专利名称：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
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 (Hishida Yasyuyki)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(Karmanvortex),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 and cross-correlation technique" ( Shoichi Takashima et al， Sensors and Acuators A 116 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(Bluffbody)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。这个己知的系统是昂贵的、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；
-向所述涡流发生体提供具有至少一个第一光纤布拉格光栅的光纤， 所述光栅被配置成取决于所述光栅所承受的应变量来反射具有特定波长 的光学信号，其中，卡门涡流形成的流体压力变化导致了相应的光纤布
拉格光栅所承受的应变发生变化；
-向光纤中发送光学信号，所述信号具有这样的波长，即，在所述光 栅正在受到预定量的应变(例如，没有应变)的影响的情况下，所述第
一光纤布拉格光栅至少部分地反射该波长；
-检测由所述涡流发生体的所述第一光纤布拉格光栅反射的所述光 学信号；以及
-处理所述检测到的光学信号以根据所述检测到的信号的变化来确 定所述流体流速。
优选地，该方法包括以下步骤
利用所述光纤布拉格光栅来测量所述涡流发生体的表面部分的表面 应变变化。
8在从属权利要求中描述了本发明的更有利的实施方式。通过参照下 面所描述的并在附图中示出的非限定性的实施方式，本发明的这些方面 以及其它方面将被阐明并变得明显。
图1示出了本发明的一种实施方式的纵向截面；
图2示出了沿图1中的线II-II的横截面；
图3示出了沿图1中的线ni-III的纵向的示意性横截面；
图4是图1的实施方式的涡流发生体的透视图5是图4中示出的发生体的纵向截面图6是图4的发生体的前视图7是沿图6中的线VII-VII的横截面图；以及
图8示出了一个示例韵所测量的关于流动速度的分离(shedding)频 率的曲线图。
具体实施例方式
在本申请中，以相同或相应的标号表示相同或相应的特征。 图1-6示出了包括流体通道C以及流量计1的组件的非限制性实施 方式。
流体通道C (例如，流体线、流体管、流体渠(fluidline/pipe/conduit) 可被配置成导引流体，例如，气体、气体混合物、空气、液体、液体混 合物、水、蒸汽。在特定的实施方式中，通道C可以被设置成向油田或 气田中注入流体，然而，技术人员将理解，可以将通道C用于很多其它 的应用中。在本实施方式中，通道C具有直径(宽度)W的大致圆形横 截面。技术人员应理解的是，通道还可以具有不同的结构，例如具有长 方形或正方形的横截面，或者不同的横截面。
流量计1被配置成在工作过程中对流经通道C的流体的流体流速进 行测量。为此，流量计1包括在通道C中延伸的至少一个涡流发生体2 (在该附图中仅示出了一个)。在其它的实施方式中，组件具有多个分隔 开来的涡流发生体2，从而在通道C中的不同位置检测流速。在该情况 下，可以使用流量计1检测流速分布曲线，从而例如确定或估计正在注入油田或气田的特定部分(层)的流体的量。例如，如技术人员应理解
的，发生体2可以在通道中充分地延伸(参见附图)，或部分地延伸。
各涡流发生体2被配置成在工作过程中在流经通道C的流体中产生
卡门涡流(参见图3)。在图3中以箭头Y指出流体流动方向。特别地，
各涡流发生体2包括非流线形体2，非流线形体2具有两个涡流分离边缘
t，这两个涡流分离边缘t优选地是大体上平行的明显的侧缘。非流线形
体2可以被设置成使这些边缘t相对于非流线形体的剩余部分位于上游位
置(参见图3)或者另选地被设置成使这些边缘t相对于非流线形体的剩
余部分位于下游位置(例如，在图3中的流动方向发生颠倒的情况下)。
在本实施方式中，非流线形体2刚性地连接到通道壁11 。
特别地是，流量计1基于在放置在流动的流体中的障碍物(非流线
形体2)上涡流发生的原理。边界层由于粘性而在非流线形体2的两侧增
厚，并且可以在由边缘t设置的分离点发生分离。在工作过程中，涡流V
可以另选地在非流线形体2的两侧分离，涡流分离频率为fK。从现有技
术中己知，根据以下等式l:<formula>formula see original document page 10</formula>
涡流发生频率fK与流动速度U成正比，其中St是无量纲斯特鲁哈尔数 (dimensionless Strouhal number), U是流动速度(m/s)，而Db是一貝流线
形体的直径/宽度(m)。如众所周知的，斯特鲁哈尔数St是针对特定的非 流线形体的特性，并且其在相对大范围的雷诺数(Reynolds number)中 恒定，因而流速(m/s)与发生频率之间的关系在较广的流速范围内是线 性的。例如，如果流动速度在0.5m/s到5m/s (操作弹性1: 10)的范围 内，则可以使用本实施方式，并且例如，在各种操作压力下，本实施方 式可以具有从20摄氏度到350摄氏度的工作温度。另外，技术人员应该 理解的是，流量计1可被配置成在这些速度与温度范围之外使用。通过 选择其上(通过在发生体2上引入明显的边缘t而)准确地限定了分离点 的发生体2，可以控制边界层。
非流线形体2可以由各种材料制成。例如，非流线形体2可以由刚 性的、抗腐蚀的材料制成，特定地可以由例如不锈钢、或铝等合适的金属、合金、钢或硬塑料、强化塑料(由于耐用性的原因，不锈钢优选地 用于井下应用)、和/或其它合适的材料。
图4-7更加详细地示出了非流线形体/发生体结构的有利实施方式。 为了使流动速度与涡流发生之间存在线性关系，本涡流发生体2提供了 明确限定的分离线(边缘)t，并且具有大体上T形的横截面。为此，特 别地，发生体2配置有第一部分2A (即，T形的T的顶部)与第二部分 2B (即，T形的T的中线)，第一部分具有两个分离边缘t，而第二部分 是力、i)节(fluid dividing element)元^f牛2B。
第一发生体部分2A与第二发生体部分2B都可以具有各种结构。第 一发生体部分2A与第二发生体部分2B优选地由相同的材料制成，然而， 这不是必须的。
有利的是，第一发生体部分2A是刚性的、优选地是刚性地固定(即， 在工作过程中大体上不移动)在通道C的壁11上的大体上实心的部分 2A。第一发生体部分2A包括前表面，其相对于纵向的通道方向(即， 在使用中流经通道C的流体的流动方向Y)大体上横向地延伸，其中前 表面的侧边是发生体2的涡流分离线t。
在本实施方式中，第一发生体部分2A的长度Ll大体上等于或接近 等于流动通道直径/宽度XI (参见图l)，因而通道C的壁扮演了流分离 边缘t的作用(即，每个流分离边缘t的相对端位于或接近通道壁11的 相应的通道壁部分)。因此，非流线形体2的第一部分2A从通道C的第 一内壁部分lla向通道C的相对第二内壁部分llb延伸，如图1-2所示， 并且优选地在中央通过通道C。这里，例如，窄缝仍然可以在非流线形 体2的一端与通道壁之间延伸，例如，已经在图1中指出了具有大约lmm 或更小宽度的缝隙Z。
例如，在耐用的结构中，通过卡夹、粘接、焊接、合适的耦接、螺 栓连接、可拆卸连接、或这些方式的组合、和/或不同的方式，第一发生 体部分2A可以在一端(或另选地，两端)牢固地固定到通道壁部分(或 多个通道壁部分)。在本实施方式中，第一发生体部分2A的一端固定到 已经牢固地连接到第一通道壁部分的安装结构9。例如，该安装结构可以
ii包括用以保持非流线形体2的第一安装部分9a、经由以三角形结构相互 隔开的三个第一螺栓13a固定到第一部分9a的第二安装部分9b、以及将 安装第二部分9b连接到通道壁11的第三安装部分9c。此外，通道壁ll 可包括开口 12以将由第一安装部分9a保持的非流线形体2引入通道C。 安装结构9可以被配置成在安装后设置对开口 12进行密封的防流体泄露 密封。
在另一实施方式中，相应的非流线形体部分2A的长度L1显著地小 于流动通道直径/宽度Xl,其中非流线形体2可以包括相对涡流分离边缘t 而侧向延伸的一个或更多个端板，以控制非流线形体2的边界层。
在另一实施方式中(参见图3)，相对纵向的通道方向而横向测量的 两个涡流分离边缘(线)t之间的距离Db大于在相同方向上测量的流体
通道C的宽度X2的十分之一 (例如，大约为流体通道C的宽度的四分 之一)，其中，两个涡流分离边缘t之间的所述距离Db优选地小于通道C
的宽度X2的二分之一。由于在本实施方式中，通道C具有圆形的截面， 因此最后提到的通道宽度X2等于在图1中以箭头X1指出的上述通道宽 度。
第一发生体部分2A的纵向截面优选地大体上是三角形(如图3、图 7中那样)或截断三角形、或具有其它形状。
优选地，第二发生体部分2B具有板状、条状或片状结构，这些结构 具有大体上的矩形形状(如在本实施方式中的那样)。例如，第二发生体 部分2B的尺寸可以是这样制作的，即，在三个正交方向上， 一个正交方 向(厚度K)显著地小于(例如，至少小50倍)第二正交方向与第三正 交方向中的每一个(长度L2与宽度G)。
另外，优选地，第二发生体部分2B大体上在纵向的通道方向上延伸， 并且具有两个流体压力接收表面，这两个流体压力接收表面相互面对并 隔开，被配置成在工作过程中交替地接收涡致压力变化(vortex induced pressure variation)(参见图3),并且将被这些压力变化所应变。在本实 施方式中，特别地是，压力变化造成了第二发生体部分2B的与流动方向 Y垂直的振动和/或变形(换而言之，发生体部分2B的涡致变形和/或振动将主要在该部分2B的横向上，在图3中以箭头q指出，即振动和/或 变形大体上垂直于该发生体部分2B的压力接收表面)，变形和/或振动导 致了第二发生体部分2B中的表面应变。
在本实施方式中，第二发生体部分2B在第一发生体部分2A的中央 延伸，与包含两个分离边缘t的非流线形体表面垂直，并且优选地在安装 后从中央通过通道C。例如，如在本实施方式中那样，非流线形体的外 部轮廓(包括第一部分2A和第二部分2B)可以相对于纵向的中央镜面 (mirrorplan)大体上镜像对称。
在本实施方式中，第二发生体部分2B的一个横边(图5A中该部分 的下边)与第一发生体部分2A的相应边平齐地延伸(参见图5)。然而， 第一发生体部分2B的另一横边与安装结构9分隔开来(参见图5)，其 间的距离在图5中以箭头H标出。
第二发生体部分2B是压力变化接收部分2B，或者应变部分，其被 配置成在工作过程中接收涡致压力变化。特别地是，卡门涡流可在第二 发生体部分2B中(在图3中以箭头q标出)，更具体地说，在第二发生 体部分2B的表面部分中引起应变变化(即，工作过程中的涡致压力变化 导致了第二发生体部分2B的/第二发生体部分2B中的表面应变)。例如， 第二发生体部分2B在工作过程中可以稍稍地弹性变形，使得该发生体部 分2B在工作过程中由于接收涡流相关的压力变化而进行微振荡q，微振 荡q导致了第二发生体部分2B的两个侧表面(压力接收面)的应变发生 变化。已经发现，这些应变变化在与第一发生体部分2A相邻的区域(即， 与第一发生体部分2A的接合处)尤其相对较高。
在另一实施方式中，发生体2的压力变化接收部分2B (即，第二部 分)包括两个横边，这两个横边与相对的纵向流限制部分(在该实施方 式中，包括横向发生体一侧的通道壁部分，以及横向发生体另一侧的安 装结构部分)分隔开来。例如，在图1中，在矩形涡流发生体部分2B的 (图中)下横边与通道壁ll之间的距离Z优选地在大约0.1mm-10mm之间， 特别地是大约lmm-2mm，而矩形涡流发生体部分2B的(图1中)上横 边与第一安装部分9a的表面之间的缝隙的宽度H也优选地在大约0.1mm-10mm的范围内，尤其是大约lmm-2mm。因此，第二发生体部分 2B的横向不受相对的流限制表面的限制，使得涡致压力变化可以使第二 发生体部分2B中的表面应变变化和/或第二发生体部分2B的振荡。特别 的是，涡致压力变化可以引起涡流发生体的振动和/或变形，振动和/或变 形可造成表面应变。
因此，优选地，第二发生体部分2B的长度L2 (在与分离线t平行 的方向上所测量的)稍稍小于第一发生体部分2A的长度Ll，长度上的 差异例如在大约0.1mm-20mm的范围内，尤其是在大约lmm-2mm的范 围内(参见图5)。
第二发生体部分2B的长度L2优选地大于该部分2B的外部部分(尾 部)的宽度G，该宽度G是沿纵向的通道方向测量的(参见图5;这里， 第二发生体部分2B的宽度G是从第一发生体部分外部延伸的、作为该 发生体的流体压力变化接收部的部分的截面的宽度)。例如，第二部分2B 的长度L2可以在该部分2B的所述宽度G的大约1.5-2倍的范围内。在 L2处于G的1.7-1.9倍的范围内的情况下，尤其是在长度L2等于宽度G 乘以1.8的情况下，发现了良好的结果。
另外，己经发现，在第二发生体部分2B的厚度K(在其横向测量所 得)小于大约10mm的情况下，优选地小于大约5mm并且尤其是在大约 lmm-2mm的范围内的情况下(参见图7)，可以取得良好的结果。
可以通过各种方式将第一发生体部分2A与第二发生体部分2B相互 连接起来。例如，可以一体地制作第一发生体部分和第二发生体部分。 另外，可以利用粘合、焊接、螺栓连接(如在图l-7的实施方式中利用螺 栓6)、压夹、力封闭式固定、形封闭式固定、以上方式的组合和/或以不 同的方式使第一发生体部分2A与第二发生体部分2B相互连接。在本实 施方式中，第二发生体部分2B包括在第一发生体部分2A中延伸并由此 被第一发生体部分2A所保持的内部部分，以及上述的在第一发生体部分 2A之外延伸以感知涡致压力变化的外部部分(具有所述的宽度G)。优 选地，如从附图看到的，第二发生体部分2B的所述外部部分(尾部)大 体上是连续的，提供了大体上不间断的(连续的)压力接收表面。优选地，第一发生体部分2A与第二发生体部分2B是这样配置的， 即，相对的涡流压力变化可在发生体的特定区域(例如，与第一发生体 部分2A相邻的第二发生体部分2B的外部部分)引起相对大的应变变化。
另外，各涡流发生体2都设置有光纤布拉格光栅传感器(3、 7、 FBG) 的第一光纤布拉格光栅FBG。在工作过程中，利用与涡流发生体2的各 自的第一光纤布拉格光栅FGB相关的光纤布拉格光栅传感器信号，可检 测该涡流发生体2生成的涡流V的卡门涡流频率fK。优选地，第一光纤 布拉格光栅FBG被附接到发生体2的经受了相对较大的表面应变变化的 部分，该表面应变变化是在工作过程中由涡流压力变化引起的振动/变形 而造成的。并且该第一光纤布拉格光栅FBG被配置成对这些应变变化进 行检测。
另外，在另一实施方式中，相应的涡流发生体2的光纤布拉格光栅 FBG被设置成特别地经由发生体2的压力变化接收部分2B的压力变化所 导致的应变变化来感知所述的压力变化，并且改变相应的光纤布拉格光 栅传感器信号，作为对压力变化进行感知的结果。优选地，将光纤布拉 格光栅FBG安装为或靠近第二发生体部分2B的压力接收表面、或在其 中延伸、或与其毗邻、或嵌入其中，从而使光纤布拉格光栅FBG对在工 作过程中由该发生体部分2B的变形/振动造成的所述表面应变灵敏。
有利的是，第一光纤布拉格光栅FBG与相应的涡流发生体2的涡流 分离表面(该表面含有两条涡流分离线t)分隔幵来。另外，优选地，第 一光纤布拉格光栅FBG的位置与第二发生体部分2B的两个横边分隔开 来。
此外(根据图5)，第一光纤布拉格光栅FBG的纵向方向在工作过程 中优选地与流体流动方向围成小于90。的角，例如，小于30。的角，并且 优选地是小于5。的角。在本实施方式中，第一光纤布拉格光栅FBG的纵 向方向与流体流动方向Y之间的角度大约是O。。
特别的是，压力变化接收部分/第二发生体部分2B —体地包括弯曲 的光纤部8，该弯曲的光纤部8至少部分地沿着弯曲的路径延伸并且包含 第一光纤布拉格光栅FBG (参见图4-5)。大体上在与纵向通道方向正交的方向上(参见图5)，弯曲的光纤部8的第一部分8a优选地距自由的发 生体边缘E短的距离延伸，该发生体边缘E与涡流发生体2的涡流发生 表面相面对并隔开。光纤部8的第二部分8b优选地设置在涡流发生体2 的涡流发生表面的附近，并且大体上与纵向的通道方向平行地延伸。在 本实施方式中，这个第二光纤部8b包括第一光纤布拉格光栅FBG。特别 的是，设置在发生体2上或发生体2中的光纤部的弯曲路径包括第一弯 曲Al以将光纤从第一发生体部分2A处的入口位置向自由发生体边缘E 引导，并且具有随后的第二弯曲A2 (弯曲方向与第一弯曲的弯曲方向相 反)以将光纤从自由发生体边缘E引导返回第一发生体部分2A，到与入 口位置分隔开来的布拉格光栅位置。
在另一实施方式中(未示出)，光纤可以更加弯曲(例如，沿和/或 通过涡流发生体2成大体上完整的环形)，并且可以将其向着通道壁11 引导回并且通过支撑结构9，例如，向另一涡流发生体2引导以在其它发 生体2中/在其它发生体2处设置另一第一布拉格光栅。在这种情况下， 光纤入口位置(点)也可以设置光纤退出位置(exitlocation)。
特别的是，在本实施方式中，安装结构9包括通孔15 (参见图5) 以使光纤7从通道C外部的区域进入涡流发生体2中。第一发生体部分 2A可包括相似的孔径以接收光纤7的一部分。第二发生体部分2B可包 括弯曲的凹槽5或孔以保持住包含第一光纤布拉格光栅FBG的弯曲的光 纤部8。在另一实施方式中，还可以使用通孔15来将光纤7向着另一位 置(例如，另一涡流发生体(未示出))再次从涡流发生体2通过通道壁 ll引导出通道。
例如，发生体2的光纤接收凹槽5可具有小于第二发生体部分2B的 厚度K的深度，例如，小于lmm的深度，例如，大约0.4mm。例如，光 纤接收凹槽5的深度可以小于第二发生体部分2B的厚度K的二分之一， 从而靠近该部分2B的侧面设置光栅FBG和/或将光栅FBG设置在该部分 2B的侧面中。优选地，弯曲的光纤部8大体上嵌入相应的发生体部分2B 中。可以使用合适的粘合剂(例如，可热固化的树脂、环氧树脂、或其 它类型的粘合剂)将具有布拉格光栅FBG的光纤部8固定到相应的凹槽5中。优选地，光纤接收凹槽5被配置成以大体上互相依靠的形式来保持 相应的光纤部。在非限制性的实施方式中，凹槽5的宽度可以是大约 lmm。同样，所述组件可以具有模块式结构，其中该组件可包括多个涡流 发生体2，各发生体2优选地设置有所述光纤布拉格光栅传感器的第一光 纤布拉格光栅FBG。在这种情况下，可以简单地在单个光纤7上设置不 同的发生体2的所有的第一光纤布拉格光栅FBG，其中光纤7可从一个 发生体延伸到另一个发生体以发送传感器信号。对于技术人员来说，对光纤布拉格光栅传感器本身的操作是已知的。 在一实施方式中，各光纤布拉格光栅FBG都被配置成大体上对通过该光 纤7向光栅FBG发送的一个特定波长的光学信号进行反射，并且大体上 传送所有的其它波长。这里，反射的光的波长取决于光栅FBG中折射系 数的变化。反射的波长被称为布拉格波长、，其由下面等式给出、=2neff A (2) 其中，r^是在光纤7中传播的光学模式的有效折射系数，而A是光栅的 周期。应变、温度以及压力可改变光纤的特性，并因此改变反射的波长、。 例如，传感器信号的振幅是光栅FBG在工作过程中所经受的应变量的指 标。在本实施方式中，特别的是，使用反射的波长来作为流动速度的指 标，其中，可以以相对简单的方式来检测波长的变化(即，反射的传感 器信号振幅的变化)，从而确定上述的卡门频率fK。例如，光纤7可以是具有一个或更多个布拉格光栅FBG的标准光纤， 其具有大约2cm到3cm的最小弯曲半径和针对各个布拉格光栅FBG的 大致为2cm的光栅长度N (参见图5)。技术人员应理解的是，光纤7还 可以具有更小的弯曲半径和/或更短的光栅。例如，有利的是，第一光纤 布拉格光栅的长度N可以是大约lcm。在本实施方式中，第一光栅FBG主要地用于检测涡流发生体2中/ 涡流发生体的变化的应变，其中，可以对各传感器信号中所产生的变化 进行处理从而确定流体的流动速度U。第一光栅FBG的优选位置是在发 生体2的尾部2B的开始处，紧随(截断的三角形的)第二发生体部分2A之后(见图5、 7)，这是由于已经发现在工作过程中，在发生体尾部 2B的这个部分，卡门涡致应变变化最大。优选地，在工作过程中，整个第一光栅FBG可以大体上均匀地应变， 这是通过与纵向的通道方向大体上平行地设置光栅FBG来实现的。然而 在实践中，在本实施方式中，对于获得准确的测量结果来说，应变在整 个光纤上完全恒定不是必须的。这是由于频率(即，振幅的变化，而不 是振幅本身)是测出的参数，因而检测到的反射信号的振幅变化不会影 响流量测量的结果。与此相反，在JP200387451中示出的装置中，由于 光栅的不均匀应变，反射信号的传感器振幅信号具有相对较大的误差。本组件可包括合适的传感器系统3 (例如，包括一个或更多个合适 的处理器和/或分析仪，例如，Deminsys Commercial公司的市售系统)， 该传感器系统光连接到光纤7。在光栅受到预定量的应变(例如，没有应 变)的影响的情况下，传感器系统3可被配置成产生光学信号并向光纤7 发送该光学信号，该信号具有至少部分地被第一光纤布拉格光栅FBG反 射的波长(即，上述的布拉格波长)。在组件包括具有不同布拉格波长、的不同光纤光栅FBG的情况下，光学信号可以复用有具有这些不同的布 拉格波长、的不同的信号部分，使得传感器系统3可以同时地相互独立 地使用不同的光栅FBG。另外，传感器系统3可以被配置成对(多个)涡流发生体2的各第 一光纤布拉格光栅FBG所反射的光学信号进行检测,并且对检测到的(多 个)光学信号进行处理从而根据所检测到的(多个)信号的变化来确定 流体流速。在图1-7的实施方式的工作过程中，流体流动将引起在发生体2处 的涡^:发生，这将造成非流线形体2的尾部2B上的压力波动。由于压力 波动，将引起尾部发生振荡，导致尾部2B的表面应变波动并因此导致整 个第一光纤布拉格光栅FBG的应变波动(第一光纤布拉格光栅FBG优 选地安装在第二发生体部分2B的相应表面上或靠近第二发生体部分2B 的相应表面，从而测量表面应变)。将对作为振荡的结果的表面应变进行 测量。通过传感器系统3向光纤7发送具有涡流发生体2的第一光纤布拉格光栅的布拉格波长FBG的光学信号，并且对第一光纤布拉格光栅 FBG所反射的相应的光学信号进行检测，可以容易地实现这一点。之后， 对检测到的光学信号进行处理以检测检测到的信号的变化(这些变化是 光栅FBG所经受的变化的应变的结果)，从而使用上面的等式1根据这 些变化来确定流体的流速。西此，应用单个FBG传感器在流体通道C的 特定位置对流速进行检测，其中，例如，不需要对不同的光栅传感器信 号执行复杂的互相干。图8示出了按照本实施方式执行的实验而测出的发生频率fK关于相 应流动速度的曲线图。在实验中，将流经通道C的流体的流动速度Ufl。w设 定为ll个不同的预定值(从0m/s到5.5m/s，步长0.25m/s)，并且对所 获得的FBG传感器信号进行处理以检测卡门频率。根据图8，三个不同 的测试批次全部提供了检测到的频率fK对流动速度U細的相同的线性曲线图。既可以从低流速(在本示例中，0.5 m7s)获得可靠数据，也可 从高流速(在本示例中，5.5m/s)获得可靠数据。从以上可以看出，本申请提供了光纤光涡流流量计1，其中，在一 种实施方式中，可以使用光纤布拉格光栅(FBG)传感器来测量涡流发 生所导致的应变。该传感器使用标准光纤7的相对小的部分，从而由于 可以直接地将传感器信号馈送至地面，因而在井下不需要电子装置。光 纤流量计的优点是，流量计在本质上是安全的，并且不受电磁干扰影响。 非流线形体2可大体上是T形的，包括截断的三角形部分2A，长尾部分 2B固定到截断的三角形部分2A。优选地将该形体的尾部2B制作的尽可 能的薄，从而增加其变形并因此增加传感器所测出的应变。流量计1可 检测单相流(液体或气体)，例如，水、蒸汽、或其它流体。已经发现，本实施方式可以针对测量的线性和信号质量提供优化的 非流线形体的设计，其中，FBG可在相对大的流速速度范围向传感器信 号提供可检测的应变振荡信息。因此，传感器可提供准确的流速测量值， 并且对于流速变化非常灵敏。另外，例如，大体上T形的形体(例如本实施方式)是产生应变的 最适宜的非流线形体结构。非流线形体2B的矩形板状截面的偏差可以相19对地高。此外，T形的形体也是仅有的可用于以一根光纤来连接一系列流 量计的形状。而且，已经发现，这种形状可在工作过程中提供非常好的 传感器信号信噪比。在另一实施方式中，与涡流发生体2相连接的光纤部分可包括其它 的光纤布拉格光栅以例如检测温度。在一实施方式中，涡流发生体2可 设置有光纤布拉格光栅传感器系统3、 7的第二光纤布拉格光栅FBG2， 该第二光纤布拉格光栅FBG2被配置成对作为对温度变化进行的感知结 果而改变相应的光纤布拉格光栅传感器信号。为此，第二光纤布拉格光 栅FBG的纵向方向优选地与纵向的通道方向大体上垂直地延伸。例如，额外的(第二)光栅FBG2可设置在大体上不受卡门涡流V 影响的发生体的位置处。在图5中，以箭头FBG2指出了温度光栅的两 个可能的位置。例如，可以将第二光纤光栅FBG2设置在所述的弯曲光 纤部8的第一部分8a处，或者靠近接近通道壁11的进入点(可选地也 是退出点)。另选地，该组件可设置有另外的光纤，该光纤不包括所述的第一光 栅FBG，而是包括第二光栅并且在流体流中保持第二光栅以测量流体温 度。此外，根据另一实施方式，例如根据出版物"Astudyofmassflowrate measurement based on the vortex shedding principle，，(H. Zhang et al., Flow Measurement and Instrumentation 17 (1)，2006)，利用相对于发生体2位于 上游(并且与发生体2分隔开来)的压力传感器的测量结果，可将本发 明用于质量流(mass flow)确定。尽管已经参照附图对所例示的本发明的实施方式进行了非常详细的 说明，但应该理解的是，本发明并不受到这些实施方式的限制。本领域 的技术人员可以实现各种不同的改变或修改，而不会脱离在权利要求中 所限定的本发明的范围或精神。应该理解的是，在本申请中，术语"包括"并不排除其它部件或步骤。 另外，在未使用量词的情况下不排除复数的形式。不应将权利要求中的 任一 (多个)标号理解为对权利要求范围的限制。可以以不同的方式来制作发生体/非流线形体2，并且发生体/非流线形体2可具有不同的形状。例如，第一发生体部分可以具有大体上三角形的截面、截断的三角形的截面等不同的截面。另外，例如，可以只将将非流线形体2的第一部分2A的一端固定到 通道壁ll，或如果需要可将两端固定到通道壁ll。此外，例如，涡流发生体2不是必须包括第二部分2B。根据一实施 方式，发生体2只包括第一部分2A (特别地具有两个分离边缘t)，其中 第一部分2A包括至少一个(第一)光纤布拉格光栅FBG。技术人员应理解，在发生体2完全地延伸进入通道时，或者例如在 发生体2只是部分地插入通道中的情况下(例如，通道直径/截面的大约 0.25倍)，本组件可进行工作。
权利要求
1、一种包括流体通道与流量计的组件，所述流量计(1)包括至少一个在所述通道(C)中延伸的涡流发生体(2)，各涡流发生体(2)被设置成在工作过程中在流经所述通道(C)的流体中产生卡门涡流(V)，其中，各涡流发生体(2)设置有光纤布拉格光栅传感器(3、7、FBG)的第一光纤布拉格光栅(FBG)，其中，利用与产生所述涡流(V)的所述涡流发生体(2)的相应的光纤布拉格光栅(FBG)相关的光纤布拉格光栅(FBG)传感器信号，能够检测到由所述涡流发生体(2)产生的所述涡流(V)的卡门涡流频率(fK)。
2、 根据权利要求1所述的组件，其中，各涡流发生体(2)包括非 流线形体(2)，该非流线形体(2)具有大体上平行的两个涡流分离边缘。
3、 根据权利要求2所述的组件，其中，具有大体上平行的两个涡流 分离边缘的第一发生体本体部分被固定到所述通道(C)的壁(11)。
4、 根据权利要求2或3所述的组件，其中，在相对于纵向通道方向 的横向上测量的所述两个涡流分离边缘(t)之间的距离(Db)大于在相 同方向上测量的所述流体通道(C)的宽度(X2)的十分之一，例如， 大约为所述流体通道(C)的所述宽度的四分之一，其中，所述距离(Db) 优选地小于所述通道(C)的宽度(X2)的二分之一。
5、 根据权利要求4所述的组件，其中，在横向的通道方向上测量的 非流线形体(2)的长度大体上等于在相同方向上测量的所述通道(C) 的宽度。
6、 根据上述任一权利要求所述的组件，其中，所述第一光纤布拉格 光栅(FBG)与所述相应的涡流发生体(2)的涡流分离表面分隔开来。
7、 根据上述任一权利要求所述的组件，其中，在工作过程中，所述 第一光纤布拉格光栅(FBG)的纵向方向与流体流动方向围起小于90° 的角，例如小于30。的角，并且优选地是小于5。的角。
8、 根据上述任一权利要求所述的组件，其中，所述涡流发生体设置 有压力变化接收部(2B)，该压力变化接收部(2B)被配置成在工作过程中接收涡致压力变化，其中，所述相应的涡流发生体的所述光纤布拉格光栅(FBG)被安排成特别地经由所述发生体(2)的所述压力变化接收 部(2B)的压力变化导致的表面应变变化来感知这些压力变化，并且改 变作为对所述压力变化进行感知的结果的相应的光纤布拉格光栅(FBG) 传感器信号。
9、 根据权利要求8所述的组件，其中，所述涡流发生体(2)的所 述压力变化接收部(2B)是流体分割元件(2B)，该流体分割元件(2B) 大体上在纵向通道方向上延伸并且具有两个流体压力接收表面，所述两 个流体压力接收表面相互面对并隔开，并且被配置成在工作过程中交替 地接收涡致压力变化。
10、 根据权利要求8或9所述的组件，其中，所述压力变化接收部 (2B) —体地包括弯曲的光纤部(8)，该弯曲的光纤部(8)至少部分地沿弯曲的路径延伸并且包含所述的第一光纤布拉格光栅(FBG)，其中， 所述光纤部(8)的第一部分优选地离开与所述涡流发生体(2)的涡流 发生表面相面向并隔开的发生体边缘短的距离地在大体上相对于纵向通 道方向正交的方向上延伸，其中，所述光纤部(8)的第二部分优选地设 置在靠近所述涡流发生体(2)的涡流发生表面的位置并且在纵向的通道 方向上大体平行地延伸。
11、 根据权利要求8-10中任一项所述的组件，其中，所述发生体(2) 的所述压力变化接收部(2B)大体上具有矩形的形状，所述压力变化接 收部(2B)包括与相对的纵向的流限制部分隔开来的两个横向侧，其中， 在所述矩形涡流发生体部(2B)的各横向侧与相对的纵向的流限制部分 之间的距离优选地在大约O.lmm-lOmm的范围内，特别地是大约 lmm-2mm。
12、 根据权利要求8-11中任一项所述的组件，其中，所述压力变化 接收部(2B)的厚度小于大约10mm，优选地小于大约5mm并且特别地 在大约lmm-2mm的范围内。
13、 根据上述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述涡流发生 体(2)具有大体上T形的横截面，其中，所述涡流发生体优选地由刚性的、抗腐蚀的材料制成，特别地是由钢或硬塑料制成。
14、 根据上述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述涡流发生 体(2)设置有光纤布拉格光栅传感器(3、 7、 FBG)的第二光纤布拉格 光栅(FBG)，所述第二光纤布拉格光栅被配置成作为感知温度变化的结 果而改变相应的光纤布拉格光栅传感器信号，其中，所述第二光纤布拉 格光栅(FBG)的纵向方向优选地相对纵向的通道方向大体上垂直地延 伸。
15、 根据上述权利要求中任一项所述的组件，其中，该组件包括多 个分开的涡流发生体(2)，各涡流发生体(2)都设置有所述光纤布拉格 光栅传感器(3、 7、 FBG)的所述的第一光纤布拉格光栅(FBG)，其中， 单个光纤(7)设置这些第一光纤布拉格光栅(FBG)。
16、 一种根据上述权利要求中任一项所述的组件的流量计，该流量 计具体地适用于利用与至少一个所述涡流发生体(2)的相应的第一光纤 布拉格光栅(FBG)相关的至少一个相应的光纤布拉格光栅(FBG)传 感器信号，通过确定由所述至少一个涡流发生体(2)在操作期间发生的 涡流(V)的卡门涡流频率(fK)来测量流体通道中的流体流速。
17、 一种测量流经通道(C)的流体的流体流速的方法，该方法包括 以下步骤在所述通道(C)中设置至少一个涡流发生体(2)，各涡流发生体(2) 在流经所述通道(C)的流体中从相应的涡流发生边缘产生卡门涡流(V);向所述涡流发生体(2)提供具有至少一个第一光纤布拉格光栅 (FBG)的光纤(7)，所述光栅被配置成取决于所述光栅所承受的应变 量来反射特定波长的光学信号，其中，由卡门涡流(V)产生的流体压力 变化导致相应的光纤布拉格光栅(FBG)所承受的应变的变化；向所述光纤(7)发送光学信号，所述信号具有在所述第一光纤布拉 格光栅(FBG)光栅承受预定量应变、例如没有应变的情况下，至少被 所述光栅部分地反射的波长；检测所述涡流发生体(2)的所述第一光纤布拉格光栅(FBG)反射 的光信号；以及处理所检测到的光学信号以根据所述检测到的信号的变化来确定所 述流体流速。
18、根据权利要求17所述的方法，该方法包括以下步骤利用所述光纤布拉格光栅(FBG)，测量所述涡流发生体(2)的表 面部分的表面应变变化。
全文摘要
一种包括流体通道与流量计的组件，所述流量计(1)包括至少一个在所述通道(C)中延伸的涡流发生体(2)，每个涡流发生体(2)被设置成在工作过程中在流经所述通道(C)的流体中产生卡门涡流(V)，其中，每个涡流发生体(2)设置有光纤布拉格光栅传感器(3、7、FBG)的第一光纤布拉格光栅(FBG)，其中，利用与产生所述涡流(V)的所述涡流发生体(2)的所述相应的光纤布拉格光栅(FBG)相关的光纤布拉格光栅(FBG)传感器信号，可检测到由所述涡流发生体(2)产生的所述涡流(V)的卡门涡流频率(fe)。
文档编号G01F1/32GK101632004SQ200780047600
公开日2010年1月20日 申请日期2007年12月18日 优先权日2006年12月22日
发明者沃特·希费尔利, 郑伦佳, 马里纳斯·卡洛勒斯·阿德里安努什·玛利亚·彼得斯 申请人:荷兰应用自然科学研究组织