宮繼剛, 代志勇, 鄧勝?gòu)?qiáng), 竇金林, 楊留強(qiáng), 田嘉寧

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司測(cè)井公司, 遼寧 盤錦 124011; 2.電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院, 四川 成都 610054; 3.長(zhǎng)江大學(xué), 湖北 武漢 430100)

0 引 言

在高溫、高壓、高污染等惡劣環(huán)境下,傳統(tǒng)的流量測(cè)量方式需要測(cè)量敏感件與待測(cè)流體直接接觸,這類傳感器很難滿足使用環(huán)境的要求。因此,開展對(duì)應(yīng)用于惡劣環(huán)境的高靈敏度流量測(cè)量新技術(shù)研究顯得極為迫切。本文提出一種用于高溫環(huán)境下生產(chǎn)測(cè)井的光纖流量傳感器。通過利用壓力敏感膜片結(jié)合邁克爾遜干涉儀兩臂同時(shí)測(cè)量干涉光路結(jié)構(gòu),能直接獲取流速壓差,測(cè)量出流體的平均流速,實(shí)現(xiàn)高靈敏度的流量傳感。該方法避免了傳感光路與被測(cè)流體直接接觸,能進(jìn)行全金屬密閉封裝,進(jìn)一步使用高溫光纖,使該傳感器不僅能實(shí)現(xiàn)高靈敏度的流量測(cè)量,而且能長(zhǎng)期工作在300 ℃高溫環(huán)境下。

1 光纖流量傳感技術(shù)現(xiàn)狀

流體流量測(cè)量方法主要分為容積式和質(zhì)量式流量計(jì),其中容積式流量計(jì)又分為壓差式、渦輪式、渦街式等,而質(zhì)量式流量計(jì)則主要是科里奧利流量計(jì)[1]。隨著光纖傳感技術(shù)的飛速發(fā)展,出現(xiàn)了大量以光纖傳感器為基礎(chǔ)的流量計(jì),如光纖渦輪流量計(jì)、光纖渦街流量計(jì)、光纖多普勒流速計(jì)、光纖光柵流量計(jì)等[2-5]。盡管這些光纖流量傳感器具有高靈敏度、抗電磁干擾的顯著優(yōu)勢(shì),但并未針對(duì)井下的高溫、高壓、高污染環(huán)境應(yīng)用進(jìn)行研究。

光纖渦輪流量計(jì)通過對(duì)渦輪葉片反射回光纖探頭的激光脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量,光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但光束需要穿過石油作用于渦輪葉片,光損耗大,并且存在小流量渦輪無法啟動(dòng)的現(xiàn)象。光纖渦街流量計(jì)以光纖作為障礙物產(chǎn)生流體渦流,通過光纖對(duì)渦流特征檢測(cè)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量,測(cè)量精度較高,但光路與被測(cè)介質(zhì)直接接觸,測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍較小。光纖多普勒流速計(jì)通過對(duì)流體產(chǎn)生的光學(xué)多普勒頻移量大小的檢測(cè),實(shí)現(xiàn)流體流速測(cè)量,測(cè)量精度高,但被測(cè)介質(zhì)的光學(xué)反射特性影響測(cè)量精度。利用光纖光柵的應(yīng)變敏感性可實(shí)現(xiàn)流體流量測(cè)量,測(cè)量精度和穩(wěn)定性都非常高,但需要在流體中橫向安裝應(yīng)變敏感元件,其元件同樣難以適應(yīng)高溫、高壓的測(cè)量環(huán)境要求。因此,這些光纖流量傳感器還難以用于井下測(cè)量。

2 壓差型光纖流量傳感器傳感原理

管道內(nèi)流體流量定義為單位時(shí)間內(nèi)流體流過管道橫截面的體積或質(zhì)量,分別稱為體積流量或質(zhì)量流量。在流量測(cè)量中,往往先測(cè)量出流體的流速,并通過計(jì)算得到流量。在流動(dòng)的垂直管道流體內(nèi),任何一點(diǎn)處的全壓是由靜壓和流體動(dòng)壓構(gòu)成[6]。靜壓因流體深度不同產(chǎn)生與變化,動(dòng)壓則因管道內(nèi)流體流動(dòng)所導(dǎo)致,與流速、流體密度以及受力面積大小相關(guān),即可表示為[7]

(1)

式中,p動(dòng)為管道內(nèi)某點(diǎn)處的流體動(dòng)壓;v為管道內(nèi)對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的平均流速;k為阻力系數(shù);ρ為流體密度。

流體動(dòng)壓與流體流速直接相關(guān),獲得流體動(dòng)壓就可獲得流體流速,因此將流體動(dòng)壓稱為流速壓差。

采用如圖1所示的流體動(dòng)壓測(cè)量結(jié)構(gòu)。壓力敏感頭1的壓力敏感元件迎著流體流動(dòng)的方向以獲取該點(diǎn)處流體的全壓;壓力敏感頭2的壓力敏感元件通過靜壓孔感知流體靜壓。當(dāng)獲得該點(diǎn)處流體的全壓和靜壓后,則有[6]

(2)

式中,κ為流量系數(shù);Δp為流體動(dòng)壓,或稱為流速壓差。

由式(2)可知,當(dāng)提取出管道內(nèi)某點(diǎn)的全壓與靜壓后,就能獲得流速壓差,從而實(shí)現(xiàn)流體流速的測(cè)量,進(jìn)一步可得到流量。

圖1 流體流速壓差測(cè)量原理示意圖

為獲取流體內(nèi)某一點(diǎn)的全壓和靜壓,壓力敏感頭采用彈性膜片作為敏感元件。在流體全壓或靜壓作用下,彈性膜片產(chǎn)生微小應(yīng)變。彈性膜片應(yīng)變的大小與壓力大小、膜片面積、膜片厚度等關(guān)系為

(3)

式中,F為作用于膜片上的壓力;R為彈性膜片的有效半徑;h為彈性膜片厚度;E為彈性膜片的彈性模量;ν為材料的泊松比;W為彈膜片的應(yīng)變。把式(3)代入式(2),得

(4)

式中,k為膜片材料特性系數(shù);W1、W2為2個(gè)傳感器的壓力敏感膜片的應(yīng)變。

由式(4)可知,通過彈性敏感膜片,流體某點(diǎn)全壓和靜壓的測(cè)量轉(zhuǎn)化為2個(gè)彈性膜片應(yīng)變的測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)彈性膜片微小應(yīng)變的高精度測(cè)量,光干涉測(cè)量是最為行之有效的方法,因此傳感光路設(shè)計(jì)為邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu),并使用雙臂同時(shí)測(cè)量。在忽略邁克爾遜干涉儀兩臂固定光程差的情況下,流速壓差導(dǎo)致的兩臂光波相位差表示為

(5)

式中,Δφ為光波相位差;n為光路折射率;λ為傳感光源中心波長(zhǎng)。把式(5)代入式(4)得

(6)

從上述分析中可知,采用壓力敏感膜片結(jié)合邁克爾遜干涉儀兩臂同時(shí)測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)壓到光波相位的直接調(diào)制,通過光波相位解調(diào)就可以提取出流體流速信息,實(shí)現(xiàn)流量的高精度測(cè)量。

3 傳感器設(shè)計(jì)與技術(shù)要點(diǎn)分析

3.1 傳感器設(shè)計(jì)

壓差型光纖流量測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。傳感光源為具有一定相干長(zhǎng)度的線偏振光源。光源輸出的線偏振光經(jīng)偏振控制器(PC)后,從2×2光纖耦合器(OC)的1端輸入,被分為50%∶50%的2束光后分別從其3、4端口輸出。3端口輸出光束經(jīng)過PZT(光波相位調(diào)制器)后,再經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)器(FR1),并由壓力敏感頭1的彈性膜片反射回來;而4端口輸出光束經(jīng)過延遲補(bǔ)償光纖后,再經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)晶體(FR2),最后由壓力敏感頭2的彈性膜片反射回來。2路反射光由3、4端口進(jìn)入OC,并在OC處發(fā)生干涉,干涉光強(qiáng)從2端口輸出,由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于壓力敏感頭中的彈性膜片在流體壓力作用下將產(chǎn)生應(yīng)變,引起2光束光程差發(fā)生變化,2光束干涉后輸出變化的光強(qiáng)。

圖2 壓差型光纖流量傳感系統(tǒng)框圖

傳感器基本光路為由2×2光纖耦合器構(gòu)成的邁克爾遜干涉儀,光纖耦合器的3、4端口分別與壓力敏感頭連接構(gòu)成兩測(cè)量臂。該傳感光路的顯著變化是采用了雙臂同時(shí)測(cè)量。當(dāng)2個(gè)壓力傳感器中的彈性膜片特性一致時(shí),測(cè)量中因靜壓與溫度交叉敏感所產(chǎn)生的光程變化被抵消,只保留流速壓差所導(dǎo)致的光程變化。綜上分析,采用邁克爾遜干涉儀2臂同時(shí)測(cè)量結(jié)構(gòu)將流速壓差直接調(diào)制到光波相位上,通過相位解調(diào)就能直接獲得流體流速,即在光路上直接消除靜壓和溫度效應(yīng)對(duì)流速測(cè)量精度的影響,從而有利于提高測(cè)量的精度和動(dòng)態(tài)范圍。

傳感器中壓力敏感頭是獲取流速壓差的關(guān)鍵部件,不僅直接影響傳感器系統(tǒng)的靈敏度與可靠性,也影響其在高溫、高壓、污染等惡劣環(huán)境下的使用。壓力敏感頭組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。自聚焦透鏡對(duì)光纖的輸出光進(jìn)行準(zhǔn)直,提高反射光到光纖的耦合效率,降低傳感光路的損耗,其材料為二氧化硅,能長(zhǎng)期工作高溫下。高溫光纖為Fibertronix公司的FX-PI-SM,能在300 ℃溫度下長(zhǎng)期工作。壓力敏感頭用不銹鋼管加耐溫400 ℃的高溫?zé)o機(jī)膠灌裝形成一個(gè)密封整體組件,使傳感頭具有耐高溫、耐壓和抗振能力。

圖3 壓力敏感頭耐高溫封裝結(jié)構(gòu)

3.2 偏振信號(hào)衰落

偏振信號(hào)衰落是一種因光波偏振態(tài)隨機(jī)波動(dòng)而導(dǎo)致干涉信號(hào)隨機(jī)衰落的現(xiàn)象,將嚴(yán)重影響流速測(cè)量精度。由圖2可知,傳感器采用偏振控制結(jié)合法拉第旋轉(zhuǎn)器的方法以消除偏振信號(hào)衰落。光源使用線偏振光源,并通過一個(gè)偏振控制器(PC)進(jìn)行控制,同時(shí)在兩測(cè)量臂中插入45 °法拉第旋轉(zhuǎn)器,當(dāng)光在測(cè)量臂中往返傳輸后將發(fā)生90 °的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn),理論分析實(shí)驗(yàn)研究均表明該方法能使兩測(cè)量臂互相抵消偏振態(tài)的變化[8],從而有效地消除隨機(jī)偏振信號(hào)衰落現(xiàn)象,提高流量測(cè)量精度。

3.3 隨機(jī)相位信號(hào)衰落

隨機(jī)相位信號(hào)衰落是嚴(yán)重影響測(cè)量精度的另一重要因素,主要來源于光源相位隨機(jī)波動(dòng)、環(huán)境溫度變化以及振動(dòng)擾動(dòng)等。傳感器采用閉環(huán)直流相位補(bǔ)償方式消除隨機(jī)相位信號(hào)衰落。在干涉儀的某一測(cè)量臂上加入PZT(光纖相位調(diào)制器),該P(yáng)ZT一方面用于消除隨機(jī)相位信號(hào)衰落;另一方面則用于靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整,即保持兩測(cè)量臂的光波相位差為2mπ±π/2,提高測(cè)量的靈敏度[9]。光電探測(cè)器的輸出信號(hào)被分成2部分,一路作為信號(hào)輸出,一路則經(jīng)相位補(bǔ)償控制環(huán)路處理后,輸入到PZT,通過相位補(bǔ)償消除隨機(jī)相位信號(hào)衰落。實(shí)驗(yàn)表明傳感器的相位補(bǔ)償范圍能達(dá)到±7π以上,相位補(bǔ)償控制環(huán)路響應(yīng)頻率為1 kHz。從相位補(bǔ)償范圍和響應(yīng)速度上保證了隨機(jī)相位信號(hào)衰落的有效消除,保證了測(cè)量精度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

流量傳感器實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。將壓力敏感頭與信號(hào)解調(diào)光路端口相連。輸出的電信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡(采樣率10 MHz、采樣精度16 bit)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中,測(cè)定不同流量下的光波相位差,計(jì)算得到流體流速和流量。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置組成框圖

流體流量控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的流量標(biāo)定系統(tǒng),其中管道內(nèi)徑為112 mm,流體為水。通過調(diào)節(jié)閥門大小可實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。流量測(cè)試范圍5～150 m3/d,重復(fù)測(cè)試,對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器在流量5 m3/d處有明顯的輸出響應(yīng),但存在一定震蕩,并且在5～10 m3/d間線性度較差;10～150 m3/d間線性度較好,但在160 m3/d逐漸出現(xiàn)一定的飽和現(xiàn)象。分析其原因是壓力敏感膜片需要滿足較大靜壓下對(duì)較小的流速壓差響應(yīng),因此設(shè)計(jì)中膜片厚度控制是影響流速測(cè)量范圍的關(guān)鍵,而膜片厚度和膜面均勻性的控制將影響傳感器的線性度。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試結(jié)果圖

測(cè)試范圍內(nèi)對(duì)流量進(jìn)行標(biāo)定后,選取10、40、100、150 m3/d的4個(gè)流量點(diǎn),分別對(duì)每一流量點(diǎn)進(jìn)行10次測(cè)量,計(jì)算出每一測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)流量間的誤差值,并用其中最大誤差值與標(biāo)準(zhǔn)流量值的百分比作為該流量點(diǎn)的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明每一流量點(diǎn)的測(cè)量誤差均小于2%,因此傳感系統(tǒng)的測(cè)量誤差小于2%。為考核傳感頭耐高溫性能,傳感頭處于通光工作狀態(tài),放置在350 ℃的高溫恒溫箱中,并監(jiān)測(cè)其輸出信號(hào),在放置時(shí)間大于2 h后,再進(jìn)行流量測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明傳感器性能未見下降。因此采用高溫光纖、高溫?zé)o機(jī)膠,以及全金屬結(jié)構(gòu)封裝等措施,使傳感頭能夠長(zhǎng)期工作在300 ℃環(huán)境下。如果采用耐更高溫度的高溫光纖和無機(jī)膠,還可進(jìn)一步改善傳感頭的耐溫性能。

5 結(jié) 論

(1) 提出了一種壓力敏感膜片結(jié)合光干涉測(cè)量的壓差型高溫光纖流量傳感器。其原理是采用邁克爾遜干涉儀兩臂同時(shí)測(cè)量結(jié)構(gòu),能夠有效消除靜壓和溫度交叉敏感,實(shí)現(xiàn)流速壓差的光波相位直接調(diào)制,提高測(cè)量的靈敏度和精度。

(2) 利用彈性膜片對(duì)流體的全壓和靜壓進(jìn)行敏感,避免光路與流體的直接接觸,使傳感光路能夠進(jìn)行全封閉封裝,并保證傳感器能工作在300 ℃高溫環(huán)境下。

(3) 設(shè)計(jì)制作的壓差型光纖流量傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍5～150m3/d,測(cè)量誤差小于2%的流量測(cè)量。由于選用高溫光纖與金屬片作為傳感元件,無需電子線路下井,該流量傳感器具備了電絕緣性、抗電磁干擾、抗腐蝕、本質(zhì)安全等特性。

參考文獻(xiàn):

[1] 齊軍, 董杰, 趙珍珍, 等. 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的原理和應(yīng)用 [J]. 工業(yè)技術(shù), 2012(8): 93.

[2] Cashdolla L J, Chen K P. Fiber Bragg Grating Flow Sensors Powered by In-fiber Light [J]. IEEE Sensors Journal, 2005, 5(6): 1327-1331.

[3] Yuan L, Yang J, Liu Z. A Compact Fiber-optic Flow Velocity Sensor Based on a Twin-core Fiber Michelson Interferometer [J]. IEEE Sensors Journal, 2008, 8(7): 1114-1117.

[4] Jiang Q, Gao F. Simulation and Design of a Fiber Bragg Grating Flow Sensor [C]∥SPIE, 2013, 8916 89162M-1.

[5] 李前萌, 高占武, 白海軍. 光纖流量傳感器在石油領(lǐng)域中的進(jìn)展 [J]. 石油儀器, 2004, 18(4): 1-3.

[6] 李威宣, 周濤. 一種高靈敏度光纖流量計(jì) [J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2003, 24(3): 327-330.

[7] 袁中林, 梁君英. 靶式流量計(jì)的分類及應(yīng)用 [J]. 自動(dòng)化儀表, 2008, 29(4): 67-70.

[8] 倪明環(huán). 偏振無關(guān)Michelson干涉型微弱光纖磁場(chǎng)傳感器信號(hào)處理 [D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2006: 6-7.

[9] 樊程廣, 潘孟春, 張琦, 等. 干涉型光纖弱磁場(chǎng)傳感器穩(wěn)定性的研究 [J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2009, 30(6): 124-127.