RU2811407C1 - Волоконно-оптический датчик вязкости - Google Patents
Волоконно-оптический датчик вязкости Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811407C1 RU2811407C1 RU2023109794A RU2023109794A RU2811407C1 RU 2811407 C1 RU2811407 C1 RU 2811407C1 RU 2023109794 A RU2023109794 A RU 2023109794A RU 2023109794 A RU2023109794 A RU 2023109794A RU 2811407 C1 RU2811407 C1 RU 2811407C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- pipe
- viscosity
- lever
- optical fiber
- Prior art date
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 24
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 14
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000005483 Hooke's law Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 210000003296 saliva Anatomy 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам вязкости, и может применяться для измерения вязкости жидкостей. Волоконно-оптический датчик вязкости, размещенный внутри трубы, содержит соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью переключения рабочей длины волны, чувствительный элемент и фотоприемник, входящий в блок обработки информации. Чувствительный элемент выполнен из оптического волокна, на котором записаны волоконные брегговские решётки, и прикрепленного к оптическому волокну рычажка, предназначенного для передачи усилия от измеряемой среды к волокну. При этом одна часть рычажка расположена в трубе, а другая часть рычажка и оптическое волокно чувствительного элемента расположены вне трубы. Технический результат - возможность производить непрерывное удалённое измерение вязкости жидкости внутри трубы. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам для непрерывного определения вязкости текучих сред, в частности, на нефтедобывающем оборудовании.
Известны устройства для непрерывного измерения вязкости текучих сред, использующие электромеханическое преобразование исходного силового сигнала зонда.
Так, в устройстве для определения вязкости (RU 2537524), зонд, выполненный в форме двуплечего рычага, передает силовое воздействие среды через герметичную мембрану и толкатель на тензометрический датчик давления, от которого электрический сигнал в размерности вязкости поступает на экран показывающего прибора.
В устройстве (RU 160404) в измерительную трубу технологического трубопровода встроена измерительная капсула с индукционными катушками, включенными в электрическую цепь переменного тока по мостовой схеме и реагирующими на перемещение под воздействием сил натекания среды ферромагнитного элемента.
К недостаткам датчиков с размещенными в трубопроводе механическими подвижными элементами относятся низкий порог чувствительности из-за трения, возможности загрязнения и накопления погрешностей в цепочке передачи и преобразования исходного сигнала, а также значительное перекрытие зондом проходного сечения трубопровода.
Известен тензометрический датчик вязкости (SU 1286945), содержащий чувствительные элементы в виде двух тензодатчиков с зондами, имеющими различное гидравлическое сопротивление и частично погруженными в измеряемую среду переменного уровня, и регистрирующий прибор обработки сигналов, определяющий вязкость при движении зондов относительно измеряемой среды в открытом канале.
Предложенное устройство ограничено использованием в открытых (без избыточного давления) объемах, а его метрологические показатели -уровнем точности тензометрического преобразователя изгибных деформаций зондов в электрический сигнал.
Известны встраиваемые в трубопровод датчики вязкости вибрационного типа, например, Solartron 7827 и 7829 фирмы Mobrey (Великобритания), ViskoSense фирмы VAF Instruments (Нидерланды), РРМ-HLV-2 (Китай), чувствительные элементы которых представляют собой камертоны, поддерживаемые электроникой прибора в резонансе. Поскольку резонансная частота камертона определяется плотностью среды, а затухание колебаний пропорционально вязкости, то по замерам частоты и параметров затухания колебаний прибор обработки сигнала рассчитывает искомые характеристики среды - динамическую вязкость и плотность.
Известно устройство (RU 2700013) для измерения физических свойств периодически отбираемых проб биологических жидкостей, использующее встроенный в катридж кантилевер на основе оптических волокон. Указанное устройство состоит из измерительного блока, включающего источник света, фотоприемник, электромагнит для формирования переменного по времени магнитного поля, процессор для обработки выходного сигнала фотоприемника и создания измерительного сигнала, и катриджа, соединенного с измерительным блоком. Катридж содержит канал, заполняемый порцией исследуемой биологической жидкости - плазмы, цельной крови, слюны и др., - и пересекающийся с погруженным в жидкость волноводом, покрытым магнитным материалом и колеблющимся в магнитном поле.
По параметрам отраженного оптического сигнала определяется вязкость жидкости, при этом вариантами изобретения предусмотрена возможность использования кантилевера на основе оптического волокна с волоконной брегговской решеткой (ВБР).
Общим недостатком датчиков вязкости вибрационного типа с электромагнитными и электронно-акустическими источниками колебаний являются значительные габариты чувствительных элементов и применение электроники, что ограничивает температурный диапазон применения датчика.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, по числу совпадающих с изобретением функциональных и конструктивных признаков, является волоконно-оптический датчик для непрерывного измерения вязкости среды (патент РФ 2755782 от 21.09.2021г.), содержащий оптическое волокно, по длине которого последовательно размещены зонд, контактирующий с текучей средой, элемент силовой связи зонда с волоконной брегговской решеткой, волоконная брегговская решетка и элемент оптической связи волоконной брегговской решетки с регистрирующим прибором). Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - волоконно-оптический датчик вязкости, размещенный внутри трубы, включающий соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, чувствительный элемент и фотоприемник, входящий в блок обработки информации; источник электромагнитного излучения выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны; чувствительный элемент выполнен из оптического волокна, на котором записаны волоконные брегговские решётки.
Недостатком прототипа является взаимодействие волокна и его защитно-упрочняющего покрытия с химически агрессивной средой и высокими температурами. Кроме того, недостатком является недолговечность конструкции, что не позволяет производить непрерывное удалённое измерение вязкости жидкости внутри трубы в течение длительного времени.
Задачей изобретения является создание волоконно-оптического датчика вязкости, позволяющего производить непрерывное удалённое измерение вязкости жидкости внутри трубы, исключить взаимодействие оптического волокна с агрессивной средой, обеспечить возможность передачи измерительной информации на удалённый терминал непосредственно без дополнительной обработки; расширение арсенала технических средств измерения вязкости.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном волоконно-оптическом датчике вязкости, размещенном внутри трубы, включающем соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью переключения рабочей длины волны, чувствительный элемент и фотоприемник, входящий в блок обработки информации, чувствительный элемент выполнен из оптического волокна, на котором записаны волоконные брегговские решётки, согласно изобретению чувствительный элемент выполнен в виде прикрепленного к оптическому волокну рычажка, предназначенного для передачи усилия от измеряемой среды к волокну, при этом одна часть рычажка расположена в трубе, а другая часть рычажка и оптическое волокно чувствительного элемента расположены вне трубы.
В качестве волоконного световода может быть использован одномодовый волоконный световод.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа – чувствительный элемент выполнен в виде прикрепленного к оптическому волокну рычажка, предназначенного для передачи усилия от измеряемой среды к волокну; одна часть рычажка расположена в трубе, а другая часть рычажка и оптическое волокно чувствительного элемента расположены вне трубы; в качестве волоконного световода использован одномодовый волоконный световод.
Такая конструкция датчика позволяет производить непрерывное удалённое измерение вязкости жидкости внутри трубы, исключить взаимодействие оптического волокна с агрессивной средой, обеспечить возможность передачи измерительной информации на удалённый терминал непосредственно без дополнительной обработки. Расширяется арсенал технических средств измерения вязкости.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков датчика с достижением указанного технического результата.
На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптического датчика вязкости.
На фиг. 2 представлена конструкция волоконно-оптического датчика вязкости, вид сбоку.
На фиг. 3 представлена конструкция волоконно-оптического датчика вязкости в перпендикулярном разрезе трубы.
На фиг.4- 6 показаны зависимости смещения брэгговской длины волны от динамической вязкости жидкости при различных геометрических параметрах рычажка.
Волоконно-оптический датчик вязкости (фиг.1) содержит источник электромагнитного излучения – лазер 1, чувствительный элемент 2, фотоприемник 3, персональный компьютер (ПК) 4 (блок обработки информации). Чувствительный элемент 2 с одной стороны подключен к фотоприемнику 3, а с другой стороны соединен с источником электромагнитного излучения 1, при помощи волоконного световода.
Датчик размещен в трубе 5. Чувствительный элемент 2 выполнен в виде оптического волокна 6 и прикрепленного к нему рычажка, состоящего из верхнего плеча активатора 7, шарнира 8 и нижнего плеча активатора 9. Рычажок предназначен для передачи усилия от измеряемой среды к волокну 6.
При этом одна часть рычажка (верхнее плечо активатора 7) расположена в трубе 5, а другая часть рычажка (нижнее плечо активатора 9) и оптическое волокно 6 чувствительного элемента 2 расположены вне трубы 5. Шарнир 8 рычажка обеспечивает ему подвижность и сохраняет герметичность трубы 5.
На оптическом волокне 6 записаны волоконные брегговские решётки (ВБР) 10. Оптическое волокно 6 закреплено к трубе 5 с одной стороны с помощью неподвижного крепления 11, а с другой стороны прикреплено к рычажку с помощью подвижного крепления 12 таким образом, что при движении рычажка оно растягивается или сжимается.
Источник электромагнитного излучения 1 выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны. В качестве волоконного световода может быть использован одномодовый волоконный световод.
На фиг.2, 3 позицией 13 показана жидкость, на фиг.3 буквой а обозначена ширина рычажка; буквой в –высота верхнего плеча 7 активатора;
буквой д - высота нижнего плеча 9 активатора.
Устройство работает следующим образом: по трубе 5 течет жидкость 13, её скорость описывается профилем Пуазейля (фиг.2). Жидкость 13 действует с силой на верхнее плечо активатора 7, закрепленного на стенке трубы 5 шарниром 8. Сила давления жидкости 13 передаётся нижним плечом активатора 9 на подвижное крепление 12 (фиг.3). На подвижное крепление 12 закреплено волокно 6, по которому направлен световой пучок (фиг.2). Рабочая длина волны светового пучка определяется лазером 1. На оптическом волокне 6 записаны волоконные решётки Брэгга 10, изменение геометрических размеров которых (удлинение или сжатие) создает брэгговское смещение длины волны.
С другой стороны решётки волокно 6 соединено с неподвижным креплением 11 (фиг.2). Деформация ВБР 10 регистрируется системой измерения, состоящей из фотоприемника 3 и персонального компьютера 4 (фиг.1).
Для подтверждения работоспособности заявляемого датчика была получена математическая модель.
Из уравнения Пуазейля известно, что распределение скорости при течении жидкости в трубе имеет вид:
где ΔP – изменение давления на концах трубы, η – динамическая вязкость.
Помещая начало координат (x, y) в точку крепления шарнира, уравнение (1) примет вид
Элементарная сила df, действующая на элемент длины верхнего плеча активатора в потоке будет равна
где c f – безразмерный коэффициент, ρ – плотность среды, dS – площадь шарнира.
Подставив скорость из (2) в выражение (3) и интегрируя, получим результирующую силу, действующую на всё верхнее плечо активатора
Проинтегрировав (4) и подставив пределы интегрирования, имеем:
Момент силы давления жидкости M, действующий на активатор равен
где b eff – предполагаемая точка на активаторе, на которую действует вся сила.
При отсутствии трения в шарнире момент силы M, действующий на нижнем рычаге активатора, связан с силой упругости f упр , возникающей в оптоволокне, соотношением
где d – нижнее плечо активатора.
Из уравнений (6) и (8) имеем формулу
Механическое напряжение σ в волокне определяется как
где r fiber –радиус волокна.
По закону Гука механическое напряжение σ связно с упругой деформацией
где E – модель Юнга, ε – относительная деформация.
Используя уравнения (10) и (11), можно определить относительную деформацию
и сдвиг длины волны Δλ
Для подтверждения работоспособности предлагаемого датчика были также построены графики, основанные на вышеописанных формулах (фиг.4-6). В настоящее время минимальная разрешающая способность интеррогаторов составляет порядка 10 пикометров. В то время смещение брэгговской длины волны датчика для жидкости с низкой вязкостью составляет единицы нанометров, что с легкостью позволяет регистрировать показания вязкости при помощи заявляемого устройства.
Таким образом, предлагаемый датчик позволяет производить непрерывное удалённое измерение вязкости жидкости внутри трубы, исключить взаимодействие оптического волокна с агрессивной средой и обеспечить возможность передачи измерительной информации на удалённый терминал непосредственно без дополнительной обработки. Кроме того, расширяется арсенал технических средств измерения вязкости.
Claims (2)
1. Волоконно-оптический датчик вязкости, размещенный внутри трубы, включающий соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью переключения рабочей длины волны, чувствительный элемент и фотоприемник, входящий в блок обработки информации, при этом чувствительный элемент выполнен из оптического волокна, на котором записаны волоконные брегговские решётки, отличающийся т е м, что чувствительный элемент дополнительно содержит рычажок, прикрепленный к оптическому волокну предназначенный для передачи усилия от измеряемой среды к волокну, при этом одна часть рычажка расположена в трубе, а другая часть рычажка и оптическое волокно чувствительного элемента расположены вне трубы.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве волоконного световода использован одномодовый волоконный световод.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2811407C1 true RU2811407C1 (ru) | 2024-01-11 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2256164C2 (ru) * | 1999-11-12 | 2005-07-10 | Реолоджикс, Инк. | Вискозиметр с двумя восходящими трубками и одним капилляром (варианты) и способ измерения вязкости жидкостей (варианты) |
RU2537524C1 (ru) * | 2013-07-29 | 2015-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Ямщик" (ООО "Ямщик") | Способ определения вязкости и плотности жидкости и устройство для его осуществления |
CN107941657A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-04-20 | 陕西易阳科技有限公司 | 一种液体粘度测量系统 |
RU2755782C1 (ru) * | 2020-08-10 | 2021-09-21 | Евгений Игоревич Казанцев | Волоконно-оптический датчик для непрерывного измерения вязкости текучей среды |
RU212323U1 (ru) * | 2020-12-16 | 2022-07-15 | Евгений Игоревич Казанцев | Устройство для определения параметров вязкости текучей среды в трубопроводе |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2256164C2 (ru) * | 1999-11-12 | 2005-07-10 | Реолоджикс, Инк. | Вискозиметр с двумя восходящими трубками и одним капилляром (варианты) и способ измерения вязкости жидкостей (варианты) |
RU2537524C1 (ru) * | 2013-07-29 | 2015-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Ямщик" (ООО "Ямщик") | Способ определения вязкости и плотности жидкости и устройство для его осуществления |
CN107941657A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-04-20 | 陕西易阳科技有限公司 | 一种液体粘度测量系统 |
RU2755782C1 (ru) * | 2020-08-10 | 2021-09-21 | Евгений Игоревич Казанцев | Волоконно-оптический датчик для непрерывного измерения вязкости текучей среды |
RU212323U1 (ru) * | 2020-12-16 | 2022-07-15 | Евгений Игоревич Казанцев | Устройство для определения параметров вязкости текучей среды в трубопроводе |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8276463B2 (en) | Shear stress measurement apparatus | |
CN101526339B (zh) | 温度自补偿光纤光栅位移传感器 | |
US8805128B2 (en) | Multi-point pressure sensor and uses thereof | |
US7770463B2 (en) | Shear stress measurement apparatus | |
US20150077736A1 (en) | Sensor for combined temperature, pressure, and refractive index detection | |
US20110247430A1 (en) | Measuring arrangement with an optical sensor | |
Costa et al. | Macrobending SMS fiber-optic anemometer and flow sensor | |
Consales et al. | A fiber Bragg grating liquid level sensor based on the Archimedes' law of buoyancy | |
ZA200508065B (en) | A fibre optic sensor for measurement of refractive index | |
CN201382777Y (zh) | 温度自补偿光纤光栅位移传感器 | |
US20180172536A1 (en) | FIBER OPTIC PRESSURE APPARATUS, METHODS, and APPLICATIONS | |
WO2013053930A1 (en) | Resonant biosensor | |
RU2811407C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик вязкости | |
EP3096117A1 (en) | A temperature sensor | |
RU2755782C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик для непрерывного измерения вязкости текучей среды | |
US10527502B2 (en) | Temperature sensor | |
JP3600171B2 (ja) | 液体圧力測定センサおよび水位測定装置 | |
CN202522340U (zh) | 一种光纤光栅高温传感系统 | |
SU922538A1 (ru) | Устройство дл дистанционного измерени температуры | |
Liu et al. | Miniature FBG-based fluidic flowmeter to measure hot oil and water | |
RU2180100C2 (ru) | Амплитудный волоконно-оптический преобразователь механических величин | |
Paul et al. | Highly Sensitive and Temperature Insensitive Fiber Bragg Grating Based Liquid-Level Sensor | |
RU2806622C1 (ru) | Способ и устройство для вычисления показателя добротности q вибрационного измерительного устройства | |
RU212323U1 (ru) | Устройство для определения параметров вязкости текучей среды в трубопроводе | |
Sopian et al. | Liquid Level Monitoring With Single Layered Rubber Diaphragm Fibre Bragg Grating Sensor |