包括光纤布拉格光栅传感器的卡门涡流流量计组件以及测量流体流速的方法技术

一种包括流体通道与流量计的组件，所述流量计（１）包括至少一个在所述通道（Ｃ）中延伸的涡流发生体（２），每个涡流发生体（２）被设置成在工作过程中在流经所述通道（Ｃ）的流体中产生卡门涡流（Ｖ），其中，每个涡流发生体（２）设置有光纤布拉格光栅传感器（３、７、ＦＢＧ）的第一光纤布拉格光栅（ＦＢＧ），其中，利用与产生所述涡流（Ｖ）的所述涡流发生体（２）的所述相应的光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）相关的光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）传感器信号，可检测到由所述涡流发生体（２）产生的所述涡流（Ｖ）的卡门涡流频率（ｆｅ）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包括流体通道和流量计的组件，以及测量流体流速的方法。
技术介绍
在油井/气井中，经常将水或蒸汽注入油田/气田中以提高产量。希望 能提供有关可用的水/蒸汽注射管中的流动状况的信息。然而，只有有限 数量的流量计可用于井下应用，这些流量计都非常昂贵、笨重且复杂(参见例如在美国专利第6,691,584 B2中描述的系统)。此外，JP200387451 (Hishida Yasyuyki)描述了一种光学流速传感器， 其中使用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating)来检测在流的方向上发生 弯曲的柔性检测杆的流致弯曲(flow induced bending)。由于弯曲与流速 之间的相关性是非线性的，因而这种结构造成校准这种传感器相对较难， 而且此外还需要一个额外的布拉格光栅来提供温度补偿。此外，由于测 量的类型(使用FBG反射传感器信号的振幅来测量应变(strain)),并且 由于杆的柔性会随时间而发生变化，从而导致测量结果随时间而出现漂 移，因此这种传感器并不非常准确。此外，这种传感器不是非常适合用 于井下应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决这些问题。特别地，本专利技术致力于提供一种组 件和方法，其中，可以使用相对便宜的、紧凑的并且耐用的装置优选地 在相对宽阔的范围对流体流速进行准确地测量。为此，根据本专利技术的实施方式，以权利要求1的特征表征了所述组件。有利的是，所述流量计包括在通道中延伸的至少一个涡流发生体(vortex shedder)，每个涡流发生体都被配置成在工作过程中在流经所述 通道的流体中产生卡门涡流(Karmanvortex),其中各涡流发生体都设置 有光纤布拉格光栅传感器的第一光纤布拉格光栅(FBG)，其中利用与涡 流发生体的各自的所述第一光纤布拉格光栅有关的光纤布拉格光栅传感 器信号，可以检测到由所述涡流发生体产生的涡流的卡门涡流频率。另 外，例如通过对若干个FBG流传感器进行复用，可以提供一个使用单根 光纤的传感器阵列。已经发现，本组件可以提供非常准确的流速测量结果，可以非常好 地对其进行重现。另外，本组件的所述流量计(特别是所述涡流发生体 与各自的光纤布拉格光栅部分)可以制作得紧凑并且耐用，并且还可以 以相对便宜的装置来提供所述流量计。指导本专利技术的基本思想是，可以将所述流量计的所述光纤布拉格光 栅部分与卡门涡流发生体简单地集成在一起。通过根据与各自的光纤布 拉格光栅相关的所述传感器信号来推断卡门涡流频率，所述流量计仍然 可以准确地确定流体流动速度。由于卡门频率与所述流体流动速度大体 上相互线性地相关，因此卡门频率提供了对所述流动速度的非常可靠的 测量，特别在井下应用中常见的特定流体速度范围内。此外，可以使用 相对简单的处理装置来处理FBG传感器信号以发现单个相应的FBG所 检测到的卡门频率。从出版物"A water flowmeter using dual fiber Bragg grating sensors and cross-correlation technique" ( Shoichi Takashima et al， Sensors and Acuators A 116 2004 pp.66 (Elsevier))中，已知了在水流量计本身中对光纤布拉格光 栅的使用。然而，该出版物倡导应用位于非流线形体(Bluffbody)的下 游的至少两个单独的悬臂式FBG传感器，其中需要将对应的传感器信号 进行互相干以检测时间延迟，并且其中所述流动速度是从所述两个FBG 传感器之间的距离以及所述时间延迟得出的，因此该出版物远离了本发 明。这个己知的系统是昂贵的、复杂的、易于发生机械故障的、占用了很大的空间并因此很难进行安装。此外，该系统只能在一个方向上检测 流体的流速。此外，根据一种实施方式，提供了一种根据本专利技术的所述组件的流 量计，所述流量计特别地适于利用与所述至少一个涡流发生体的各自的 第一光纤布拉格光栅相关的至少一个对应的光纤布拉格光栅传感器信 号，通过确定在工作过程中由所述至少一个涡流发生体发出的涡流的卡 门涡流频率来测量流体通道中的流体流速。由于所述布拉格光栅传感器 可以避免在井下使用电子装置，因此所述流量计非常适用于井下应用的 极端的条件(高温和高压)。另外，提供了一种测量在通道中流动的流体的流体流速的方法。该 方法可例如利用根据本专利技术的流量计，并且该方法具体地包括以下步骤-在所述通道中设置至少一个涡流发生体，每个涡流发生体都在流经 所述通道的所述流体中发出卡门涡流；-向所述涡流发生体提供具有至少一个第一光纤布拉格光栅的光纤， 所述光栅被配置成取决于所述光栅所承受的应变量来反射具有特定波长 的光学信号，其中，卡门涡流形成的流体压力变化导致了相应的光纤布拉格光栅所承受的应变发生变化；-向光纤中发送光学信号，所述信号具有这样的波长，即，在所述光 栅正在受到预定量的应变(例如，没有应变)的影响的情况下，所述第一光纤布拉格光栅至少部分地反射该波长；-检测由所述涡流发生体的所述第一光纤布拉格光栅反射的所述光 学信号；以及-处理所述检测到的光学信号以根据所述检测到的信号的变化来确 定所述流体流速。优选地，该方法包括以下步骤利用所述光纤布拉格光栅来测量所述涡流发生体的表面部分的表面 应变变化。附图说明8在从属权利要求中描述了本专利技术的更有利的实施方式。通过参照下 面所描述的并在附图中示出的非限定性的实施方式，本专利技术的这些方面 以及其它方面将被阐明并变得明显。图1示出了本专利技术的一种实施方式的纵向截面；图2示出了沿图1中的线II-II的横截面；图3示出了沿图1中的线ni-III的纵向的示意性横截面；图4是图1的实施方式的涡流发生体的透视图5是图4中示出的发生体的纵向截面图6是图4的发生体的前视图7是沿图6中的线VII-VII的横截面图；以及图8示出了一个示例韵所测量的关于流动速度的分离(shedding)频 率的曲线图。具体实施例方式在本申请中，以相同或相应的标号表示相同或相应的特征。 图1-6示出了包括流体通道C以及流量计1的组件的非限制性实施 方式。流体通道C (例如，流体线、流体管、流体渠(fluidline/pipe/conduit) 可被配置成导引流体，例如，气体、气体混合物、空气、液体、液体混 合物、水、蒸汽。在特定的实施方式中，通道C可以被设置成向油田或 气田中注入流体，然而，技术人员将理解，可以将通道C用于很多其它 的应用中。在本实施方式中，通道C具有直径(宽度)W的大致圆形横 截面。技术人员应理解的是，通道还可以具有不同的结构，例如具有长 方形或正方形的横截面，或者不同的横截面。流量计1被配置成在工作过程中对流经通道C的流体的流体流速进 行测量。为此，流量计1包括在通道C中延伸的至少一个涡流发生体2 (在该附图中仅示出了一个)。在其它的实施方式中，组件具有多个分隔 开来的涡流发生体2，从而在通道C中的不同位置检测流速。在该情况 下，可以使用流量计1检测流速分布曲线，从而例如确定或估计正在注入油田或气田的特定部分(层)的流体的量。例如，如技术人员应理解的，发生体2可以在通道中充分地延伸(参见附图)，或部分地延伸。各涡流发生体2被配置成在工作过程中在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括流体通道与流量计的组件，所述流量计（１）包括至少一个在所述通道（Ｃ）中延伸的涡流发生体（２），各涡流发生体（２）被设置成在工作过程中在流经所述通道（Ｃ）的流体中产生卡门涡流（Ｖ），其中，各涡流发生体（２）设置有光纤布拉格光栅传感器（３、７、ＦＢＧ）的第一光纤布拉格光栅（ＦＢＧ），其中，利用与产生所述涡流（Ｖ）的所述涡流发生体（２）的相应的光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）相关的光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）传感器信号，能够检测到由所述涡流发生体（２）产生的所述涡流（Ｖ）的卡门涡流频率（ｆ↓［Ｋ］）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伦佳，马里纳斯卡洛勒斯阿德里安努什玛利亚，沃特希费尔利，
申请(专利权)人：荷兰应用自然科学研究组织，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]