專利名稱：非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其是非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在油田領(lǐng)域，流量的測(cè)量可以為生產(chǎn)測(cè)井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為石油生產(chǎn)和傳輸特性提供極其重要的參數(shù)，井下具有高溫、高壓等十分惡劣的環(huán)境，傳統(tǒng)的電子流量計(jì)易出現(xiàn)故障， 而現(xiàn)有的光纖渦輪、渦街流量計(jì)是一種浸入式技術(shù)(如《分布式光纖流量測(cè)量裝置與方法》 發(fā)明專利)，打破原有的系統(tǒng)流場(chǎng)，測(cè)量結(jié)果具有局限性。《分布式光纖流量測(cè)量裝置與方法》發(fā)明專利測(cè)試原理如下
通過利用一根傳感光纖將多個(gè)待測(cè)流場(chǎng)管道連接在一起，在每個(gè)流場(chǎng)里分別設(shè)置一個(gè)障礙物，流體遇到障礙物后將形成有規(guī)律的兩列旋轉(zhuǎn)方向相反的并排旋渦稱為卡門旋渦。 此旋渦頻率與流速成正比，解調(diào)基于Φ-光時(shí)域發(fā)射計(jì)的干涉機(jī)理，干涉信號(hào)反映出傳感光纖的感應(yīng)振動(dòng)頻率，此傳感光纖受旋渦沖力的作用而作受迫振動(dòng)，傳感光纖中的產(chǎn)生的后向散射光信號(hào)相位也就此振動(dòng)調(diào)制，通過解調(diào)出旋渦頻率，從而可求出流場(chǎng)的流速。《分布式光纖流量測(cè)量裝置與方法》發(fā)明專利不足之處流量的測(cè)量必須要在流場(chǎng)里設(shè)置障礙物，打破原有的系統(tǒng)流場(chǎng)。采用散射原理，解調(diào)信號(hào)的信噪比較低，低流速難以測(cè)量準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
基于以上不足，本發(fā)明提出了非浸入式井下光纖流量計(jì)，主要是采用了基于管道振動(dòng)的非浸入式測(cè)量原理和光纖干涉原理。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括利用光纖干涉儀測(cè)量相位變化并形成具有脈沖干涉信號(hào)的光路系統(tǒng)及與之相應(yīng)的信號(hào)處理系統(tǒng)，還有與信號(hào)處理系統(tǒng)電連接的控制系統(tǒng)，其特性是僅將光路系統(tǒng)中傳感器模塊的傳感光纖纏繞在油管外壁在不破壞原有系統(tǒng)流場(chǎng)的情況下進(jìn)行流量的非浸入式監(jiān)測(cè)。本方案的具體特點(diǎn)還有，所述光路系統(tǒng)包括光源驅(qū)動(dòng)模塊和與之連接的聲光調(diào)制器模塊，還包括將聲光調(diào)制器模塊和至少一個(gè)傳感器模塊連接在一起的光纖干涉儀模塊， 所述傳感器模塊包括傳感光纖和與之兩端連接的光纖光柵。所述聲光調(diào)制器模塊將連續(xù)窄線寬激光調(diào)制為一定周期的脈沖光，送入到作為光纖干涉儀模塊的馬赫-曾德干涉儀有特定臂長差的兩臂，形成兩個(gè)脈沖激光，并進(jìn)入η個(gè)傳感器模塊，經(jīng)過η個(gè)傳感器模塊中的低反射率光柵的反射，最終在接收端形成與η個(gè)傳感器模塊相對(duì)應(yīng)的脈沖干涉信號(hào)。傳感器模塊的傳感光纖長度為馬赫-曾德干涉儀有特定臂長差的一半，傳感光纖的長度范圍為50m 200m。根據(jù)光纖干涉原理可知光纖長度越長，相位監(jiān)測(cè)靈敏度越高， 但是根據(jù)管壁振動(dòng)測(cè)試?yán)碚撌腔诒O(jiān)測(cè)位置是近似一個(gè)點(diǎn)，纏繞在管壁管徑是定值。光路系統(tǒng)使用聲光調(diào)制器將連續(xù)激光調(diào)制為脈沖激光，并通過馬赫曾德干涉儀實(shí)現(xiàn)信號(hào)的載波調(diào)制以及延時(shí)功能。載波調(diào)制是通過驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器完成干涉信號(hào)的調(diào)制，延時(shí)功能通過特定的臂長差完成此功能，臂長差(AL)的計(jì)算是按照兩路光在不同長度的光纖內(nèi)傳播的時(shí)間差(AT)來計(jì)算的，在本發(fā)明中，采用的時(shí)間差(AT)為I μ S，根據(jù)長度、時(shí)間、光速(C) 之間的關(guān)系A(chǔ)L =CX AT，其臂長差(AL)設(shè)定為210m。傳感光纖緊密纏繞在油管外側(cè)，根據(jù)管壁振動(dòng)測(cè)試?yán)碚撌腔诒O(jiān)測(cè)位置是近似一個(gè)點(diǎn)的理論，將傳感單元設(shè)計(jì)為寬度為5cm，層數(shù)為3層，并在傳感單元兩端焊接光纖光柵構(gòu)成流量傳感器。有η個(gè)傳感器模塊串聯(lián)在一起，n ^ 2，具體結(jié)構(gòu)是指第一個(gè)傳感器模塊需要在傳感光纖前端連接第一光柵，在傳感光纖后端端連接第二光柵，第二個(gè)傳感器模塊將傳感光纖的前端與第二光柵連接，并在第二個(gè)傳感器模塊的傳感光纖后端連接第三光柵，第三個(gè)傳感器模塊將傳感光纖的前端與第三光柵連接，并在第三個(gè)傳感器模塊的傳感光纖后端連接第四光柵，以此類推至第η個(gè)傳感器模塊。該光路系統(tǒng)能夠同時(shí)檢測(cè)多個(gè)流場(chǎng)流量。所述聲光調(diào)制器模塊將連續(xù)窄線寬激光調(diào)制為一定周期的脈沖光，送入到作為光纖干涉儀模塊的馬赫-曾德干涉儀有特定臂長差的兩臂，形成兩個(gè)脈沖激光，并進(jìn)入傳感器模塊，經(jīng)過 η個(gè)傳感器模塊中的低反射率光柵的反射，最終在接收端形成與η個(gè)傳感器模塊相對(duì)應(yīng)的脈沖干涉信號(hào)。所述控制系統(tǒng)是指單片機(jī)控制模塊C8051F410，單片機(jī)完成對(duì)聲光調(diào)制器的控制、 對(duì)信號(hào)采集模塊的時(shí)分復(fù)用開關(guān)的控制以及完成用于相位調(diào)制的調(diào)制信號(hào)的控制功能。所述的信號(hào)處理系統(tǒng)包括連通單片機(jī)控制模塊和PGC解調(diào)模塊的信號(hào)發(fā)生模塊、 與光路系統(tǒng)連接的信號(hào)接收模塊，信號(hào)接收模塊輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)采樣模塊送至PGC解調(diào)模塊。光源驅(qū)動(dòng)模塊，采用恒流驅(qū)動(dòng)窄脈寬DFB模塊的方式，其中光源采用 EP1550-NLW-B系列IOOKHz線寬的DFB激光器。使用微分交叉相乘式相位載波技術(shù)進(jìn)行了相位解調(diào)。所述發(fā)明涉及一種非浸入式光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用管道振動(dòng)測(cè)試原理和光纖干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了流量的非浸入式監(jiān)測(cè)。所述發(fā)明的管道測(cè)量基本原理如下
權(quán)利要求
1.一種非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括利用光纖干涉儀測(cè)量相位變化并形成具有脈沖干涉信號(hào)的光路系統(tǒng)及與之相應(yīng)的信號(hào)處理系統(tǒng)，還有與信號(hào)處理系統(tǒng)電連接的控制系統(tǒng)，其特性是僅將光路系統(tǒng)中傳感器模塊的傳感光纖纏繞在油管外壁在不破壞原有系統(tǒng)流場(chǎng)的情況下進(jìn)行流量的非浸入式監(jiān)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是所述光路系統(tǒng)包括光源驅(qū)動(dòng)模塊和與之連接的聲光調(diào)制器模塊，還包括將聲光調(diào)制器模塊和至少一個(gè)傳感器模塊連接在一起的光纖干涉儀模塊，所述傳感器模塊包括傳感光纖和與之兩端連接的光纖光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是所述聲光調(diào)制器模塊將連續(xù)窄線寬激光調(diào)制為一定周期的脈沖光，送入到作為光纖干涉儀模塊的馬赫-曾德干涉儀有特定臂長差的兩臂，形成兩個(gè)脈沖激光，并進(jìn)入傳感器模塊，經(jīng)過傳感器模塊中的低反射率光柵的反射，最終在接收端形成一系列具有干涉信號(hào)的脈沖信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是傳感器模塊的傳感光纖長度為馬赫-曾德干涉儀有特定臂長差的一半，傳感光纖的長度范圍為50m 200m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是傳感光纖緊密纏繞在油管外側(cè)寬度為5cm，層數(shù)為3層，并在傳感單元兩端焊接光纖光柵構(gòu)成流量傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是有η個(gè)傳感器模塊串聯(lián)在一起，n ^ 2，具體結(jié)構(gòu)是指第一個(gè)傳感器模塊需要在傳感光纖前端連接第一光柵，在傳感光纖后端端連接第二光柵，第二個(gè)傳感器模塊將傳感光纖的前端與第二光柵連接，并在第二個(gè)傳感器模塊的傳感光纖后端連接第三光柵，第三個(gè)傳感器模塊將傳感光纖的前端與第三光柵連接，并在第三個(gè)傳感器模塊的傳感光纖后端連接第四光柵，以此類推至第η個(gè)傳感器模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是所述控制系統(tǒng)是指單片機(jī)控制模塊C8051F410，單片機(jī)完成對(duì)聲光調(diào)制器的控制、對(duì)信號(hào)采集模塊的時(shí)分復(fù)用開關(guān)的控制以及完成用于相位調(diào)制的調(diào)制信號(hào)的控制功能。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是所述的信號(hào)處理系統(tǒng)包括連通單片機(jī)控制模塊和PGC解調(diào)模塊的信號(hào)發(fā)生模塊、與光路系統(tǒng)連接的信號(hào)接收模塊，信號(hào)接收模塊輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)采樣模塊送至PGC解調(diào)模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是光源驅(qū)動(dòng)模塊， 采用恒流驅(qū)動(dòng)窄脈寬DFB模塊的方式，其中光源采用EP1550-NLW-B系列IOOKHz線寬的DFB 激光器。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特性是使用微分交叉相乘式相位載波技術(shù)進(jìn)行了相位解調(diào)。
全文摘要
一種非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括利用光纖干涉儀測(cè)量相位變化并形成具有多個(gè)脈沖干涉信號(hào)的光路系統(tǒng)及與之相應(yīng)的信號(hào)處理系統(tǒng)，還有與信號(hào)處理系統(tǒng)電連接的控制系統(tǒng)，僅將光路系統(tǒng)中傳感器模塊的傳感光纖纏繞在油管外壁在不破壞原有系統(tǒng)流場(chǎng)的情況下進(jìn)行多個(gè)管道流場(chǎng)流量的非浸入式監(jiān)測(cè)。采用了基于管道振動(dòng)測(cè)量原理光纖干涉原理，使用光纖干涉技術(shù)將振動(dòng)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為光相位信號(hào)，探測(cè)器將光相位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)的變化，采用分時(shí)采樣技術(shù)找出脈沖干涉信號(hào)與管道流場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后采用微分交叉相乘式相位載波技術(shù)解調(diào)出相應(yīng)管道流場(chǎng)的相位信息，實(shí)現(xiàn)了流量監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01F1/20GK102587897SQ20121007021
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月16日
發(fā)明者劉小會(huì), 孫寶全, 尚盈, 張國玉, 王昌, 趙文安 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院激光研究所