ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
FIBRE-OPTIC PRESSURE SENSOR

Настоящее изобретение относится к области физики, в частности к средствам измерения давления рабочей среды, как жидкости, так и газа, и может найти применение при измерении давления на отдаленных объектах с передачей информации по волоконно-оптическому каналу связи, в частности для измерения давления скважинной жидкости в нефтяных и газовых скважинах.
Известны волоконно-оптические датчики давления, которые различаются размещением сенсорных элементов и, как следствие, передачей их деформации к оптическому волокну с решетками Брегга.
Так известен волоконно-оптический датчик для измерения давления, содержащий два трубчатых элемента (сенсоры), которые установлены один в другом соосно (Международная заявка №WO 1998N000358 с номером публикации WO 9932911 А1). На концах элементов закреплены участки оптического волокна, включающие дифракционные решетки Брегга. Деформация внутреннего трубчатого элемента обусловлена величиной давления рабочей среды и величиной температуры датчика, деформация наружного трубчатого элемента обусловлена только величиной температуры датчика.
Недостатками таких устройств является сложность монтажа сенсоров датчика, сложная юстировка устройства и необходимость индивидуальной тарировки каждого из сенсоров вследствие разнознаковой деформации двух последовательно установленных участков оптического волокна, оснащенных двумя решетками Брегга, жестко прикрепленных к двум подвижным точкам сенсоров и базовой точке корпуса датчика.
Наиболее близким заявляемому техническому решению является волоконно-оптический датчик давления, содержащий корпус, в котором закреплены два трубчатых элемента, имеющие, по меньшей мере, один заглушенный торец, и установленные в корпусе так, что второй торец первого трубчатого элемента соединен с корпусом и сообщается с каналом для подвода рабочей среды, а второй торец второго трубчатого элемента выполнен открытым и сообщается с внутренней полостью корпуса, в который пропущено оптическое волокно с двумя решетками Брэгга (Международная заявка №WO 2000CH00370 с номером публикации WO 0114843 А1).
Указанное техническое решение позволяет решать задачу измерения давления рабочей среды (жидкость или газ) с передачей информации по волоконно-оптическому каналу связи, однако оно имеет ряд существенных недостатков. Такими недостатками, кроме названных выше, является то, что конструкция датчика для обеспечения рабочего диапазона по величине измеряемого давления требует предварительного трудоемкого расчета геометрических параметров обоих трубчатых элементов исходя из соблюдения жестких рамок прочностных характеристик оптического волокна и частотных характеристик решеток Брегга. Это, в свою очередь, накладывает определенные ограничения на габариты датчика в зависимости от диапазона измеряемого давления. Конструкция датчика в процессе его монтажа требует строгого регламентированного предварительного натяжения оптического волокна с решетками Брегга, что значительно усложняет монтаж датчика и его юстировку.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в упрощении конструкции волоконно-оптического датчика давления и монтажа, при которых отсутствует необходимость юстировки его сенсорных элементов в процессе сборки, в упрощении схемы расчета давления с учетом поправки на изменение температуры датчика, а также в уменьшении габаритов датчика и, как следствие, в повышении надежности и точности измерения давления.
Поставленная задача решается путем создания волоконно-оптического датчика давления, содержащего корпус, в котором закреплены два трубчатых элемента, имеющие, по меньшей мере, один заглушенный торец и установленные в корпусе так, что второй торец первого трубчатого элемента соединен с корпусом и сообщается с каналом для подвода рабочей среды, а второй торец второго трубчатого элемента выполнен открытым и сообщается с внутренней полостью корпуса, через которую пропущено оптическое волокно с двумя решетками Брэгга, прикрепленное участками, содержащими решетки Брэгга, непосредственно к наружной цилиндрической поверхности трубчатых элементов так, что одна из решеток расположена на первом трубчатом элементе, а вторая - на втором.
Задача решается также тем, что второй трубчатый элемент пристыкован к первому с образованием заглушки между ними. Задача решается также тем, что второй трубчатый элемент закреплен на внутренней стенке корпуса. Задача решается также тем, что второй трубчатый элемент закреплен на внутренней стенке корпуса соосно первому.
Задача решается также тем, что трубчатые элементы выполнены из одного и того же материала и с идентичными геометрическими размерами. Задача решается также тем, что участки оптического волокна, оснащенные решетками Брэгга, сориентированы вдоль образующей цилиндрической поверхности трубчатых элементов.
Изобретение поясняется чертежами (Фиг.1-3). Волоконно-оптический датчик, представленный на Фиг.1, состоит из цилиндрического корпуса 1, внутренняя полость которого 2 герметично закрывается по торцам заглушками 3 и 4. Внутри цилиндрического корпуса 1 закреплено два трубчатых элемента (сенсора) 5 и 6. Первый трубчатый элемент 5 своим открытым торцом крепится к заглушке 3. Второй торец первого трубчатого элемента 5 закрывается заглушкой 7. Внутри заглушки 3 корпуса 1 выполнен канал 8 для подвода рабочей среды в полость первого трубчатого элемента 5. Таким образом, внутри трубчатого элемента 5 образуется полость 9, гидравлически связанная с измеряемой средой. Второй трубчатый элемент 6 своим заглушенным торцом 10 соосно соединяется с заглушенным торцом первого трубчатого элемента 5. Внутренняя полость второго трубчатого элемента 11 сообщается с внутренней полостью 2 корпуса 1. Оптическое волокно 12 с решетками Брегга 13 и 14 вводится в полость 2 корпуса 1 через отверстие 15 в заглушке корпуса 3 и выводится из него через отверстие 16 в заглушке корпуса 4. После сборки датчика отверстия 15 и 16 герметизируются.
Участки оптического волокна, в которых выполнены решетки Брегга 13 и 14, крепятся на внешней поверхности трубчатых элементов 5 и 6 таким образом, что участок оптического волокна с решеткой Брегга 13 крепится снаружи первого трубчатого элемента 5 на его цилиндрической поверхности в зоне его деформации, а участок оптического волокна с решеткой Брегга 14 крепится снаружи второго трубчатого элемента 6 также на цилиндрической поверхности в зоне деформации. При этом участки оптического волокна с выполненными в них решетками Брегга 13 и 14 сориентированы вдоль образующей цилиндрической поверхности трубчатых элементов 5 и 6. Жесткое крепление участков оптического волокна с решетками Брегга 13 и 14 к поверхности трубчатых элементов 5 и 6 выполняется посредством клеевой композиции 17.
Заявляемое техническое решение, в отличие от прототипа, где оптическое волокно с двумя решетками Брегга подвешивается между трех точек, соответствующих корпусу датчика и двум трубчатым элементам, имеющим разнонаправленную деформацию и которые могут работать на сжатие только при условии предварительного, строго дозированного натяжения оптического волокна, позволяет значительно упростить конструкцию датчика, его монтаж и юстировку. Это достигается за счет того, что решетка Брегга, жестко прикрепленная к трубчатому элементу в зоне его деформации, работает как на растяжение элемента, так и на его сжатие. Заявляемое техническое решение позволяет также значительно уменьшить габариты датчика, поскольку активная длина трубчатого элемента в зоне его деформации ограничивается длиной участка оптического волокна с решеткой Брегга, что составляет несколько миллиметров.
На Фиг.2 и Фиг.3 представлено заявляемое устройство в других возможных вариантах его исполнения. На Фиг.2 представлена схема датчика, в котором трубчатые элементы 5 и 6 (см. Фиг.1) образованы разделением цилиндрического элемента 18 заглушкой 19 на две части. Эта заглушка 19 формирует внутри указанного цилиндрического элемента 18 две полости 9 и 11. Указанная на Фиг.2 конструкция датчика позволяет упростить задачу достижения идентичности геометрических размеров и материала при выполнении двух трубчатых элементов 5 и 6. Это, в свою очередь, позволяет упростить конструкцию датчика и удешевить его изготовление.
На Фиг.3 представлена схема датчика, в которой трубчатые элементы 5 и 6 закреплены на внутренней стенке корпуса 1, в частности на заглушке 3. Указанная схема позволяет сократить габаритную длину датчика, что может быть полезно при решении ряда технических задач.
Сборка датчика и его элементов выполняется без промежуточных тарировок и юстировки и на завершающем этапе заключается в монтаже и герметизации заглушки 4 корпуса 1.
Работа волоконно-оптического датчика заключается в следующем.
Датчик помещают в рабочую среду, например в нефтяную скважину, заполненную скважинной жидкостью или газом. Рабочая среда через канал 8 поступает во внутреннюю полость 9 первого трубчатого элемента 5. В зависимости от величины давления и температуры среды, в которую помещен датчик, происходит деформация (удлинение) трубчатого элемента 5, которая фиксируется решеткой Брегга 13, жестко закрепленной на наружной цилиндрической поверхности трубчатого элемента 5. Величина деформации второго трубчатого элемента 6 обусловлена только температурой среды, в которую помещен датчик. Эта деформация фиксируется решеткой Брегга 14.
Преобразование деформации трубчатого элемента (сенсора) и решетки Брегга, жестко к нему прикрепленной, в оптический сигнал, его передача по волоконно-оптическому тракту к компьютеризированному прибору-регистратору для оптико-электронной обработки результатов измерения выполняется согласно традиционной схеме анализа обратного Рамановского рассеивания. Данная схема включает следующие основные блоки. Оптический блок, включающий лазерный высокочастотный излучатель, узел ввода в оптическое волокно лазерного излучения и вывода из него обратного отраженного излучения, узел оптического анализатора и фотоприемников. Электронный блок, включающий узел преобразования оптического сигнала в электронный, узел синхронизации основного импульсного излучения с обратным излучением, узел математической обработки результатов измерения, включающий ряд компьютерных программ и библиотек. Блоки визуализации результатов измерения и интерфейс для передачи результатов измерения операторам.
Основным условием и расчетными параметрами при конструировании датчика по предлагаемому техническому решению являются: обеспечение сопоставимости величины деформации трубчатого элемента (сенсора) с прочностными характеристиками оптического волокна на растяжение в зоне решетки Брегга и частотных характеристик решетки Брегга при максимальном уровне измеряемого давления. Для определенного типа оптического волокна это выполняется расчетом геометрических параметров трубчатого элемента (диаметр и толщина стенки, длина трубчатого элемента в зоне решетки Брегга) и материала, из которого изготовлен трубчатый элемент, с соответствующими деформационными характеристиками, в частности модулем Юнга.
Давление рабочей среды определяется по следующей схеме. Определяется деформация первого и второго трубчатых элементов (сенсоров) согласно основным положениям теории упругости. Как указано выше, деформация первого трубчатого элемента 5 определяется величинами давления рабочей среды и температуры датчика. Деформация второго трубчатого элемента 6 определяется только температурой датчика. Т.е. деформация первого трубчатого элемента характеризуется формулой:
1
p
t
Δl=Δl+Δl,
1
где Δl - деформация (удлинение) первого трубчатого элемента;
p
Δl - деформация в результате действия давления;
t
Δl - деформация в результате действия температуры.
Деформация второго трубчатого элемента характеризуется формулой:
2
t
Δl=Δl.
При выполнении первого и второго трубчатых элементов из одного и того же материала и с одинаковыми геометрическими размерами величина деформации, обусловленная изменением температуры, для первого и второго трубчатых элементов одинакова. Следовательно, величина деформации, обусловленная изменением давления, будет определяться простой зависимостью:
p
1
2
Δl=Δl-Δl.
Из этого следует, что величина давления рабочей среды определяется как разность деформаций первого и второго трубчатых элементов.
2
В процессе завершающей сборки и герметизации внутреннего пространства цилиндрического корпуса 1 заглушкой 4 пространство внутри корпуса 1 и, в частности полости 2 и 11, естественным образом заполняется, например, атмосферным воздухом. При величине абсолютного давления в корпусе, равного 1 кг/см, фиксируемое решетками Брегга давление характеризует избыточное давление рабочей среды относительно атмосферного. При этом делается предположение, что увеличение объема трубчатого элемента 5 в результате его максимального упругого удлинения при измерении максимальной величины давления, а также повышение давления внутри корпуса в результате нагрева датчика до максимальной рабочей температуры мало в сравнении с объемом внутреннего пространства корпуса и не приведет к повышению давления внутри корпуса и соответствующему искажению результатов измерения. С другой стороны, создание внутри корпуса 1 определенного давления, например вакуума, или подача в указанное пространство изменяющегося давления в соответствии с изменением основного измеряемого давления, характеризующего определенный технологический процесс, позволит использовать датчик для решения специальных задач.
Заключительным этапом изготовления датчика, после герметизации корпуса датчика и отверстий ввода и вывода оптического волокна, является тарировка трубчатых элементов (сенсоров) совместно с жестко прикрепленными к ним дифракционными решетками Брегга. Данные тарировки заносятся в соответствующий математический аппарат программного обеспечения компьютеризированного прибора-регистратора.
Основными отличиями заявляемого технического решения являются прежде всего крепление участков оптического волокна с решетками Брегга непосредственно на наружной цилиндрической поверхности трубчатых элементов (сенсоров), выполнение трубчатых элементов из одного и того же материала и с одинаковыми геометрическими размерами, а также возможность изготовления двух трубчатых элементов как одного трубчатого элемента, разделенного на две полости внутренней заглушкой. Все это значительно упрощает конструкцию датчика, его монтаж, а исключение операции по юстировке в свою очередь способствует изготовлению относительно дешевого датчика давления длительного применения, имеющего стабильные характеристики и не требующего промежуточного обслуживания и юстировки в процессе эксплуатации.
Предлагаемая конструкция волоконно-оптического датчика давления позволяет решить задачу качественного и надежного измерения давления рабочей среды отдаленных объектов с передачей информации по волоконно-оптическому каналу связи в режиме длительной, до нескольких лет, эксплуатации без промежуточных операций по обслуживанию и юстировке. Применение датчиков заявляемой конструкции возможно при проведении исследовательских работ и длительного мониторинга в нефтяных и газовых скважинах, на опасных объектах, где исключено присутствие человека в процессе их эксплуатации, например в зонах повышенной радиации или загазованности.