專利名稱：用于測量管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的非插入式纖維光學(xué)壓力傳感器的制作方法
本申請是序列號為09/105,525的共同所有的同時待審的美國專利申請的部分繼續(xù)申請，該申請題為“Non-Intrusive Fiber OpticPressure Sensor for Measuring Inside，Outside and AcrossPipes”，申請日為1998年6月26日。
本發(fā)明涉及對管道周圍的壓力的探測，更確切地說，涉及一種用于測量管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的非插入式的光纖壓力傳感器。
在石油和氣體工業(yè)中，人們已經(jīng)知道對井下管道內(nèi)的液體壓力進行測量對石油和氣體的探測和生產(chǎn)來說是十分有用的。然而，典型的壓力傳感器需要在管道內(nèi)鉆孔以便將壓力傳遞給傳感器，或者將傳感器或傳感器的一部分安置在管道中。在管道上鉆孔花費多并且給系統(tǒng)增加了故障隱患。因此，就需要以非插入的方式測量管道內(nèi)的壓力。
本發(fā)明的目的是提供一種用于測量管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的非插入式壓力傳感器。
根據(jù)本發(fā)明，用于在沿管道的至少一個軸向位置上測量不穩(wěn)定(ac，動態(tài)的或隨時間變化的)壓力的壓力傳感器，包括纏繞在管道周圍的光纖。
進一步根據(jù)本發(fā)明，當被測壓力變化時所述光纖的長度隨之變化。進而根據(jù)本發(fā)明，將一具有與壓力相關(guān)的反射波長的反射元件裝在所述的光纖中。
本發(fā)明通過運用纖維光學(xué)探測提供一種用于測量管道內(nèi)不穩(wěn)定壓力的非插入式壓力傳感器，從而獲得了較之已有技術(shù)的顯著進步。本發(fā)明不需要任何井下的電子器件，因而提高了測量的可靠性。此外，本發(fā)明與電系統(tǒng)相比具有固有的安全和防爆性。本發(fā)明還提供在管道預(yù)定軸向長度上的軸向平均不穩(wěn)定壓力和/或圓周平均壓力。圓周向平均自然將伴隨橫向管道振動、流動噪聲，以及更高維的聲學(xué)振蕩的壓力擾動濾除。這一特性可用于測量傳播中的一維聲波。這樣，本發(fā)明可以用于石油和氣體探測和生產(chǎn)或在管道或?qū)Ч苤辛鲃佑幸后w(或氣體)的其它應(yīng)用的實時不穩(wěn)定壓力測量。
根據(jù)以下具體描述的示例，本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點將更明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一管道的側(cè)視圖，該管道具有在每個不穩(wěn)定壓力測量位置纏繞的光纖以及一對圍繞每個光纖圈的布喇格光柵。
圖2是一個端面剖視圖，它圖示了根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)部壓力Pin和外部壓力Pout。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一管道的側(cè)視圖，該管道具有在每個不穩(wěn)定壓力測量位置纏繞的光纖以及在每一對光纖圈之間具有一個布喇格光柵。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一的管道的側(cè)視圖，該管道具有在每個不穩(wěn)定壓力測量位置纏繞的光纖并且在每個光纖圈的周圍沒有布喇格光柵。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的圖1、3的散熱器形狀的光纖圈幾何形狀。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的圖1、3的跑道形狀的光纖圈幾何形狀。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的管道的端面剖視圖，該管道上纏繞著圖5、6中所示的光纖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個管道的側(cè)視圖，在該管道的每個軸向探測位置上有一對光柵。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個管道的側(cè)視圖，在該管道的每個軸向探測位置上有一個光柵。
參照附圖1，管道(或?qū)Ч?12上裝有多個沿管道12設(shè)置的非插入式的基于分布纖維光柵的壓力傳感器18-24。每個壓力傳感器18-24包括相應(yīng)的線圈302-308，這些線圈在管道12上纏繞預(yù)定的長度。每個傳感器14-18包括一個或多個布喇格光柵310-324，而所述的布喇格光柵具有與之相對應(yīng)的預(yù)定反射波長λ1，λ2，λ3，λ4。
光柵310-324與Glenn等的題為“Method for ImpressingGratings Within Fiber Optics(在光纖內(nèi)加光柵的方法)”的第4,725,110號美國專利中所述的光柵相類似；然而，如果需要，可以使用任何置入光纖10內(nèi)部的波長可調(diào)光柵或反射元件。如人們所知的，布喇格光柵將其中央峰值反射波長λb的預(yù)定波長帶的光反射，而使剩余波長的入射光(在預(yù)定的波長范圍內(nèi))通過。因而，入射光40沿光纖10傳播到傳感器14-18而光柵310-324沿光纖10反射光42。
依舊參照附圖，光學(xué)壓力傳感器18-24可以是基于布喇格光柵的壓力傳感器，諸如在1997年9月8日提出的，題為“High SensitivityFiber Optic Pressure Sensor For Use In Harsh Environments(殘酷環(huán)境下使用的高靈敏度光纖壓力傳感器)”的共同待審的第08/925,598號美國專利申請中所描述的那樣?；蛘撸瑐鞲衅?8-24可以是附著在或置入管道內(nèi)壁或外壁的用于測量管道壁應(yīng)變的光學(xué)應(yīng)變計量器。在本發(fā)明的一個實施例中，纖維光學(xué)壓力傳感器18-24可以單獨連接或者使用波分多路連接(WDM)、時分多路連接(TDM)或者任何其它光學(xué)多路連接技術(shù)(以下詳述)沿一條或多條光纖多路連接。
參照圖2，纖維光學(xué)壓力傳感器18-24(圖1、3、4、7、8、9)，可以通過測量管道12的直徑(以及箭頭351所表示的周長)在箭頭彈性延伸和收縮來測量不穩(wěn)定(或動態(tài)或ac)的管道12內(nèi)的壓力變化Pin。通常，應(yīng)變計量器對由于管道12內(nèi)的不穩(wěn)定壓力而形成的任何方向上的撓曲進行測量。當內(nèi)部壓力Pin改變時，在應(yīng)變計量器的位置上對管道12的彈性延伸和收縮進行測量，這樣就測量到了管道12上由箭頭351所表示方向上撓曲產(chǎn)生的局部應(yīng)變(軸向應(yīng)變，環(huán)形應(yīng)變或非軸向應(yīng)變)。以不同的方式，根據(jù)管道12的環(huán)向力、管道12的內(nèi)部壓力Pin和外部壓力Pout、管壁352的厚度Tw以及管道材料的硬度或模量來確定所述圓周方向的變化量。這樣，基于所需的傳感器靈敏度和其它參數(shù)對傳感器部分14、16(圖1)的管壁352厚度和管道材料進行設(shè)定，它們可以與探測區(qū)域14、16以外部分的管道材料和壁厚不同。
參照圖1、3、4，表示了光學(xué)應(yīng)變計量器的可能的設(shè)置。纖維光學(xué)壓力傳感器18-24可以由在每個壓力傳感器位置上貼著管道12盤繞或纏繞的光纖300構(gòu)成，所述的壓力傳感器位置是由分別對應(yīng)于壓力P1、P2、P3、P4的線圈或纏繞圈302-308所表示的位置。光纖圈302-308纏繞管道12，從而使得每個光纖圈302-308的長度在管道12內(nèi)的不穩(wěn)定壓力變化的作用下，隨管道的環(huán)向應(yīng)變而改變。使用下面將介紹的已知的光學(xué)測量技術(shù)測量這一光纖長度的變化。每個纏繞圈實質(zhì)上是測量在管道12上對應(yīng)的軸向位置上管道12內(nèi)的圓周平均壓力。纏繞圈還提供在給定纏繞圈的軸向長度上的軸向平均壓力。當管道12的結(jié)構(gòu)可以對短波長擾動進行空間濾除，我們發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的基本理論與上文所述的點傳感器實質(zhì)上相同。
參照附圖1，對于本發(fā)明中纏繞圈302-308串接而成的實施例，成對的布喇格光柵(310，312)、(314，316)、(318，320)、(322，324)分別位于沿光纖300的每個纏繞圈302、304、306、308的相對端上。光柵用于對將壓力信號P1、P2、P3、P4進行多路傳輸，以便從返回光信號中識別出各個纏繞圈。在纏繞圈302左右的第一對光柵310、312具有共同的反射波長λ1，而在纏繞圈304左右的第二對光柵314、316具有共同的反射波長λ2，但是與第一對光柵310、312的不同。與此相類似，在纏繞圈306左右的第三對光柵318、320具有共同的反射波長λ3，它與λ1、λ2不同，而在纏繞圈308左右的第四對光柵322、324具有共同的反射波長λ4，它與λ1、λ2、λ3不同。
參照圖2，可以使用一組布喇格光柵，而在每個纏繞圈302-308之間僅有一個光柵，并且每個光柵具有共同的反射波長λ1，而不是對于每個纏繞圈具有不同的一對反射波長。
參照圖1和圖3，可以依照多種已知的方式對帶有光柵310-324(圖1)或光柵360-368(圖3)的纏繞圈302-308進行構(gòu)造，以便準確測量光纖長度或是光纖長度的改變量，如干涉測量、法布里-珀羅、飛行時間或其它已知的設(shè)備。在Glenn的題為“Fiber OpticSensor Arrangement Having Reflective Gratings Responsive toParticular Wavelengths(反射光柵相應(yīng)于具體波長的光纖傳感器裝置)”的第4,950,883號美國專利中就記載了一個法布里-珀羅技術(shù)的實例。飛行時間(或時分割-多路連接；TDM)是沿光纖300發(fā)射一具有一波長的光脈沖以及沿著該光纖300反射回的一組光脈沖。于是可以通過每個返回脈沖之間的時間延遲來確定每個纏繞圈的長度。
換言之，光柵(如果需要的話，或者包括光柵或整個光纖)之間的部分或全部光纖上可以攙入稀土攙雜劑(比如餌)，以便制成可調(diào)的纖維激光器，比如在Ball等人的題為“Continuously TunableSingle Mode Rare-Earth doped Laser Arrangement(連續(xù)可調(diào)單模稀土摻雜的激光裝置)”第5,317,576號美國專利或Ball等人的題為“Active Multipoint Fiber Laser Sensor(有源多點纖維激光傳感器)”的第5,513,913號美國專利，亦或是在Ball等人的題為“Birefringent Active Fiber Laser Sensor(雙干涉有源纖維激光傳感器)”的第5,564,832號美國專利中所記載的那樣，上述內(nèi)容在此以引用的方式公開。
在圖1、3中可以看到光柵310-324是關(guān)于管道12軸向定位的，它們可以沿管道12軸向定位、環(huán)向定位或以任何其它的方向定位。根據(jù)所述的定位，所述光柵可以以不同等級的靈敏度測量管壁352中的變形。如果光柵反射波長隨內(nèi)部壓力變化而改變，對于具體構(gòu)造(比如纖維激光器)或許需要這種變化，或者對于其它構(gòu)造，在光學(xué)測試設(shè)備中對其進行補償，例如，通過對每一對光柵考慮出一定范圍內(nèi)的反射波長偏移?；蛘撸粚⒚總€纏繞圈串接，而是將它們并接，例如，通過在每個纏繞圈之前使用光耦合器(未示出)，將每一個都耦合到共同的光纖300。
參照附圖4，換言之，還可以將傳感器18-24構(gòu)成為純粹的干涉測量傳感器，它是這樣實現(xiàn)的，用纏繞圈302-308纏繞管道12而不使用布喇格光柵，其中將各個光纖330、332、334、336分別連接至各個纏繞圈302、304、306、308。在這個特殊的實施例中，可以使用已知的干涉測量技術(shù)來確定由于壓力變化而導(dǎo)致的圍繞管道12的光纖10的長度變化或長度，諸如，馬赫-陳德爾或密西生干涉測量技術(shù)，如在Carroll等人的題為“Method and Apparatus for theNon-invasive Measurement of Pressure Inside Pipes Using aFiber Optic Interferometer Sensor(利用光纖干涉儀傳感器非侵測量管內(nèi)壓力的方法和裝置)”的第5,218,197號美國專利中所描述的。可以將干涉測量纏繞圈多路連接，諸如在登載于1991年2月的IEEE上的Dandridge等人的“Fiber Optic for Navy Applications(海軍用光纖)”一文中，或者是登載于1991年的SPIE第1586卷第176-183頁的Dandridge等人的文章“MultiplexedInterferometric Fiber Sensor Arrays(多路復(fù)用的干涉儀纖維傳感器陣列)”中所記載的。也可以使用其它確定光纖長度變化的技術(shù)。對于具體的干涉測量方法，還可以使用參考光學(xué)線圈(未示出)，并且可以將它們置于管道12上或其周圍，但是要將其設(shè)計為對壓力變化不敏感。
參照附圖5和6，纏繞圈302-308還可以具有其它幾何形狀，比如象一個“散熱器線圈”形狀(圖5)或一個“跑道”形狀(圖6)，它是以側(cè)視圖的方式顯示的，好比將管道12軸向割開并將其放平，而不是說纏繞圈302-308是完全纏繞管道12的光纖線圈。在這個特殊實施例中，參照圖7所示的那樣，纖維光學(xué)壓力傳感器302不必圍繞管道纏繞360度，但是可以如箭頭50所示的那樣覆蓋管道12圓周的預(yù)定部分。纖維光學(xué)壓力傳感器302的長度需足以對管道周緣的變化進行測量。如果需要，還可以使用纏繞圈和纖維光學(xué)傳感器構(gòu)造的其它幾何形狀。對于在此描述的纏繞圈的任何幾何形狀，根據(jù)所需要的全部光纖長度，可以使用多于一層的光纖。根據(jù)所要測量的ac壓力的特征來設(shè)定任何特殊纏繞圈的所需軸向長度，例如，由被測渦流引起的壓力擾動的軸向或相干長度。
參照圖8和圖9，其中的本發(fā)明的實施例的構(gòu)造不采用纏繞圈302-308的形式，而是將光纖300中較短的一部分裝在圍繞管道的一部分圓周上，它可以用來檢測管道圓周的變化。傳感器具有螺旋狀(未示出)設(shè)置于管道12上的光纖300，這也是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的。如上所述，應(yīng)變感應(yīng)原件的定位會改變由于管道12內(nèi)瞬時的不穩(wěn)定壓力而導(dǎo)致的管壁352內(nèi)的反射的靈敏度。
特別參照附圖8，將成對的布喇格光柵(310，312)、(314，316)、(318，320)、(322，324)沿著光纖300設(shè)置，其中在每個光柵對之間的分別是是光纖300上的一小部分380-386。在那種情況下，可以以與前述類似的方式，使用已知的法布里-珀羅、干涉測量、飛行時間或纖維激光探測技術(shù)來測量管道中的應(yīng)變。
或者參照圖9，在管道上設(shè)置單個的光柵370-376并且用于測量在測量位置上管道12內(nèi)應(yīng)變(以及由此的管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力)的不穩(wěn)定變化。當每個傳感器用一個光柵時，光柵反射波長偏移就成為管道直徑變化以及由此的壓力變化的表征。
可以采用其它任何技術(shù)或構(gòu)造的光學(xué)應(yīng)變計量器。光學(xué)信號分析方法和光學(xué)應(yīng)變計量器技術(shù)的類型對于本發(fā)明來說并不是關(guān)鍵的，本發(fā)明的范圍并不局限于任何具體的技術(shù)和方法。
對于在此描述的任何實施例，可以將壓力傳感器通過粘貼、膠粘、環(huán)氧樹脂、膠帶或其它適合的連接手段貼到管道上從而確保傳感器和管道12之間有適當?shù)慕佑|。還可以通過已知的機械技術(shù)將傳感器拆除或永久地粘貼，這些機械技術(shù)可以是機械固定件、彈簧加載、卡釘、鉗夾裝置、捆扎或其它等同的技術(shù)?；蛘邔⒐饫w和/或光柵置入復(fù)合管道。如果需要，對于某些應(yīng)用，可以將光柵從管道12上拆除(或與管道12應(yīng)變或聲學(xué)隔離)。
本發(fā)明可以用于測量與不穩(wěn)定壓力(ac、動態(tài)的或隨時間變化)相關(guān)的管道內(nèi)容物的參數(shù)(或特性)。例如，本發(fā)明可以用于借助于其所產(chǎn)生的動態(tài)壓力波用傳感器來測量何時有一段液體或固體流經(jīng)所述的管道。
當然，如果需要，除管道外，還可以使用用于輸送流體(在這里流體是指液體或氣體)的任何導(dǎo)管。此外，可以理解，本發(fā)明也可以用于光反射和/或傳輸中。還有，即使在本發(fā)明的描述中記載的是使用了四枚傳感器，可以很容易地想到，依據(jù)具體的應(yīng)用可以使用更多或更少的傳感器。
可以理解，關(guān)于在此描述的某一具體實施例的特征、特性、選擇或變形可以與在此所述的任何其它實施例合并。
盡管已經(jīng)結(jié)合典型實施例進行了文字描述和和結(jié)合附圖的講解，在不脫離本發(fā)明的原理和范圍的前提下可以對上述內(nèi)容進行多種增添和改變。
權(quán)利要求
1.用于測量管道內(nèi)不穩(wěn)定壓力的裝置，該裝置包括纏繞在管道周圍并且提供表征所述不穩(wěn)定壓力的信號的光纖。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光纖的長度隨所述管道內(nèi)的所述不穩(wěn)定壓力而改變。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還進一步包括一個反射元件，該元件安裝在所述光纖中，它具有與所述不穩(wěn)定壓力相關(guān)的反射波長。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，進一步包括一個反射元件，該元件安裝在所述光纖中，它具有隨所述不穩(wěn)定壓力改變的反射波長。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的光纖對沿所述管道的一軸向位置上的圓周平均不穩(wěn)定壓力進行測量。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的光纖對沿所述管道的一預(yù)定軸向長度上的軸向平均不穩(wěn)定壓力進行測量。
7.一種裝置，用于沿一管道非插入地測量至少一個軸向位置上的不穩(wěn)定壓力，所述裝置包括光纖，圍繞所述管道圓周的至少一部分設(shè)置該光纖的至少一部分；以及設(shè)置在所述光纖間的反射裝置，該裝置的反射波長與所述管道中的不穩(wěn)定壓力相關(guān)。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述的反射波長隨所述不穩(wěn)定壓力而變化。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述的反射元件包括一纖維布喇格光柵。
10.用于測量管道內(nèi)不穩(wěn)定壓力的裝置，該裝置包括多個纖維光學(xué)傳感器，它們纏繞在所述管道的周圍，每個傳感器提供一表征所述不穩(wěn)定壓力的信號。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，沿所述管道該將所述的傳感器各自設(shè)置在不同的軸向位置上，并且測量在每個所述的軸向位置上的所述不穩(wěn)定壓力。
12.用于測量管道內(nèi)不穩(wěn)定壓力的方法，該方法包括在所述管道的周圍纏繞上預(yù)定長度的光纖；測量由于所述壓力而導(dǎo)致的所述光纖長度的變化；以及根據(jù)所述光纖的長度確定所述的不穩(wěn)定壓力。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述的光纖具有置入其中的反射元件。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述的反射元件包括一纖維布喇格光柵。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述的方法包括沿所述管道測量在給定軸向位置上的圓周平均壓力。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述的方法包括沿所述管道的給定的軸向長度測量軸向平均壓力。
全文摘要
用于測量管道12內(nèi)不穩(wěn)定壓力的非插入式壓力傳感器14-18,包括圍繞所述管道12纏繞成線圈20-24的一光纖10。線圈20-24的長度變化或其長度表征了管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力。外加在光纖10上的布喇格光柵310-324的反射波長λ與管道內(nèi)的不穩(wěn)定壓力相關(guān)。一個或多個傳感器14-18依照波長分割多路連接和/或時間分割多路連接沿光纖10軸向分布。
文檔編號G01L11/00GK1307678SQ99807831
公開日2001年8月8日 申請日期1999年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月26日
發(fā)明者R·S·麥圭恩, D·L·吉斯林, C·R·溫斯頓, A·R·達維斯, J·M·福斯蒂諾 申請人:塞德拉公司