专利名称：非浸入式井下光纤流量监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器领域，尤其是非浸入式井下光纤流量监测领域。
背景技术：
在油田领域，流量的测量可以为生产测井动态监测，为石油生产和传输特性提供极其重要的参数，井下具有高温、高压等十分恶劣的环境，传统的电子流量计易出现故障， 而现有的光纤涡轮、涡街流量计是一种浸入式技术(如《分布式光纤流量测量装置与方法》 发明专利)，打破原有的系统流场，测量结果具有局限性。《分布式光纤流量测量装置与方法》发明专利测试原理如下
通过利用一根传感光纤将多个待测流场管道连接在一起，在每个流场里分别设置一个障碍物，流体遇到障碍物后将形成有规律的两列旋转方向相反的并排旋涡称为卡门旋涡。 此旋涡频率与流速成正比，解调基于Φ-光时域发射计的干涉机理，干涉信号反映出传感光纤的感应振动频率，此传感光纤受旋涡冲力的作用而作受迫振动，传感光纤中的产生的后向散射光信号相位也就此振动调制，通过解调出旋涡频率，从而可求出流场的流速。《分布式光纤流量测量装置与方法》发明专利不足之处流量的测量必须要在流场里设置障碍物，打破原有的系统流场。采用散射原理，解调信号的信噪比较低，低流速难以测量准确。
发明内容
基于以上不足，本发明提出了非浸入式井下光纤流量计，主要是采用了基于管道振动的非浸入式测量原理和光纤干涉原理。本发明的技术方案是一种非浸入式井下光纤流量监测系统，它包括利用光纤干涉仪测量相位变化并形成具有脉冲干涉信号的光路系统及与之相应的信号处理系统，还有与信号处理系统电连接的控制系统，其特性是仅将光路系统中传感器模块的传感光纤缠绕在油管外壁在不破坏原有系统流场的情况下进行流量的非浸入式监测。本方案的具体特点还有，所述光路系统包括光源驱动模块和与之连接的声光调制器模块，还包括将声光调制器模块和至少一个传感器模块连接在一起的光纤干涉仪模块， 所述传感器模块包括传感光纤和与之两端连接的光纤光栅。所述声光调制器模块将连续窄线宽激光调制为一定周期的脉冲光，送入到作为光纤干涉仪模块的马赫-曾德干涉仪有特定臂长差的两臂，形成两个脉冲激光，并进入η个传感器模块，经过η个传感器模块中的低反射率光栅的反射，最终在接收端形成与η个传感器模块相对应的脉冲干涉信号。传感器模块的传感光纤长度为马赫-曾德干涉仪有特定臂长差的一半，传感光纤的长度范围为50m 200m。根据光纤干涉原理可知光纤长度越长，相位监测灵敏度越高， 但是根据管壁振动测试理论是基于监测位置是近似一个点，缠绕在管壁管径是定值。光路系统使用声光调制器将连续激光调制为脉冲激光，并通过马赫曾德干涉仪实现信号的载波调制以及延时功能。载波调制是通过驱动相位调制器完成干涉信号的调制，延时功能通过特定的臂长差完成此功能，臂长差(AL)的计算是按照两路光在不同长度的光纤内传播的时间差(AT)来计算的，在本发明中，采用的时间差(AT)为I μ S，根据长度、时间、光速(C) 之间的关系AL =CX AT，其臂长差(AL)设定为210m。传感光纤紧密缠绕在油管外侧，根据管壁振动测试理论是基于监测位置是近似一个点的理论，将传感单元设计为宽度为5cm，层数为3层，并在传感单元两端焊接光纤光栅构成流量传感器。有η个传感器模块串联在一起，n ^ 2，具体结构是指第一个传感器模块需要在传感光纤前端连接第一光栅，在传感光纤后端端连接第二光栅，第二个传感器模块将传感光纤的前端与第二光栅连接，并在第二个传感器模块的传感光纤后端连接第三光栅，第三个传感器模块将传感光纤的前端与第三光栅连接，并在第三个传感器模块的传感光纤后端连接第四光栅，以此类推至第η个传感器模块。该光路系统能够同时检测多个流场流量。所述声光调制器模块将连续窄线宽激光调制为一定周期的脉冲光，送入到作为光纤干涉仪模块的马赫-曾德干涉仪有特定臂长差的两臂，形成两个脉冲激光，并进入传感器模块，经过 η个传感器模块中的低反射率光栅的反射，最终在接收端形成与η个传感器模块相对应的脉冲干涉信号。所述控制系统是指单片机控制模块C8051F410，单片机完成对声光调制器的控制、 对信号采集模块的时分复用开关的控制以及完成用于相位调制的调制信号的控制功能。所述的信号处理系统包括连通单片机控制模块和PGC解调模块的信号发生模块、 与光路系统连接的信号接收模块，信号接收模块输出信号经信号采样模块送至PGC解调模块。光源驱动模块，采用恒流驱动窄脉宽DFB模块的方式，其中光源采用 EP1550-NLW-B系列IOOKHz线宽的DFB激光器。使用微分交叉相乘式相位载波技术进行了相位解调。所述发明涉及一种非浸入式光纤流量监测系统，利用管道振动测试原理和光纤干涉技术实现了流量的非浸入式监测。所述发明的管道测量基本原理如下
权利要求
1.一种非浸入式井下光纤流量监测系统，它包括利用光纤干涉仪测量相位变化并形成具有脉冲干涉信号的光路系统及与之相应的信号处理系统，还有与信号处理系统电连接的控制系统，其特性是仅将光路系统中传感器模块的传感光纤缠绕在油管外壁在不破坏原有系统流场的情况下进行流量的非浸入式监测。
2.根据权利要求I所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是所述光路系统包括光源驱动模块和与之连接的声光调制器模块，还包括将声光调制器模块和至少一个传感器模块连接在一起的光纤干涉仪模块，所述传感器模块包括传感光纤和与之两端连接的光纤光栅。
3.根据权利要求2所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是所述声光调制器模块将连续窄线宽激光调制为一定周期的脉冲光，送入到作为光纤干涉仪模块的马赫-曾德干涉仪有特定臂长差的两臂，形成两个脉冲激光，并进入传感器模块，经过传感器模块中的低反射率光栅的反射，最终在接收端形成一系列具有干涉信号的脉冲信号。
4.根据权利要求I所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是传感器模块的传感光纤长度为马赫-曾德干涉仪有特定臂长差的一半，传感光纤的长度范围为50m 200m。
5.根据权利要求4所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是传感光纤紧密缠绕在油管外侧宽度为5cm，层数为3层，并在传感单元两端焊接光纤光栅构成流量传感器。
6.根据权利要求2所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是有η个传感器模块串联在一起，n ^ 2，具体结构是指第一个传感器模块需要在传感光纤前端连接第一光栅，在传感光纤后端端连接第二光栅，第二个传感器模块将传感光纤的前端与第二光栅连接，并在第二个传感器模块的传感光纤后端连接第三光栅，第三个传感器模块将传感光纤的前端与第三光栅连接，并在第三个传感器模块的传感光纤后端连接第四光栅，以此类推至第η个传感器模块。
7.根据权利要求I所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是所述控制系统是指单片机控制模块C8051F410，单片机完成对声光调制器的控制、对信号采集模块的时分复用开关的控制以及完成用于相位调制的调制信号的控制功能。
8.根据权利要求I所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是所述的信号处理系统包括连通单片机控制模块和PGC解调模块的信号发生模块、与光路系统连接的信号接收模块，信号接收模块输出信号经信号采样模块送至PGC解调模块。
9.根据权利要求2所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特征是光源驱动模块， 采用恒流驱动窄脉宽DFB模块的方式，其中光源采用EP1550-NLW-B系列IOOKHz线宽的DFB 激光器。
10.根据权利要求I所述的非浸入式井下光纤流量监测系统，其特性是使用微分交叉相乘式相位载波技术进行了相位解调。
全文摘要
一种非浸入式井下光纤流量监测系统，它包括利用光纤干涉仪测量相位变化并形成具有多个脉冲干涉信号的光路系统及与之相应的信号处理系统，还有与信号处理系统电连接的控制系统，仅将光路系统中传感器模块的传感光纤缠绕在油管外壁在不破坏原有系统流场的情况下进行多个管道流场流量的非浸入式监测。采用了基于管道振动测量原理光纤干涉原理，使用光纤干涉技术将振动加速度信号转化为光相位信号，探测器将光相位的变化转变为光强的变化，采用分时采样技术找出脉冲干涉信号与管道流场的对应关系，最后采用微分交叉相乘式相位载波技术解调出相应管道流场的相位信息，实现了流量监测。
文档编号G01F1/20GK102587897SQ20121007021
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者刘小会, 孙宝全, 尚盈, 张国玉, 王昌, 赵文安 申请人:山东省科学院激光研究所