[發明專利]包括光纖布拉格光柵傳感器的卡門渦流流量計組件以及測量流體流速的方法

有效

• 申請號: 200780047600.1
• 申請日: 2007-12-18
• 公開（公告）號: CN101632004A
• 公開（公告）日: 2010-01-20
• 發明（設計）人: 鄭倫佳;馬里納斯·卡洛勒斯·阿德里安努什·瑪利亞·彼得斯;沃特·希費爾利
• 申請（專利權）人: 荷蘭應用自然科學研究組織
• 主分類號: G01F1/32
• 分類號: G01F1/32
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司
• 代理人: 李 輝

技術領域

本發明涉及包括流體通道和流量計的組件，以及測量流體流速的方法。

背景技術

在油井/氣井中，經常將水或蒸汽注入油田/氣田中以提高產量。希望能提供有關可用的水/蒸汽注射管中的流動狀況的信息。然而，只有有限數量的流量計可用于井下應用，這些流量計都非常昂貴、笨重且復雜(參見例如在美國專利第6,691,584?B2中描述的系統)。

此外，JP200387451(HishidaYasyuyki)描述了一種光學流速傳感器，其中使用光纖布拉格光柵(fiber?Bragg?grating)來檢測在流的方向上發生彎曲的柔性檢測桿的流致彎曲(flow?induced?bending)。由于彎曲與流速之間的相關性是非線性的，因而這種結構造成校準這種傳感器相對較難，而且此外還需要一個額外的布拉格光柵來提供溫度補償。此外，由于測量的類型(使用FBG反射傳感器信號的振幅來測量應變(strain))，并且由于桿的柔性會隨時間而發生變化，從而導致測量結果隨時間而出現漂移，因此這種傳感器并不非常準確。此外，這種傳感器不是非常適合用于井下應用。

發明內容

本發明的目的是解決這些問題。特別地，本發明致力于提供一種組件和方法，其中，可以使用相對便宜的、緊湊的并且耐用的裝置優選地在相對寬闊的范圍對流體流速進行準確地測量。

為此，根據本發明的實施方式，以權利要求1的特征表征了所述組件。

有利的是，所述流量計包括在通道中延伸的至少一個渦流發生體(vortex?shedder)，每個渦流發生體都被配置成在工作過程中在流經所述通道的流體中產生卡門渦流(Karman?vortex)，其中各渦流發生體都設置有光纖布拉格光柵傳感器的第一光纖布拉格光柵(FBG)，其中利用與渦流發生體的各自的所述第一光纖布拉格光柵有關的光纖布拉格光柵傳感器信號，可以檢測到由所述渦流發生體產生的渦流的卡門渦流頻率。另外，例如通過對若干個FBG流傳感器進行復用，可以提供一個使用單根光纖的傳感器陣列。

已經發現，本組件可以提供非常準確的流速測量結果，可以非常好地對其進行重現。另外，本組件的所述流量計(特別是所述渦流發生體與各自的光纖布拉格光柵部分)可以制作得緊湊并且耐用，并且還可以以相對便宜的裝置來提供所述流量計。

指導本發明的基本思想是，可以將所述流量計的所述光纖布拉格光柵部分與卡門渦流發生體簡單地集成在一起。通過根據與各自的光纖布拉格光柵相關的所述傳感器信號來推斷卡門渦流頻率，所述流量計仍然可以準確地確定流體流動速度。由于卡門頻率與所述流體流動速度大體上相互線性地相關，因此卡門頻率提供了對所述流動速度的非常可靠的測量，特別在井下應用中常見的特定流體速度范圍內。此外，可以使用相對簡單的處理裝置來處理FBG傳感器信號以發現單個相應的FBG所檢測到的卡門頻率。

從出版物“A?water?flowmeter?using?dual?fiber?Bragg?grating?sensors?andcross-correlation?technique”(Shoichi?Takashima?et?al，Sensors?and?Acuators?A116?2004?pp.66(Elsevier))中，已知了在水流量計本身中對光纖布拉格光柵的使用。然而，該出版物倡導應用位于非流線形體(Bluff?body)的下游的至少兩個單獨的懸臂式FBG傳感器，其中需要將對應的傳感器信號進行互相干以檢測時間延遲，并且其中所述流動速度是從所述兩個FBG傳感器之間的距離以及所述時間延遲得出的，因此該出版物遠離了本發明。這個已知的系統是昂貴的、復雜的、易于發生機械故障的、占用了很大的空間并因此很難進行安裝。此外，該系統只能在一個方向上檢測流體的流速。

此外，根據一種實施方式，提供了一種根據本發明的所述組件的流量計，所述流量計特別地適于利用與所述至少一個渦流發生體的各自的第一光纖布拉格光柵相關的至少一個對應的光纖布拉格光柵傳感器信號，通過確定在工作過程中由所述至少一個渦流發生體發出的渦流的卡門渦流頻率來測量流體通道中的流體流速。由于所述布拉格光柵傳感器可以避免在井下使用電子裝置，因此所述流量計非常適用于井下應用的極端的條件(高溫和高壓)。

另外，提供了一種測量在通道中流動的流體的流體流速的方法。該方法可例如利用根據本發明的流量計，并且該方法具體地包括以下步驟：

-在所述通道中設置至少一個渦流發生體，每個渦流發生體都在流經所述通道的所述流體中發出卡門渦流；