhold til krav 17, karakterisert ved attil-bakekoblingsinnretningen bringer avfølingsinnretningen til å resonere med en resonansfrekvens, hvor det optiske avfølingssignalet har en frekvens som er lik resonansfrekvensen, og videre omfatter en elektrisk signalbehandlingsinnretning for å bestemme ampli-tuden og frekvensen til det optiske avfølingssignalet.

19. Fiberoptisk resistivitetssensor for å bestemme resistiviteten til et materiale, karakterisert ved at den omfatter: en optisk lyskilde for å tilveiebringe et optisk inngangssignal på en optisk fiber; et optisk-til-elektrisk konverteringselement, tilkoblet den optiske fiberen for å konvertere den optiske effekten til det optiske inngangssignalet til et elektrisk effektsignal; et resistivitetssensorelement som har et par adskilte ledende elementer, hvilket resistivitetssensorelement reagerer på det elektriske effektsignalet som blir påtrykt de adskilte ledende elementene og materialet er anordnet mellom de ledende elementene for å tilveiebringe et elektrisk utgangssignal som er relatert til resistiviteten til materialet, og en måleanordning som har i det minste en dimensjon som varierer som respons på endringer i det elektriske utgangssignalet; en optisk spennings- eller formendringssensor tilformet i den optiske fiberen, hvilken optisk deformasjonssensor er montert på måleanordningen slik at endringer i den i det minste ene dimensjonen til måleanordningen forårsaker endringer i spenningen eller formen til den optiske deformasjonssensoren, hvilken optisk deformasjonssensor reagerer på det optiske inngangssignalet og spenningsendringen for å tilveiebringe et optisk avfølingssignal som er indikerende for resistiviteten til materialet.

20. Sensor i henhold til krav 19, karakterisert ved at materialet er et fluid og hvor det optiske avfølingssignalet er relatert til resistiviteten til fluidet.

21. Sensor i henhold til krav 19, karakterisert ved at materialet er en fluidblanding som inneholder i det minste olje og vann, og hvor det optiske avfølingssignalet er relatert til resistiviteten til fluidblandingen slik at det relative vann-og oljeinnholdet i fluidblandingen kan bestemmes.

22. Sensor i henhold til et hvilket som helst av kravene 19-21, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: en moduleringsinnretning for å modulere det optiske inngangssignalet med et modula-sjonssignal som har en valgt frekvens; hvor resistivitetssensorelementet har en resistanskomponent og en kapasitanskompo-nent, hvor resistanskomponenten varierer i relasjon til resistiviteten til materialet; og hvor der optiske avfølingssignalet har en frekvens som er lik den valgte frekvensen som er faseforskjøvet i forhold til det optiske inngangssignalet en størrelse som er relatert til resistans- og kapasitanskomponentene.

23. Sensor i henhold til krav 22, karakterisert ved at materialet er en fluidblanding som inneholder i det minste olje og vann, og hvor det optiske avfølingssignalet er relatert til resistiviteten til fluidblandingen slik at det relative vann-og oljeinnholdet i fluidblandingen kan bestemmes.

24. Sensor i henhold til krav 23, karakterisert ved at måleanordningen er et piezoelektrisk element.

25. Sensor i henhold til krav 19, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: en moduleringsinnretning for å modulere det optiske inngangssignalet med et modula-sjonssignal som har en valgt frekvens; en tilbakekoblingsinnretning for å påtrykke det optiske avfølingssignalet på moduleringsinnretningen slik at det optiske inngangssignalet blir modulert med det optiske av-følingssignalet; hvor resistivitetssensorelementet har en resistanskomponent og en kapasitanskompo-nent, hvor resistanskomponenten varierer i relasjon til resistiviteten til materialet; og hvor resistivitetssensorelementet oscillerer med en resonansfrekvens som er relatert til størrelsen på resistans- og kapasitanskomponentene; og det optiske avfølingssignalets frekvens er resonansfrekvensen.

26. Sensor i henhold til krav 25, karakterisert ved at materialet er en fluidblanding som inneholder i det minste olje og vann, og hvor det optiske avfølingssignalet er relatert til resistiviteten til fluidblandingen slik at det relative vann-og oljeinnholdet i fluidblandingen kan bestemmes.

27. Sensor i henhold til krav 26, karakterisert ved at måleanordningen er et piezoelektrisk element.