高温压差型光纤流量传感器_宫继刚

合集下载

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

（；，１．１２４０１１，Ｃｈｉｎａ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｔｏＣＮＰＣ，Ｐａｎｉｎ，ＬｉａｏｎｉｎＣＷｉｒｅｌｉｎｅＬｏｉｎＣｏｍａｎｃｔｒｏｎｉｃＧＷＤｌｅ－Ｅｐｊｇｐｙｇｇｇ，；，ＵｏｆＣｈｉｎａＣｈｅｎｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１００５４，ＣｈｉｎａｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｎｉｖｅｒｓｉｔｇｙｇｙ，Ｗｕ，Ｈ）ｈａｎｕｂｅｉ４３０１００，Ｃｈｉｎａ３．ＹａｎｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｇｙ
第３９卷第４期１５年８月２０（）文章编号：３３４６４１００４８２０１５０４０１００－－－
测井技术
ＷＥＬＬＯＧＧＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬ
Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．４０１５２Ａｕｇ
０引言
在高温、高压、高污染等恶劣环境下，传统的流量测量方式需要测量敏感件与待测流体直接接触，这类传感器很难满足使用环境的要求。因此，开展对应用于恶劣环境的高灵敏度流量测量新技术研究显得极为迫切。本文提出一种用于高温环境下生产
作者简介：宫继刚，男，从事测井新技术研究与推广工作。１９７６年生，
９卷第４期第３
等：高温压差型光纤流量传感器宫继刚，
·４６１·
１光纤流量传感技术现状
流体流量测量方法主要分为容积式和质量式流量计，其中容积式流量计又分为压差式、涡轮式、涡街式等，而质量式流量计则主要是科里奥利流量
３／ｄａｎｄｍｉｔｓｍｅａｓｕｒｉｎｒａｎｅｉｓ５～１５０ｍｅａｓｕｒｉｎｅｒｒｏｒｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ２％．ｇｇｇ：；；；ｈＫｅｗｏｒｄｓｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｏｉｎｆｉｂｅｒｏｔｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｍａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｈｔｅｍｅｒａ－ｇｐｅｇｐｐｇｇｙ
３／，果表明，该传感器不仅能实现高灵敏度的流量测量，范围５～１能工作在３测量误差小于２％，００℃ 高温环５０ｍｄ
境下。关键词：生产测井；光纤传感器；干涉测量；高温；压差中图分类号：Ｐ１．８１文献标识码：Ａ６３：／Ｄ１３３０．１６４８９８．２０１５．０４．０１２ｏｉ１．ｉｓｓｎ．１００４－ｊ
；ｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｒｅｓｓｕｒｅｐ测井的光纤流量传感器。通过利用压力敏感膜片结合迈克尔逊干涉仪两臂同时测量干涉光路结构，能直接获取流速压差，测量出流体的平均流速，实现高灵敏度的流量传感。该方法避免了传感光路与被测流体直接接触，能进行全金属密闭封装，进一步使用高温光纤，使该传感器不仅能实现高灵敏度的流量测量，而且能长期工作在３００℃ 高温环境下。
槡
压差。）由式（可知，当提取出管道内某点的全压与静２压后，就能获得流速压差，从而实现流体流速的测量，进一步可得到流量。
以光纤传感器为基础的流量计，如光纤涡轮流量计、光纤涡街流量计、光纤多普勒流速计、光纤光栅流量计等
［］２５－
。尽管这些光纤流量传感器具有高灵敏度、
抗电磁干扰的显著优势，但并未针对井下的高温、高压、高污染环境应用进行研究。光纤涡轮流量计通过对涡轮叶片反射回光纤探头的激光脉冲计数实现流量测量，光路结构简单，但光束需要穿过石油作用于涡轮叶片，光损耗大，并且存在小流量涡轮无法启动的现象。光纤涡街流量计以光纤作为障碍物产生流体涡流，通过光纤对涡流特征检测实现流量测量，测量精度较高，但光路与被测介质直接接触，测量动态范围较小。光纤多普勒流速计通过对流体产生的光学多普勒频移量大小的检测，实现流体流速测量，测量精度高，但被测介质的光学反射特性影响测量精度。利用光纤光栅的应变敏感性可实现流体流量测量，测量精度和稳定性都非常高，但需要在流体中横向安装应变敏感元件，其元件同样难以适应高温、高压的测量环境要求。因此，这些光纤流量传感器还难以用于井下测量。
１］。随着光纤传感技术的飞速发展，出现了大量计［
通过静压孔感知流体静压。当获得该点处流体的全
６］压和静压后，则有［
（２２ｐ全－ｐ静） Δ ｐ（）２＝κ ρ ρ 式中，或称为流速 κ为流量系数； Δ ｐ为流体动压，
ｖ＝κ
槡
图１流体流速压差测量原理示意图
为获取流体内某一点的全压和静压，压力敏感头采用弹性膜片作为敏感元件。在流体全压或静压作用下，弹性膜片产生微小应变。弹性膜片应变的大小与压力大小、膜片面积、膜片厚度等关系为１６Ｅｈ３（）３Ｗ２（）３１－ν Ｒ４式中，Ｆ为作用于膜片上的压力；Ｒ为弹性膜片的有
ＡＦｉｂｅｒＯｔｉｃａｌＦｌｏｗＳｅｎｓｏｒｗｉｔｈＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＰｒｅｓｓｕｒｅｆｏｒＨｉｈＴｅｍｅｒａｔｕｒｅｐｇｐ
１２２２１３，ＹＡＮＧＪｉａｎｈｉｏｎＳｈｅｎｉａｎｉｎｌｉｎＬｉｕｉａｎＪｉａｎｉｎＡＩＺＥＮＧＯＵＪＩＡＮＧＯＮＧｇｇ，Ｄｙｇ，Ｄｇｑｇ，Ｄｑｇ，Ｔｇ

高温压差型光纤流量传感器
宫继刚１，代志勇２，邓胜强２，窦金林２，杨留强１，田嘉宁３
（中国石油长城钻探工程有限公司测井公司，辽宁盘锦１１．２４０１１；）电子科技大学光电信息学院，四川成都６长江大学，湖北武汉４２．１００５４；３．３０１００摘要：介绍了一种能用于高温环境的光纤流量传感器。采用弹性膜片压力敏感结合迈克尔逊干涉仪两臂同时测量光路结构，消除井内液柱静压和温度交叉敏感干扰，实现流速压差光波相位的直接调制，解调后获得流体平均流速，实现高灵敏度流量传感。传感器适合全密闭封装，结合使用高温光纤，保证了高温环境下的测量应用。实验结
：ＡＡｂｓｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＷｉｔｈｅｌａｓｔｉｃｔｒａｃｔｆｉｂｅｒｏｔｉｃｆｌｏｗｓｅｎｓｏｒｆｏｒｈｉｈｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｓｐｐｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄＭｉｃｈｅｌｓｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈｂｏｔｈｔｗｏａｒｍｓｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｄｉａｈｒａｍｔｏａｃｕｉｒｅｐｙｐｇｑ，ｓｅｎｒｅｓｓｕｒｅｏｆｆｌｕｉｄｃｏｌｕｍｎｉｎｏｉｌｗｅｌｌａｎｄｔｈｅｃｒｏｓｓｍｅａｓｕｒｉｎｔｈｅｈｄｒｏｓｔａｔｉｃｓｉｔｉｖｉｔｗｉｔｈ－ｐｇｙｙｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｕｅｔｏｆｌｏｗｒａｔｅｏｆｆｌｕｉｄｉｓｔｅｍｅｒａｔｕｒｅａｒｅｅｌｉｍｉｎａｔｅｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌａｎｄｔｈｅｐｐｙ，ｈａｓｅｏｆｌｉｈｔｗａｖｅｔｈｅｎｔｈｅａｖｅｒａｅｖｅｌｏｃｉｔｏｆｔｈｅｆｌｕｉｄｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｄｉｒｅｃｔｌｍｏｄｕｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｐｇｇｙｙｙｈａｓｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｎａｎｄａｆｌｏｗｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｈｉｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｏｔｉｃａｌａｔｈｏｆｔｈｉｓｐｇｇｙｐｐｓｅｎｓｏｒｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｏｖｅｒａｌｌａｃｋａｅａｎｄｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓｒｅｌｉａｂｌｕｓｅｄｉｎｈｉｈｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｐｇｙｇｐｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｂｕｓｉｎｈｉｈｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｆｉｂｅｒ．Ｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｓｅｎｓｏｒｙｇｇｐｐ，ｃａｎｎｏｔｏｎｌａｃｃｏｍｌｉｓｈｈｉｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｆｌｏｗｍｅａｓｕｒｉｎｂｕｔａｌｓｏｗｏｒｋａｔ３００℃ｉｎｌｏｎｔｉｍｅａｎｄｙｐｇｙｇｇ