一种井下流体流量测量方法及流量测量仪 |
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| 申请号 | CN201710625027.3 | 申请日 | 2017-07-27 | 公开(公告)号 | CN107389144A | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 电子科技大学; | 发明人 | 代志勇; 吴梓南; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种井下 流体 流量测量方法及流量测量仪，包括：传感 光源 模 块 、光纤环行器、光纤传感结构和 信号 处理模块。所述光纤传感结构中的光纤 探头 一方面将传感光纤中传输光波的一部分反射回传感光纤，形成反射光束一，另一方面将剩余部分光波入射到被测流体上，并将流体所产生的后向散射光耦合回所述传感光纤，形成反射光束二。反射光束一二在传感光纤中产生干涉，通过对干涉信号的分析可获得由流体速度调制的光波 频率 变化信息，进而获得流体流量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种井下流体流量测量仪，其特征在于，包括：传感光源模块、光纤环行器、光纤传感结构和信号处理模块，所述光纤环行器一端与传感光源模块连接，剩下两端的一端与所述光纤传感结构连接，另一端与信号处理模块连接。 |
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| 说明书全文 | 一种井下流体流量测量方法及流量测量仪技术领域[0001] 本发明涉及一种井下流体流量测量方法及流量测量仪，属于流体流量测量领域。 背景技术[0002] 流体流量测量是工业过程中运行状态的重要标志之一。如何精准地测量流体的流量，无论是在生活中还是在工业中都具有重要的意义。特别是在工业场景，比如对于油气井下或石油管道中流体流量的测量，如何精准地进行测量有着重要的意义，更好的探测方式能达到在恶劣的环境下实现高精度测量的作用。在常见的情况下，我们已有许多的测量方案，比如超声波探测法就可以实现流量探测。但是在复杂的场景下，比如井下，仪器需经受高温、高压，还要承受泥沙的冲击，测量精度和仪器的长久耐用性变得难以控制。此时，就需要适应能力更强、更为精确的流量探测方式。 [0004] 电磁流量计是基于法拉第定律设计的，根据感应电动势与瞬时体积流量成正比，通过对感应电动势的测量来计算流体流量。但是，电磁流量计只能用于导电流体测量，一般工业用的电磁流量计最大管径只能做到3m以内，对于直径不是很大的管道，很容易在管道内形成均匀磁场。而对于10m以上的大管径而言，要形成包围管道的稳定磁场并不容易，而且电磁流量计对于管道长度也有一定的要求。因此，电磁流量计无法准确检测大管径管道内的流量。 [0005] 超声波流量计是一种非接触式测量仪器。当流体经过超声波流量计时，超声波传播的时间差、相位差、频率差等和流体流速呈函数关系，通过检测超声波的时间差、相位差、频率差就可以得到流体的流速，进而换算出流体的流量。但是，对于超声波流量计，任何机械振动产生的声波都会对超声波流量计的测量声波进行干扰，特别是在井下这种复杂的环境下，各式各样的声波都会产生，严重影响了仪器的测量精度。 发明内容[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是，本发明提供一个流体流量测量仪，包含： [0007] 一个传感光源模块、一个光纤环行器、一个光纤传感结构和一个信号处理模块；传感光源模块发射出一定谱宽和功率的光波，通过环行器，再通过光纤探头和光纤传感结构上的光学窗口照射到被测流体上，被测流体分子或粒子与光波发生作用，产生的后向散射光经过光纤探头回到光纤中，并与光纤探头端面的反射光产生干涉，干涉光通过环行器入射到信号处理模块中的光电探测器上。所述环行器一端与传感光源连接，剩下两端一端与所述光纤探头连接，另一端与信号处理模块连接。 [0009] 所述光纤传感结构包括传感光纤、金属外壳、光学玻璃窗、光纤探头，所述光学玻璃窗设置于金属外壳上；所述光纤探头输出端设置于光学玻璃窗处，光纤探头的输入端连接传感光纤；所述金属外壳内部设置填充物用于固定内部传感光纤和光纤探头。 [0011] 进一步地，所述金属外壳上的光学玻璃窗，便于光纤探头输出的光波能入射到流体上，以及后向散射光回到光纤探头；为了更好地保护光纤探头，所述光学玻璃窗采用蓝宝石材质。 [0012] 一种流体速度测量方法，步骤如下： [0013] 传感光源发射光波信号，经过所述传感光纤，通过光纤探头照射到被测的流体上； [0014] 被测流体分子或流体中微粒与入射的光波产生作用，将入射光波向各个方向散射；由于光波的入射方向与流体运动方向呈一个θ角，根据相对论原理和光速不变原理，流体产生的散射光与原入射光波的频率相比有一个频移量fD； [0015] 其中一部分散射光再次通过光纤探头回到传感光纤中，并与光纤探头端面的反射光产生干涉，干涉光通过一个环行器入射到信号处理模块的光电探测器上，转换为电信号输出，电信号通过频谱分析模块得到频移量fD。 [0016] 得到频移量fD后，即可根据公式 计算出流体的速度。其中ν为所测流体的速度，θ为入射光与流体运动方向的夹角，λ为所使用激光的波长。 [0017] 一种流体流量计算方法，步骤如下： [0018] 包含采用上述所用测量流体速度的步骤； [0019] 利用公式Q＝ν·t·S计算出流体流量。其中，Q表示流体的流量，t 表示测量的时间，S表示被测流体输运管道的横截面积 [0020] 区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是： [0021] 本发明提供了一种测量流体流量的方法，在测量的过程中设计了一种光纤传感结构。所述光纤传感结构由以下几部分构成：传感光纤、金属外壳、光学玻璃窗、光纤探头。所述光纤探头由光纤自聚焦透镜构成，其端面镀有一定反射率的反射膜；光纤探头一方面将所述传感光纤中传输光波的一部分反射回传感光纤，形成反射光束一，另一方面将剩余部分光波入射到被测流体上，并将流体所产生的后向散射光耦合回所述传感光纤，形成反射光束二。反射光束一和反射光束二在传感光纤中产生干涉，通过对干涉信号的分析可获得流体速度调制的光波频率变化信息，进而获得流体流量。进一步地，所述金属外壳采用全不锈钢结构，以便于在恶劣工作环境条件下(比如高温、高压以及泥沙堆积或者流体中有腐蚀介质)，保护光纤传感结构能正常使用。利用光波测量高分辨率、高灵敏度、大动态范围等技术优点，使得本发明相比于传统的流量测量仪，比如超声波测量仪，拥有更加优秀的性能以及更强的恶劣环境适应能力。附图说明 [0022] 图1是本发明光纤传感结构的结构示意图。 [0023] 图2是本发明井下流体分子或粒子散射示意图。 [0024] 图3是本发明流体流量测量仪结构示意图。 具体实施方式[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0026] 一并参见图1、图3提供的一种井下流体流量测量仪，包括： [0027] 一个传感光源模块，用来发射一定谱宽和功率的光波。 [0028] 一个所述光纤传感结构由以下几部分构成：传感光纤1、金属外壳 3、光学玻璃窗5、光纤探头4。所述光纤探头4由光纤自聚焦透镜构成，其端面镀有一定反射率的反射膜；光纤探头4一方面将所述传感光纤中传输光波的一部分反射回传感光纤，形成反射光束一，另一方面将剩余部分光波入射到被测流体上，并将流体所产生的后向散射光耦合回所述传感光纤，形成反射光束二。反射光束一和反射光束二在传感光纤中产生干涉，通过对干涉信号的分析可获得流体速度调制的光波频率变化信息，进而获得流体流量。进一步地，所述金属外壳3采用全不锈钢结构，以便于在恶劣工作环境条件下(比如高温、高压以及泥沙堆积或者流体中有腐蚀介质)，保护光纤传感结构能正常使用。进一步地，所述金属外壳上有光学玻璃窗5，以便于光纤探头输出的光波能入射到流体上，以及流体所产生的后向散射光回到光纤探头。为了更好地适应恶劣工作环境，所述光学玻璃窗采用蓝宝石材质。 [0029] 一个光纤环行器，用来连接所述传感光源和所述光纤传感结构。将所述传感光源发射出来光波传输到光纤传感结构中，并将光纤传感结构传回来的干涉光传输到信号处理模块。 [0030] 一个光电探测器，与所述光纤环行器连接，用来接收光纤传感结构传来的干涉光，并将干涉光转换为电信号输出。 [0031] 一个频谱分析模块，与所述光电探测器连接，对光电探测其输出的电信号分析，得到频移fD。 [0032] 一个嵌入式计算机模块，与所述频谱分析模块连接，用于计算流体的速度和流量。 [0033] 传感光源模块发出一定谱宽和功率的光波，从所述光纤环行器1端口进入环行器，通过所述环行器2端口到达所述光纤传感结构，再通过光纤探头照射到被测流体上，被测流体中分子或粒子与光波发生作用，产生的后向散射光经过光纤探头回到光纤中，并与光纤探头端面反射光产生干涉，干涉光通过环行器3端口入射到信号处理模块的光电探测器中。所述环行器一个端口与传感光源模块连接，剩下两个端口一个与所述光纤传感结构连接，另一个与信号处理模块连接。 [0034] 实施例一：一种流体速度测量方法，包含以下步骤： [0035] 当被测流体通过一个管状通道。本实施例中，所述管状通道为一个圆柱形管子，其横截面积为S，长为L。 [0036] 传感光源发射光波，经过所述传感光纤，通过光纤探头照射到被测的流体上。 [0037] 被测流体分子或的粒子与入射光波产生作用，将入射光波向各个方向散射；由于光波的入射方向与流体运动方向呈一个θ角，流体产生的散射光与原入射光波的光谱相比有一个频移量fD； [0038] 其中一部分散射光再次通过光纤探头回到传感光纤中，通过一个环行器回到传感光纤中，与光纤探头端面反射光产生干涉，干涉光入射到光电探测器上，被转换为电信号。 [0039] 所得电信号经过频谱分析模块，得到频移量fD。 [0040] 得到频移量fD后，即可根据公式 计算出流体的速度。其中ν为所测流体的速度，θ为入射光与流体运动方向的夹角，λ为所使用激光的波长。 [0041] 公式 的推导过程如下所示： [0042] 如图2所示，设S为光源，D为探测器，P为油井管道，M为流体中分子或粒子，θ为入射光方向与流体方向的夹角。当光源发射激光到运动的M时，可以考虑S为静止的，M为运动的。根据相对论中频率与速度的关系，可以得到到达M时的脉冲频率为： [0043] [0044] 为了求得到达探测器的脉冲光的频率，可以将由M散射的光看成是运动的，而探测器是静止的，可以得到： [0045] [0046] 由此可以得到多普勒频移为： [0047] [0048] 因为c＞＞v，上式可以化简为： [0049] [0050] 利用公式Q＝ν·t·S计算出流体流量；其中，Q表示流体的流量，t 表示测量的时间，S表示被测流体的横截面积。 |
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