被配置成检测流动流体的物理量的设备及相关方法技术

本申请公开了一种被配置成检测流动流体的物理量(比如流体的密度)的设备，该设备包括：被配置成延伸到流动流体内的传感器体(2)，该传感器体包括光纤布拉格光栅传感器(3、7，FBG)的光纤布拉格光栅(FBG)，以生成与传感器体(2)的至少部分(2B)的振动相关的检测器信号；以及处理单元，该处理单元被配置成处理该检测器信号并且以传感器体(2)的柔性部分(2B)的机械本征频率基于所检测的振动确定物理量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种被配置成检测流体(比如气体、液体或液体/气体混合物)的物理量(比如密度)的设备。
技术介绍
国际专利申请No. PCT/NL2007/050665公开了包括流体通道和流量计的创新组件以及测量流体流速的方法。已知的流量计包括在通道内延伸的涡旋脱落器(shedder)，涡旋脱落器配置成在操作的过程中在流过通道的流体内产生卡门涡旋。涡旋脱落器提供有光纤布拉格光栅传感器的光纤布拉格光栅(FBG)。在操作的过程中， 使用与该润旋脱落器的各个光纤布拉格光栅相关的光纤布拉格光栅传感器信号，可检测润旋脱落器所产生的润旋的卡门涡旋频率。在另一有利的实施例中，已知的流量计还配置成检测温度，尤其使用光纤布拉格光栅进行检测。
技术实现思路
本专利技术提供了一种设备和方法，其中使用较便宜的小型耐用的装置(means)，可精确地检测一个或多个流体相关的量，而不使用需要外部功率的传感器(或电信号通信装置)。为此，根据本专利技术的一个实施例，该设备的特征在于包括被配置成延伸到流体内(在操作的过程中)的传感器体，所述传感器体包括光纤布拉格光栅传感器的光纤布拉格光栅，以生成与所述传感器体的至少一部分的振动相关的检测器信号；以及处理单元，所述处理单元被配置成处理所述检测器信号并且根据所检测的振动在所述传感器体的柔性部分的机械本征频率处确定物理量。更具体地说，本专利技术可由权利要求I所述的特征限定。本专利技术基于这样一种概念上述流量计也可用于测量流体的密度，或与另一流体相关的量，比如其质量或质量流速。特别地，已发现流体以一个或多个相应的机械本征频率(见该专利申请的图9)可引起传感器部分的固有机械振动。流量计的光纤布拉格光栅提供了低成本、精确并且可靠的手段(means)以检测这种振动。优选地，传感器体整体地包括光纤布拉格光栅。图9提供了卡门涡旋引起的振动和传感器体部分的本征频率振动同时发生的证据。已经相信，机械本征频率振动简单地通过流中自然存在的紊流脉动激励，并非必然通过涡旋脱落激励。通常，在操作的过程中，处理单元独立于传感器体被设置。一个或多个光学通信装置，比如一根或多根光纤，可用于在传感器体和处理单元之间传送(光学)检测器信号。因此，所得到的装置非常适于用在井下(downhole)应用中，因为传感器部分不需要任何电力，也不需要电信号通信(比如在远处在合适的位置处设置的可选的数据处理器)。特别地，处理单元被配置成检测所述机械本征特征(使用所述检测器信号)。应注意的是，检测传感器信号本身的特定频率，比如信号频谱内的频率峰值(该频率峰值与本征频率相关)，对于传感器信号处理领域的技术人员而言是公知常识。可用各种方法实现所述机械本征频率的检测。处理单元可被配置成处理检测器信号以获得该信号的频谱。众所周知，通过在检测器所获得的时间信号上进行频谱分析可达到这个目的。这可包括但不限于傅里叶频谱分析。所产生的频谱包含与本征频率对应的频率峰值。该峰值出现的实际频率受到周围流体的密度的影响，该实际频率从真空内产生的基准值(初始固有本征频率)转换(shifts)成该频率。众所周知，通过实验或理论可获得该基本频率。了解该基本频率，通过测量所转换的峰值出现的频率可推断出周围媒质的密度。因此，在另一实施例中，通过处理单元使用下面的公式来确定流体的所述物理 量f = f0 (I+CK. rho)_1/2其中f为流体内传感器体部分的所检测(实际)的本征频率(Hz)，f0为真空内部分的初始固有本征频率(Hz)，rho为流体的密度(kg/m3)，CK为与部分的尺寸和质量相关的常量(m3/kg)。最有利地，本专利技术与流速测量功能相结合。已发现相同的设备可用于同时检测流体流速和流体密度(或质量)，尤其通过检测涡旋脱落频率来检测流体流速，并且通过检测一个或多个机械本征频率(其中在操作的过程中，使一个或多个本征频率与涡旋脱落频率分离)来检测流体密度。特别地，如下面的图9所示(见下文)，与所述本征频率相关的振动出现在比涡旋脱落频率的值更高的频率值处，并且因此可通过处理单元以明确的方式检测所述振动。在有利的实施例中，传感器体为涡旋脱落器，所述涡旋脱落器被配置成在操作的过程中在流体内产生卡门涡旋。在这种情况下，当利用与涡旋脱落器的各个完整的光纤布拉格光栅相关的光纤布拉格光栅传感器信号，可检测涡旋脱落器所产生的涡旋的卡门涡旋频率时，可实现非常紧凑的配置。同样，优选地，传感器体可具有柔性部分，所述柔性部分整体地包括至少部分弯曲的光纤部分，所述至少部分弯曲的光纤部分至少部分地沿曲线路径延伸并且包含光纤布拉格光栅。在这种情况下，优选地，光纤部分的第一部分可与刚性传感器体部分(固定柔性部分)间隔开，比如在与流体流径基本上垂直的方向。光纤部分的第二部分可靠近刚性部分，比如基本上相对于流体流径平行延伸。光纤部分的第二部分可包含光纤布拉格光栅，以检测本征频率振动。同样，提供了一种检测流动流体的物理量(比如流体密度)的方法，比如使用根据本专利技术的设备，其中流体在一本征频率处引起传感器体的柔性部分的振动，检测所述本征频率并且处理所检测的本征频率以测量物理量。比如，但并非必然，流体流动引起的本征频率振动可为机械第一模式的本征频率振动。比如，在根据本专利技术的方法中，流体以(较低的)第一频率引起传感器体的柔性部分的振动，其中检测该(振动)部分的本征频率，使该本征频率与第一频率分离，其中处理所检测的本征频率以确定物理量。比如，已发现较薄的(板状)弹性传感器部分的应用可提供该部分的低频率的本征模式的振动，同时具有该部分的第一(卡门涡旋)频率但与该部分的第一(卡门涡旋)频率相分离。附图说明在从属权利要求书中描述了本专利技术的其他有利的实施例。结合以下所述的非限制性的实施例，本专利技术的这些和其他方面将是显而易见的并且被阐述，如附图中所示。图I为本专利技术的实施例的纵向剖视图；图2为图I的线II-II上的剖视图；图3为图I的线III-III上的纵向示意性的剖视图；图4为图I中的实施例的涡旋脱落器的透视图；图5为图4中所示的脱落器的纵向剖视图；图6为图4的脱落器的前视图；图7为图6的线VII-VII上的剖视图；图8为一个实例中相对于流速的所测量的脱落频率的视图；以及图9为测量结果的示图，包括图I至图7的实施例的部分的所检测的第一模式的固有振动。具体实施例方式该申请中相同或相应的特征由相同或相应的附图标记表示。图1-7描述了包括流体通道C和流量计I的组件的非限制性实施例，。流体通道C(比如流体线、管道、导管)可被配置成引导流体，比如气体、气体混合物、液体、液体混合物、水、水蒸气。在特定的实施例中，通道C可被设置成注入流体到油田或气田内，然而，技术人员应理解的是，通道C可用于许多其他应用中。在该实施例中，通道C具有大致圆形的剖面，其直径(宽度)为W。正如技术人员应理解的是，通道也可具有不同的配置，比如具有矩形或方形的剖面，或者不同的剖面。流量计I被配置成在操作的过程中测量流过通道C的流体的流速。为此，流量计I包括至少一个在通道C内延伸的涡旋脱落器2 (本附图中仅显示了一个脱落器)。在另一实施例中，组件具有多个间隔开的涡旋脱落器2，以在通道C内的不同位置处检测流速。在这种情况下，可使用流量计I检测流量剖面，比如以确定或估计被注入到油田或气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.10.08 EP 09172580.41.一种被配置成检测流动流体的物理量的设备，该设备包括 被配置成延伸到所述流动流体内的传感器体(2)，所述传感器体包括光纤布拉格光栅传感器(3、7，FBG)的光纤布拉格光栅(FBG)，以生成与所述传感器体(2)的至少柔性部分(2B)的振动相关的检测器信号；以及 检测器信号处理单元(3)， 其中所述传感器体部分(2B)具有机械的本征频率，该本征频率被定义为 f = f0 (I+Κ. rho) _1/2 其中f为流体内所述柔性部分(2B)的所述本征频率(Hz)，&为真空内所述柔性部分 (2B)的初始本征频率(Hz)，rho为所述流体的密度(kg/m3)，K为与所述柔性部分(2B)的尺寸和质量相关的常量(m3/kg)， 其中所述处理单元被配置成利用所述检测器信号检测所述传感器体(2)的所述柔性部分(2B)的所述机械的本征频率f，并且基于所述所检测的机械的本征频率f确定所述物理量。2.根据权利要求I所述的设备，所述传感器体包括具有光纤布拉格光栅(FBG)的柔性元件(2B)，所述本征频率f为所述柔性元件(2B)的本征频率。3.根据权利要求2所述的设备，其中所述柔性元件(2B)平行于所述流体的流径延伸。4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述处理单元被配置成检测所述传感器体(2)的所述柔性部分(2B)的所述实际的本征频率f与该部分(2B)的所述初始本征频率&的偏差。5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述处理单元具有存储器或与存储器相关，所述存储器被配置成存储所述初始本征频率fo。6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述柔性传感器体部分(2B)的所述本征频率低于10000Hz，比如低于2000Hz。7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述传感器体(2)具有刚性部分(2A)，所述刚性部分(2A)将所述传感器体连接到流体通道的壁；柔性元件(2B)，所述柔性元件(2B)包括连接到所述刚性部分(2A)的所述光纤布拉格光栅(FBG);以及光纤，所述光纤包括通过所述刚性部分(2A)进入所述柔性部分(2B)的所述光纤布拉格光栅(FBG)。8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括振动电感器或与振动电感器相关，被配置成利用所述流动流体引起所述传感器体(2)的所述柔性部分(2B)的振动。9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述传感器体为涡旋脱落器(2)，所述涡旋脱落器(2)被配置成在操作的过程中在所述流体内产生卡门涡旋(V)。10.根据权利要求9所述的设备，其中利用与所述涡旋脱落器(2)的所述各个光纤布拉格光栅(FBG)相关的所述光纤布拉格光栅(FBG)传感器信号，可检测由所述涡流脱落器(2)所产生的涡旋(V)的卡门涡旋频率(fK)。11.根据权利要求10所述的设备，其中所述卡门涡旋频率(fK)低于所述传感器体(2)或所述传感器体(2)的所述部分(2B)的固有频率。12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述柔性传感器体部分的厚度小于4mm,比如小于2mm。13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述传感器体部分(2B)的所述本征频率与所述检测器信号的频谱内的第二峰值相关，使所述第二峰值与和所述频谱内的峰值有关的第一涡旋脱落频率分离。14.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一频率峰值和所述第二频率峰值相隔至少 IOOHz ο15.根据权利要求13或14所述的设备，其中所述处理单元被配置成检测所述频率峰值，并且尤其检测所述峰值的所述频率。16.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃特·希费尔利，
申请(专利权)人：荷兰应用自然科学研究组织TNO，
类型：发明
国别省市：