[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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(HishidaYasyuyki)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。

发明内容

本发明的目的是解决这些问题。特别地，本发明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，根据本发明的实施方式，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(Karman vortex)，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。

指导本发明的基本思想是，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 andcross-correlation technique”(Shoichi Takashima et al，Sensors and Acuators A116 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(Bluff body)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。这个已知的系统是昂贵的、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，提供了一种根据本发明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发明的流量计，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；