СБОРОЧНЫЙ УЗЕЛ ВИХРЕВОГО РАСХОДОМЕРА КАРМАНА, СОДЕРЖАЩИЙ ДАТЧИК ВОЛОКОННОЙ РЕШЕТКИ БРЭГГА, И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
SUBASSEMBLY OF KARMAN VORTEX FLOW METRE, HAVING FIBRE BRAGG GRATING SENSOR AND METHOD OF MEASURING FLOW RATE OF FLUID MEDIUM

Изобретение относится к сборочному узлу, содержащему канал для текучей среды и расходомер, и к способу измерения расхода текучей среды.
При разработке нефтяных и газовых скважин с целью повышения дебита в пласты нефтяного/газового месторождения часто закачивается вода или пар. Желательно, чтобы информация о параметрах потока в трубопроводах для закачивания воды/пара была доступной. Однако существует только ограниченное количество расходомеров, пригодных для размещения в скважинах, которые являются очень дорогими, громоздкими и сложными (см., например, систему, описанную в патенте US patent № 6,691,584 B2).
Кроме того, JP200387451 (Hishida Yasuyuki) описывает оптический датчик для скорости потока, причем индуктированное поток изгибание гибкого детектирующего стержня, который изгибается в направлении потока, обнаруживается с использованием волоконных решеток Брэгга. Калибровка этого датчика будет относительно сложной процедурой из-за его конфигурации, поскольку зависимость между изгибанием и расходом является нелинейной и, более того, требуется дополнительная решетка Брэгга, чтобы обеспечить температурную компенсацию. Кроме того, этот датчик не является очень точным из-за типа измерения (измерение натяжения с помощью амплитуды FBG отраженного сигнала датчика) и поскольку гибкость стержня может со временем изменяться, приводя со временем к погрешности измерения. Кроме того, этот датчик недостаточно хорошо подходит для использования в скважинах.
Настоящее изобретение направлено на решение этих проблем. В частности настоящее изобретение направлено на обеспечение сборочного узла и метода, в котором расход потока текучей среды может быть точно измерен, предпочтительно в относительно широком диапазоне, используя относительно недорогие, компактные и долговечные средства.
Для этой цели согласно варианту осуществления изобретения сборочный узел характеризуется параметрами, описанными в п.1 формулы изобретения.
Предпочтительно расходомер содержит, по меньшей мере, один вихреобразователь, проходящий в канал, при этом каждый вихреобразователь выполнен с возможностью генерирования вихрей Кармана в текучей среде, протекающей через канал в течение работы, при этом каждый вихреобразователь обеспечивается первой волоконной решеткой Брэгга (FBG) датчика волоконной решетки Брэгга, при этом частота вихрей Кармана, сгенерированная вихреобразователем, является обнаруживаемой с помощью сигнала датчика волоконной решетки Брэгга, относящегося к соответствующей первой волоконной решетке Брэгга вихреобразователя. Также, например, путем объединения нескольких датчиков потока FBG, может быть обеспечен массив датчиков, использующий единственное проводящее волокно.
Было также обнаружено, что настоящий сборочный узел может обеспечить высокоточные результаты измерения расхода, которые очень хорошо воспроизводятся. Кроме того, расходомер настоящего сборочного узла (в частности, вихреобразователь и соответствующая часть волоконной решетки Брэгга) может быть сделан компактным и долговечным, поэтому расходомер может также быть обеспечен относительно недорогими средствами.
Основная идея, стоящая за настоящим изобретением, заключается в том, что волоконная решетка Брэгга, как часть расходомера, может быть просто интегрирована с вихреобразователем Кармана. Расходомер может еще точно определять скорость потока текучей среды, определяя частоту вихря Кармана из сигнала датчика, относящегося к соответствующей волоконной решетке Брэгга. Частота Кармана обеспечивает очень надежное измерение скорости потока, т.к. эта частота и скорость потока текучей среды имеют, как правило, линейную зависимость одна от другой, особенно в определенных диапазонах скорости текучей среды, которые являются обычными при использовании в скважинах. Кроме того, сигнал датчика FBG может быть обработан с помощью относительно простых средств обработки, чтобы установить частоту Кармана как обнаруженную единичной соответствующей FBG.
Использование волоконных решеток Брэгга в расходомерах для воды, как токовых, известно, например, из публикации «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). Однако эта публикация уводит от настоящего изобретения, предлагая идею применения, по меньшей мере, двух отдельных консольных датчиков FBG, расположенных ниже по течению относительно плохообтекаемого тела, при этом требуются соответствующие сигналы датчика, подвергающиеся взаимной корреляции, чтобы обнаружить время задержки и при этом скорость потока, которая выводится из расстояния между двумя датчиками FBG и временем задержки. Эта известная система является дорогой, сложной, подверженной механическим неисправностям, занимает много места и поэтому также неудобна при монтаже. Кроме того, эта система может лишь обнаруживать расходы текучей среды, текущей в одном направлении.
Кроме того, согласно варианту осуществления изобретения обеспечивается расходомер сборочного узла согласно изобретению, при этом расходомер специально приспособлен для измерения расхода текучей среды в каналах для текучей среды путем определения частоты вихрей Кармана, которые образованы, по меньшей мере, одним вихреобразователем в течение работы, при этом используется, по меньшей мере, один соответствующий сигнал датчика волоконной решетки Брэгга, относящейся к соответствующей первой волоконной решетке Брэгга вихреобразователя. Расходомер хорошо адаптирован к экстремальным условиям работы (высокая температура и давление), характерных для работы в скважинах, поскольку датчик решетки Брэгга делает необязательным использование электронных устройств скважины.
Также обеспечивается способ измерения расхода текучей среды, протекающей через канал. Способ может, например, использовать расходомер, согласно изобретению и, в частности, содержит:
- обеспечение, по меньшей мере, одного вихреобразователя в канале, при этом каждый вихреобразователь образует вихри Кармана в текучей среде, протекающей через канал;
- обеспечение вихреобразователя волокном, имеющим, по меньшей мере, одну первую волоконную решетку Брэгга, при этом решетка конфигурирована таким образом, чтобы отражать оптический сигнал определенной длины волны, в зависимости от величины натяжения, которому решетка подвергается; при этом изменения давления текучей среды, появившиеся в результате вихрей Кармана, приведут к изменению натяжения, которому подвергается соответствующая волоконная решетка Брэгга;
- передачу оптического сигнала к волокну, сигнал, имеющий определенную длину волны, должен быть, по меньшей мере, частично отражен первой волоконной решеткой Брэгга в случае, что решетка подвергается заранее заданной величине натяжения, например, отсутствием натяжения;
- обнаружение оптического сигнала, который отражен первой волоконной решеткой Брэгга вихреобразователя; и
- обработку обнаруженного оптического сигнала, чтобы определить расход текучей среды, из изменений обнаруженного сигнала.
Предпочтительно способ включает в себя измерение изменений натяжения поверхности вихреобразователя, используя волоконную решетку Брэгга.
Дополнительные преимущественные варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Эти и другие аспекты изобретения станут понятными и будут разъяснены со ссылкой на неограничивающие варианты осуществления изобретения, описанные в дальнейшем и показанные на чертежах.
Фиг. 1 изображает продольное поперечное сечение варианта осуществления изобретения;
Фиг. 2 изображает поперечное сечение по линии II-II фиг.1;
Фиг. 3 показывает продольное, схематическое поперечное сечение по линии III-III фиг.1;
Фиг. 4 - вид в перспективе вихреобразователя варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 1;
Фиг. 5 - продольное поперечное сечение вихреобразователя, показанного на фиг. 1;
Фиг. 6 - вид спереди вихреобразователя, показанного на фиг. 4;
Фиг. 7 - поперечное сечение по линии VII-VII фиг. 6; и
Фиг. 8 - график измеренной образующей частоты относительно скорости потока, в качестве примера.
Подобные или соответствующие детали обозначены подобными или соответствующими ссылочными позициями в настоящей заявке.
Фиг.1-6 изображают неограничивающий вариант осуществления сборочного узла, содержащего канал С для текучей среды и расходомер 1.
Канал С для текучей среды (например, трубопровод для текучей среды, труба, напорный трубопровод) может быть выполнен с возможностью проводить текучую среду, например газ, газовую смесь, воздух, жидкость, жидкую смесь, воду, пар. В конкретном варианте осуществления изобретения канал С может быть расположен, чтобы закачивать текучую среду в нефтяное или газовое месторождение, однако специалисту в данной области техники будет понятно, что канал С может быть использован для многих других применений. В настоящем варианте осуществления изобретения канал С имеет по существу круговое поперечное сечение, имеющее диаметр (ширину) W. Канал также может иметь различные конфигурации, например иметь прямоугольное или квадратное сечение, или другое сечение, как будет оценено специалистом в данной области техники.
Расходомер 1 выполнен с возможностью измерения расхода текучей среды, протекающей через канал С в течение работы. Для этой цели расходомер 1 содержит, по меньшей мере, один вихреобразователь 2 (на представленных чертежах показан только один вихреобразователь), проходящий в канал С. В дополнительном варианте осуществления изобретения, сборочный узел имеет множество разнесенных вихреобразователей 2, чтобы обнаруживать расходы в различных местоположениях канала С. В этом случае параметры расхода могут быть обнаружены с помощью расходомера 1, например определить или оценить количество текучей среды, которая закачивается в определенные части (слои) нефтяного или газового месторождения. Например, вихреобразователь 2 может перекрывать значительную часть канала (см. чертеж) или только его часть, что может быть воспринято специалистом в данной области техники.
Каждый вихреобразователь 2 выполнен с возможностью генерирования вихрей V Кармана в текучей среде, протекающей через канал С в течение работы (см. фиг. 3). Направление потока текучей среды обозначено на фиг. 3 стрелкой Y. В частности, каждый вихреобразователь 2 содержит плохообтекаемое тело 2, имеющее два края t срыва вихрей, предпочтительно, по существу параллельные, острые боковые края. Плохообтекаемое тело 2 может быть расположено, чтобы иметь эти края t расположенными в положении вверх по течению по отношению к остающейся части плохообтекаемого тела (как на фиг. 3), или альтернативно, в положении вниз по течению (например, в том случае, если направление потока, изображенного на фиг. 3, было изменено на противоположное). В настоящем варианте осуществления изобретения плохообтекаемое тело 2 жестко прикреплено к стенке 11 канала.
k
k
Расходомер 1, главным образом, основывается на принципе вихреобразования на препятствии (плохообтекаемое тело 2), помещенном в протекающую текучую среду (см. фиг. 3). Пограничный слой может возникать на обеих сторонах плохообтекаемого тела 2 благодаря вязкости и может разделяться на точках разделения, обеспеченных краями t. В течение работы вихри V могут срываться попеременно на обеих сторонах тела 2, с частотой f образования вихрей. Как известно из уровня техники, частота f образования вихрей пропорциональна скорости U потока, в соответствии со следующим уравнением 1:
f<sub>k</sub>=St (U/D<sub>b</sub>)
(1)
b
где St - это безразмерное число Струхаля, U - скорость потока (м/с), и D- диаметр/ширина плохообтекаемого тела (м).
Общеизвестно, что число Струхаля St является характеристикой для определенной формы плохообтекаемого тела и остается постоянной величиной в относительно большом диапазоне числа Рейнольдса, поэтому соотношение между скоростью потока (м/с) и частотой образования вихрей является линейной в широком диапазоне скорости потока. Например, настоящий вариант осуществления изобретения может быть использован при скоростях потока, находящихся в диапазоне от 0,5 до 5 м/с (диапазон изменения 1:10), и, например, может иметь рабочие температуры, варирующиеся от 20 до 350°С, при различных рабочих давлениях. Кроме того, расходомер 1 может быть конфигурирован, чтобы использоваться вне этих диапазонов скорости и температуры, что будет оценено специалистом в данной области техники. Пограничный слой может управляться за счет выбора тела 2 вихреобразователя, на котором точно определяются точки разделения, путем формирования острых краев t на теле 2.
Плохообтекаемое тело 2 может быть изготовлено из различных материалов. Например, плохообтекаемое тело 2 может быть изготовлено из жесткого, коррозионностойкого материала, в частности подходящего металла, сплава, стали или жесткого пластика, усиленного пластика, например оно может быть изготовлено из нержавеющей стали или алюминия (нержавеющая сталь предпочтительна для применения в скважинах по причине получения хорошей долговечности), и/или других подходящих материалов.
Фиг.4-7 более детально показывают преимущественный вариант осуществления конфигурации плохообтекаемого тела/вихреобразователя. Чтобы получить линейное соотношение между скоростью потока и вихреобразованием, настоящее тело 2 вихреобразователя обеспечивает хорошо определенные линии (края) t срыва и имеет практически Т-образное поперечное сечение. Для этой цели, в частности, вихреобразователь 2 был обеспечен первой частью 2А (т.е. верхней частью Т Т-образной формы) и второй частью 2В (т.е. центральной линией Т Т-образной формы), при этом первая часть имеет два края t срыва, и вторая часть является разделительным элементом 2В текучей среды.
И первая, и вторая части 2А, 2В вихреобразователя могут иметь различные конфигурации. Первая и вторая части 2А, 2В вихреобразователя, предпочтительно, изготовлены из одинакового материала, однако это не является необходимым.
Предпочтительно первая часть 2А тела вихреобразователя является жесткой, предпочтительно практически сплошной частью 2А, которая жестко зафиксирована (т.е. практически неподвижна в течение работы) на стенке 11 канала С. Первая часть 2А тела вихреобразователя содержит переднюю поверхность, простирающуюся по существу поперечно относительно продольного направления канала (т.е. направлению Y потока текучей среды, протекающей через канал С при его использовании), при этом боковые стороны передней поверхности являются линиями t срыва вихрей вихреобразователя 2.
В настоящем варианте осуществления изобретения длина L1 первой части 2А тела вихреобразователя по существу или почти равна диаметру/ширине Х1 канала для потока (см. фиг. 1), так, чтобы стенки канала С действовали как концевые пластины краев t для срыва потока (т.е. противоположные концы каждого края t срыва потока располагались у соответствующей части стенки 11 канала или близко к ней). Таким образом, первая часть 2А плохообтекаемого тела 2 проходит от первой внутренней части 11а стенки канала С до противоположной второй внутренней части 11b стенки канала С, как показано на фиг. 1 и 2, и, предпочтительно, через центр канала С. Здесь, например, все еще может существовать узкая щель между концом плохообтекаемого тела 2 и стенкой канала, например щель Z, имеющая ширину около 1 мм или меньше, как обозначено на фиг. 1.
Например, в износостойкой конфигурации, первая часть 2А плохообтекаемого тела может быть прочно зафиксирована одним концом (или альтернативно обоими концами) на части стенки канала (или частях стенки), например, с помощью зажима, клеящего вещества, сварки, подходящей стыковки, с помощью болтового соединения, посредством разъемного соединения, комбинированного соединения, и/или другим способом. В настоящем варианте осуществления изобретения один конец первой части 2А тела вихреобразователя прикрепляется к установочной структуре 9, которая прочно присоединяется к первой части стенки канала. Например, установочная структура может включать в себя первую установочную часть 9а, для удерживания плохообтекаемого тела 2, вторую установочную часть 9b, которая прикрепляется к первой части 9а через три первых болта 13а, которые разнесены друг от друга в виде треугольной конфигурации, и третью установочную часть 9с, которая взаимно присоединяется с установленной второй частью 9b к стенке 11 канала. Кроме того, стенка 11 канала может содержать отверстие 12 для введения плохообтекаемого тела 2, удерживаемого первой установочной частью 9а, в канал С. Установочная структура 9 может быть сконфигурирована, чтобы обеспечивать герметичное уплотнение отверстия 12 после установки.
В другом варианте осуществления изобретения длина L1 соответствующей части 2А плохообтекаемого тела может быть значительно меньше, чем диаметр/ширина Х1 канала потока, при этом плохообтекаемое тело 2 может содержать одну или более концевых пластин, проходящих в боковом направлении относительно краев t срыва вихрей, для управления граничным слоем на плохообтекаемом теле 2.
b
b
В дополнительном варианте осуществления изобретения (см. фиг. 3) расстояние Dмежду двумя краями (линиями) t срыва вихрей, измеренных в поперечном направлении относительно продольного направления канала, является большим, чем десятая часть ширины Х2 канала С для текучей среды, измеренного в том же направлении, например, она составляет около четверти ширины канала С для текучей среды, при этом упомянутое ранее расстояние Dмежду двумя краями (линиями) t срыва вихрей, предпочтительно, является меньшим, чем половина ширины Х2 канала С. Поскольку в настоящем варианте осуществления изобретения канал С имеет круглое поперечное сечение, то упомянутая ранее ширина Х2 канала С равна вышеупомянутой ширине канала, которая обозначена на фиг. 1 стрелкой Х1.
Продольное поперечное сечение первой части 2А тела вихреобразователя, предпочтительно, является практически треугольным (как на фиг. 3, 7) или в виде усеченного треугольника, или может иметь другую форму.
Предпочтительно, чтобы вторая часть 2В тела вихреобразователя имела конфигурацию панели, рейки или листа, имеющего практически прямоугольную форму (такую, как в настоящем варианте осуществления изобретения). Например, вторая часть 2В вихреобразователя может быть выполнена с такими размерами, чтобы из трех перпендикулярных направлений одно перпендикулярное направление (толщина К) было бы значительно меньше (например с множителем, составляющим, по меньшей мере, 50), чем второе и третье перпендикулярные направления (длина L2 и ширина G).
Также предпочтительно, чтобы вторая часть 2В вихреобразователя простиралась практически в продольном направлении канала и имела две поверхности, принимающие давление текучей среды, отвернутые друг от друга и при этом сформированные таким образом, чтобы поочередно воспринимать вызываемые вихрями изменения давления в течение работы (см. фиг. 3), и подвергаться натяжению посредством этих изменений давления. В настоящем варианте осуществления изобретения, в частности, изменения давления вызывают вибрацию и/или деформацию второй части 2В вихреобразователя, являющейся перпендикулярной направлению Y потока (другими словами: индуцированная вихрем деформация и/или вибрация части 2В вихреобразователя, будет находиться главным образом, в поперечных направлениях этой части 2В и обозначается двойной стрелкой q на фиг. 3, т.е. вибрация и/или деформация, которая по существу является перпендикулярной поверхности, воспринимающей давление этой части 2В вихреобразователя), при этом деформация и/или вибрация приводят к натяжению поверхности во второй части 2В вихреобразователя.
В настоящем варианте осуществления изобретения вторая часть 2В вихреобразователя проходит по центру относительно первой части 2А вихреобразователя перпендикулярно относительно поверхности плохообтекаемого тела, содержащее два края t срыва, и предпочтительно, проходит через центр канала С после установки. Например, внешние контуры плохообтекаемого тела, включая первую и вторую части 2А, 2В, могут быть по существу зеркально симметричны относительно продольной центральной зеркальной плоскости, как в настоящем изобретении.
В настоящем варианте осуществления изобретения одна поперечная сторона (нижняя сторона этой части на фиг. 5А) второй части 2В вихреобразователя проходит на одном уровне с соответствующей стороной первой части 2А вихреобразователя (см. фиг. 5). Однако другая поперечная сторона первой части 2В вихреобразователя разнесена с установочной структурой 9 (см. фиг. 5), расстояние между ними обозначено стрелкой Н на фиг. 5.
Вторая часть 2В вихреобразователя является частью 2B, воспринимающей изменение давления, или деформирующейся частью, которая выполнена с возможностью воспринимать вызываемые вихрями изменения давления в течение работы. В частности, вихри Кармана могут индуцировать изменения натяжения во второй части 2В вихреобразователя (обозначено стрелкой q на фиг. 3), и если более точно, то на их частях поверхности (т.е. индуцированные вихрем изменения давления в течение работы, приводят к натяжению поверхности второй части 2В вихреобразователя). Например, вторая часть 2В вихреобразователя может быть немного эластично деформируемой при работе таким образом, чтобы эта часть 2В вихреобразователя осуществляла небольшие колебания q при работе, благодаря тому, что она воспринимает изменения давления, относящиеся к вихрям, при этом небольшие колебания q приводят к изменяющемуся натяжению двух боковых (воспринимающих давление) поверхностей второй части 2В вихреобразователя. Было обнаружено, что эти изменения натяжения являются особенно относительно высокими в зоне, которая примыкает к первой части 2А вихреобразователя (т.е. в месте соединения с первой частью 2А вихреобразователя).
В дополнительном варианте осуществления изобретения воспринимающая изменения давления часть (т.е. вторая часть) 2В вихреобразователя 2 содержит две поперечные стороны, которые разнесены с противоположными частями для продольного ограничения потока (которые включают в себя часть стенки канала для одной поперечной стороны вихреобразователя и часть установочной структуры для другой поперечной стороны вихреобразователя в настоящем варианте осуществления изобретения). Например, на фиг. 1 расстояние Z между (на чертеже) нижней поперечной стороной прямоугольной части 2В вихреобразователя и стенкой 11 канала, предпочтительно, находится в диапазоне около 0,1-10 мм, особенно около 1-2 мм, а ширина Н щели между (на фиг. 1) верхней поперечной стороной прямоугольной части 2В вихреобразователя и поверхностью первой установочной части 9а также, предпочтительно, находится в диапазоне около 0,1-10 мм, особенно около 1-2 мм. Поэтому поперечные стороны второй части 2В вихреобразователя свободны от противоположных ограничивающих поток поверхностей, чтобы изменения давления, индуцированные вихрями, могли привести к изменениям натяжения поверхности и/или колебаниям второй части 2В вихреобразователя. В частности, индуцированные вихрями изменения давления могут вызвать вибрацию и/или деформацию вихреобразователя, при этом вибрация и/или деформация может явиться причиной натяжения поверхности.
Таким образом, предпочтительно, чтобы длина L2 второй части 2В вихреобразователя (измеренная в параллельном направлении относительно линий t срыва) была немного меньше, чем длина L1 первой части 2А вихреобразователя, при этом разница в длине будет находиться, например, в диапазоне около 0,1-20 мм, особенно около 1-2 мм (см. фиг. 5).
Длина L2 второй части 2В вихреобразователя, предпочтительно, больше, чем ширина G внешней секции (хвостовидной секции) этой части 2В, при этом ширина G измеряется в направлении вдоль канала (см. фиг. 5; здесь ширина G второй части 2В вихреобразователя является шириной секции этой части, которая выходит наружу из первой части вихреобразователя и служит в качестве секции вихреобразователя, воспринимающей изменения давления текучей среды). Например, длина L2 второй части 2В вихреобразователя может находиться в диапазоне около 1,5-2-кратной величины от вышеупомянутой ширины G этой части 2В. Хорошие результаты были обнаружены в том случае, когда L2 находится в диапазоне 1,7-1,9-кратного значения G, в частности длина L2 равна ширине G, умноженной на 1,8.
Кроме того, также было выявлено, что хорошие результаты могут быть получены в том случае, когда толщина К второй части 2В вихреобразователя (измеренная в поперечном направлении) составляет значение, меньшее чем около 10 мм, предпочтительно меньшее чем около 5 мм и особенно в диапазоне около 1-2 мм (см. фиг. 7).
Первая и вторая части 2А, 2В вихреобразователя могут быть соединены друг с другом различными методами. Например, первая и вторая части вихреобразователя могут быть выполнены как единая деталь. Кроме того, первая и вторая части 2А, 2В вихреобразователя могут быть соединены с помощью клея, сварки, болтового соединения (как на фиг. 1-7 варианта осуществления изобретения, с помощью болтов 6), крепления с помощью зажима, фиксации с помощью силового замыкания, фиксации с помощью геометрического замыкания, комбинации этих способов и/или другим способом. В настоящем варианте осуществления изобретения вторая часть 2В вихреобразователя содержит внутреннюю секцию, которая заходит в первую часть 2А вихреобразователя и закрепляется в ней, и вышеописанную внешнюю секцию (имеющую упомянутую ранее ширину G), которая выходит наружу, за пределы первой части 2А вихреобразователя, чтобы воспринимать индуцированные вихрями изменения давления. Предпочтительно, как следует из чертежа, чтобы вышеупомянутая внешняя (хвостовая) секция второй части 2В вихреобразователя являлась по существу непрерывной, обеспечивающей по существу непрерывные (постоянные) воспринимающие давление поверхности.
Предпочтительно, чтобы первая и вторая части 2А, 2В вихреобразователя были сконфигурированы таким образом, чтобы соответственно вихревые изменения давления могли индуцировать относительно большие изменения натяжения в определенную зону вихреобразователя (например, внешней секции второй части 2В вихреобразователя, которая примыкает к первой его части 2А).
k
Кроме того, каждый вихреобразователь 2 обеспечивается первой волоконной решеткой Брэгга FBG датчика 3, 7 FBG волоконной решетки Брэгга. В течение работы частота f образования вихрей Кармана вихрей V, генерируемых вихреобразователем 2, является обнаруживаемой через использование сигнала датчика волоконной решетки Брэгга, относящегося к соответствующей первой волоконной решетке Брэгга FBG этого вихреобразователя 2. Предпочтительно, чтобы первая волоконная решетка Брэгга FBG прикреплялась к секции вихреобразователя 2, которая испытывает относительно большие изменения натяжения поверхности благодаря индуцированной вихревыми изменениями давления вибрации/деформации в течение работы, и выполнена с возможностью обнаружения этих изменений натяжения.
Кроме того, в дополнительном варианте осуществления изобретения волоконная решетка Брэгга FBG соответствующего вихреобразователя 2 располагается, чтобы воспринимать вышеупомянутые изменения давления, особенно через индуцированные изменениями давления изменения натяжения, второй части 2В вихреобразователя 2, воспринимающей изменения давления, и чтобы изменять соответствующий сигнал датчика волоконной решетки Брэгга в результате восприятия изменений давления. Предпочтительно, чтобы волоконная решетка Брэгга FBG была установлена близко к месту стыка или заходила в него, или была бы встроена в него, при этом воспринимающая давление поверхность второй части 2В вихреобразователя должна быть чувствительной к вышеупомянутому натяжению поверхности, которое вызвано деформацией/вибрацией частью 2В вихреобразователя в течение работы.
Преимущественно первая волоконная решетка Брэгга FBG разнесена с поверхностью срыва вихрей (которая содержит две линии t для срыва вихрей) соответствующего вихреобразователя 2. Также предпочтительно, чтобы местоположение первой волоконной решетки Брэгга FBG было разнесено относительно двух поперечных сторон второй части 2В вихреобразователя.
Кроме того (как следует из фиг. 5), продольное направление первой волоконной решетки Брэгга FBG, предпочтительно, охватывает угол, меньший чем 90° относительно направления потока текучей среды в течение работы, например угол, меньший чем 30°, и предпочтительно, угол, меньший чем 5°. В настоящем варианте осуществления изобретения угол между продольным направлением первой волоконной решетки Брэгга FBG и направлением Y потока текучей среды составляет около 0°.
В частности часть, воспринимающая изменения давления/вторая часть 2В вихреобразователя полностью включает в себя изогнутую часть 8 волокна, проходящую, по меньшей мере частично, по криволинейной траектории и содержащую первую волоконную решетку Брэгга FBG (см. фиг. 4-5). Первая секция 8а изогнутой части 8 волокна, предпочтительно, проходит короткое расстояние от свободного края Е вихреобразователя, который отвернут от образующей вихри поверхности вихреобразователя 2, в, по существу, перпендикулярном направлении относительно продольного направления канала (см. фиг. 5). Вторая секция 8b части 8 волокна, предпочтительно, расположена около образующей вихри поверхности вихреобразователя 2 и проходит по существу параллельно продольному направлению канала. В настоящем варианте осуществления изобретения эта вторая секция 8b содержит первую волоконную решетку Брэгга FBG. В частности криволинейная траектория части волокна, обеспеченная на/в вихреобразователе 2, содержит первый изгиб А1, чтобы проводить волокно от места входа на первой части 2А вихреобразователя по направлению к свободному краю Е вихреобразователя, и последующий второй изгиб А2 (имеющий направление изгиба, противоположное направлению первого изгиба), чтобы проводить волокно от свободного края Е вихреобразователя назад, к первой части 2А вихреобразователя к местоположению решетки Брэгга, которая разнесена с местоположением входа.
В дополнительном варианте осуществления изобретения (не показано) волокно может быть дополнительно изогнуто (например, чтобы сделать по существу полную петлю вдоль и/или через вихреобразователь 2) и может быть направлено назад, по направлению к стенке 11 канала и через удерживающую структуру 9, например, чтобы переходить на другой вихреобразователь, чтобы обеспечить другую первую решетку Брэгга в/на этом другом вихреобразователе 2. В этом случае местоположение (точка) входа волокна может также обеспечивать местоположение выхода волокна.
В частности, в настоящем варианте осуществления изобретения установочная структура 9 содержит сквозное отверстие 15 (см. фиг. 5), чтобы пропускать волокно 7 из зоны, находящейся снаружи канала С, к вихреобразователю 2. Первая часть 2А вихреобразователя может содержать подобное отверстие, чтобы принять часть волокна 7. Вторая часть 2В вихреобразователя может содержать криволинейную канавку 5 или отверстие, чтобы удерживать изогнутую часть 8 волокна, содержащую первую волоконную решетку Брэгга FBG. В дополнительном варианте осуществления изобретения сквозное отверстие 15 может также быть использовано для того, чтобы снова вывести из канала волокно 7 из вихреобразователя 2, через стенку 11 канала к другому местоположению, например к другому вихреобразователю (не показано).
Например канавка 5 приема волокна вихреобразователя 2 может иметь меньшую глубину, чем толщина К второй части 2В вихреобразователя, например глубина меньше чем 1 мм, например около 0,4 мм. Например глубина канавки 5 приема волокна может быть меньше чем половина толщины К второй части 2В вихреобразователя, чтобы расположить решетку FBG близко к и/или в боковой поверхности этой части 2В. Предпочтительно, чтобы изогнутая часть 8 волокна была, по существу, вмещенной в соответствующую часть 2В вихреобразователя. Часть 8 оптического волокна, имеющая решетку Брэгга FBG, может быть прикреплена к соответствующей канавке 5, используя подходящий клей, например термически отверждаемую смолу, эпоксидную смолу или другой тип клея. Предпочтительно, чтобы канавка 5 приема волокна была выполнена с возможностью удерживания соответствующей части волокна, в основном, по существу плотно. В неограничивающем варианте осуществления изобретения ширина канавки 5 может составлять около 1 мм.
Подобным образом сборочный узел может иметь модульную конфигурацию, при этом сборочный узел может включать в себя множество вихреобразователей 2, причем каждый вихреобразователь 2, предпочтительно, снабжен вышеупомянутой первой решеткой Брэгга FBG датчика волоконной решетки Брэгга. В этом случае моноволокно 7 может просто обеспечиваться всеми из первых волоконных решеток Брэгга FBG различных вихреобразователей 2, при этом волокно 7 может проходить от одного вихреобразователя к другому, чтобы передавать сигналы датчиков.
b
Работа датчика волоконной решетки Брэгга, как такового, известна специалистам в данной области техники. В варианте осуществления изобретения каждая волоконная решетка Брэгга FBG сконфигурирована таким образом, чтобы в основном отражать одну определенную длину волны оптического сигнала, переданного по направлению к решетке FBG через волокно 7, и в основном чтобы пропускать все другие длины волн. Здесь длина волны отраженного света зависит от отклонения коэффициента преломления в решетке FBG. Отраженная длина волны называется длиной волны Брэгга λ и задана формулой:
b
eff.
λ=2 nΛ (2)
eff
где n- эффективный коэффициент преломления оптической волны, распространяющейся в волокне 7, а Λ - период решетки.
b
k
Натяжение, температура и давление могут изменять свойства оптоволокна, и, таким образом, отраженную длину волны λ. Например амплитуда сигнала датчика является мерой величины натяжения, испытанной решеткой FBG в течение работы. В настоящем варианте осуществления изобретения, в частности, отраженная длина волны используется как мера скорости потока, при этом изменения этой длины волны являются обнаруживаемыми (т.е. изменения амплитуды отраженного сигнала датчика), которые могут быть достигнуты относительно простым способом, чтобы определить вышеупомянутую частоту f Кармана.
Например, волокно 7 может быть стандартным оптическим волокном с одной или более решеток Брэгга FBG, имеющих минимальный радиус изгиба около 2-3 см и длину N решетки (см. фиг. 5) для каждой решетки Брэгга FBG приблизительно 2 см. Как может быть оценено специалистом в данной области техники, волокно 7 может также иметь меньший радиус изгиба и/или более короткую решетку. Например, преимущественно, длина N первой волоконной решетки Брэгга может быть около 1 см.
В настоящем варианте осуществления изобретения первая решетка FBG в основном используется для обнаружения изменяющегося натяжения в вихреобразователе 2, при этом результирующее изменение в соответствующем сигнале датчика может быть обработано, чтобы определить скорость U потока текучей среды. Предпочтительное местоположение для первой решетки FBG находится в начале хвостовой части 2В вихреобразователя 2, сразу за (усеченным треугольником) второй частью 2А вихреобразователя (см. фиг. 5, 7), поскольку было обнаружено, что в течение работы индуцированные вихрями Кармана изменения натяжения будут самыми большими на этой секции хвостовой части 2В вихреобразователя.
Предпочтительно, чтобы вся первая решетка FBG могла иметь практически однородное натяжение при работе, которое достигается за счет позиционирования решетки FBG, по существу, параллельно продольному направлению канала. Однако, на практике, в настоящем варианте осуществления изобретения натяжение не обязательно должно быть в целом постоянным по всему волокну, чтобы получить точные результаты измерения. Однако, благодаря тому, что измеряемым параметром является частота (т.е. изменение амплитуды, а не амплитуда как таковая), то изменения амплитуды определенного отраженного сигнала не воздействуют на итоговый результат измерения потока. Этот результат является противоположным тому, который может быть получен с помощью устройства, показанного в JP 200387451, в случае которого амплитудный сигнал датчика отраженного сигнала может иметь большую погрешность из-за неоднородного натяжения решетки.
b
b
Настоящий сборочный узел может включать в себя подходящую систему 3 датчиков (например, содержащую один или более подходящих процессоров и/или анализаторов), как, например, коммерчески доступная система компании Deminsys Commercial, при этом система датчиков оптически присоединенная с оптическим волокном 7. Система 3 датчиков может быть выполнена с возможностью генерирования и передачи оптического сигнала в волокно 7, сигнал, имеющий длину волны (т.е. вышеупомянутую длину волны Брэгга), который должен быть, по меньшей мере частично, отражен первой волоконной решеткой Брэгга FBG в том случае, если решетка была подвергнута заданной величине натяжения, например, при отсутствии натяжения. В том случае, когда сборочный узел включает в себя различные волоконные решетки FBG, имеющие различные длины волн λ Брэгга, оптический сигнал может быть мультиплексирован различными частями сигнала, имеющими эти различные длины волн λБрэгга, таким образом различные решетки FBG могут быть использованы одновременно и независимо друг от друга с помощью системы 3 датчиков.
Кроме того, система 3 датчиков может быть выполнена с возможностью обнаружения оптического сигнала, который отражается каждой первой волоконной решеткой FBG Брэгга вихреобразователя(ей) 2, и обработки обнаруженного оптического сигнала(ов), чтобы определить расход текучей среды из изменений обнаруженного сигнала(ов).
В течение работы варианта осуществления изобретения, изображенного на фиг. 1-7, поток текучей среды будет индуцировать образование вихрей на вихреобразователе 2, что будет вызывать колебания давления в хвостовой части 2В плохообтекаемого тела 2. Из-за колебаний давления в хвостовой части будут возбуждаться колебания, которые будут приводить к колебаниям натяжения поверхности хвостовой части 2В и, таким образом, к колебаниям натяжения неразъемный первой волоконной решетки Брэгга FBG (предпочтительно установленной на соответствующей поверхности второй части 2В вихреобразователя или близко к ней, чтобы измерять это натяжение поверхности). Натяжение поверхности, в результате этих колебаний, будет измерено. Это измерение может быть просто осуществлено системой 3 датчиков, передающих оптический сигнал, имеющий длину волны Брэгга FBG первой волоконной решетки Брэгга вихреобразователя 2 в волокно 7 и обнаруживающих соответствующий оптический сигнал, который отражается первой волоконной решеткой Брэгга FBG. Обнаруженный оптический сигнал затем обрабатывается, чтобы обнаружить изменения обнаруженного сигнала (эти вариации являются результатом изменяющегося натяжения, которое испытывает решетка FBG), чтобы определить расход текучей среды, исходя из этих изменений, используя приведенное выше уравнение 1. Таким образом, применяется единственный датчик FBG для обнаружения расхода в определенном местоположении канала С для текучей среды, при этом, например, нет сложной взаимной корреляции различных сигналов датчика решетки, которые должны быть в этом случае выполнены.
k
flow
k
flow
Фиг.8 показывает график измеренной образующей частоты f по отношению к скорости потока экспериментов, выполненных для настоящего варианта осуществления изобретения. В этом эксперименте скорость U потока текучей среды, протекающей через канал С, была установлена на 11 различных заданных значениях (от 0 до 5,5 м/с с шагом изменения 0,25 м/с), и результирующий сигнал датчика FBG обрабатывался, чтобы обнаружить частоту Кармана. Как следует из фиг. 8, проводятся три различных сеанса экспериментов и все обеспечивают одинаковый линейный график обнаруженной частоты f в зависимости от скорости U потока. Надежные данные могут быть получены для низких скоростей потока (0,5 м/с в настоящем примере), также как и для высоких скоростей (5,5 м/с в настоящем примере).
Из вышесказанного следует, что настоящая заявка обеспечивает волоконный оптический вихревой расходомер 1, при этом в варианте осуществления изобретения натяжение, являющееся результатом образования вихрей, может быть измерено с помощью датчика волоконной решетки Брэгга (Fiber Bragg Grating-FBG). Этот датчик может использовать относительно маленькую секцию стандартного оптического волокна 7, таким образом нет необходимости использовать электронику, работающую в скважине, поскольку сигнал датчика может быть направлен напрямую к поверхности. Преимущества оптического вихревого расходомера заключаются в том, что этот расходомер, по существу, является безопасным и невосприимчивым к электромагнитным помехам. Плохообтекаемое тело 2 может иметь практически Т-образную форму, содержащую часть 2А в виде усеченного треугольника с длинной хвостовой частью 2В, прикрепленной к ней. Хвостовая часть 2В этого тела, предпочтительно, выполнена тонкой, насколько это возможно, чтобы увеличить ее деформацию и, следовательно, натяжение, измеренное датчиком. Расходомер 1 может определять однородные потоки (жидкости или газа), например, воды, пара или других текучих сред.
Было обнаружено, что настоящий вариант осуществления изобретения может обеспечить оптимальную конструкцию плохообтекаемого тела в отношении линейности измерения и качества сигнала, при этом FBG может обеспечить сигнал датчика с обнаруживаемой информацией колебания натяжения на протяжении относительно больших диапазонов скорости потока. Таким образом, датчик может обеспечить точные измерения скорости потока и является очень чувствительным к изменениям скорости потока.
Также, например, практически Т-образная форма обтекаемого тела, такого, как в настоящем варианте изобретения, является оптимальной конфигурацией плохообтекаемого тела, чтобы генерировать натяжение. Отклонение прямоугольной секции в виде пластины плохообтекаемого тела 2В может быть относительно высоким. Кроме того, Т-образная форма обтекаемого тела является также единственной формой, которая может быть использована для соединения группы расходомеров с одним оптоволокном. Кроме того, было обнаружено, что эта форма может обеспечить очень хорошее соотношение сигнал/шум для сигнала датчика в течение работы.
В дополнительном варианте осуществления изобретения часть волокна, которая была присоединена к вихреобразователю 2, может содержать другие волоконные решетки Брэгга, например, для обнаружения температуры. В варианте осуществления изобретения вихреобразователь 2 может быть обеспечен второй волоконной решеткой Брэгга FBG2 системы 3, 7 датчика волоконной решетки Брэгга, при этом вторая волоконная решетка Брэгга FBG2 сконфигурирована таким образом, чтобы изменять соответствующий сигнал датчика решетки Брэгга в результате восприятия и оценки температурных изменений. С этой целью продольное направление второй волоконной решетки Брэгга FBG, предпочтительно, проходит практически перпендикулярно относительно продольного направления канала.
Например, дополнительная вторая решетка FBG2 может быть расположена в местоположении вихреобразователя, которое практически не подвержено действию вихрей Кармана. На фиг. 5 два возможных места расположения для температурной решетки обозначены стрелками FBG2. Например, может быть обеспечена вторая волоконная решетка FBG2 в вышеупомянутой первой секции 8а изогнутой части 8 волокна, или около входной (и возможно, также выходной) точки около стенки 11 канала.
Альтернативно сборочный узел также может быть обеспечен другим оптическим волокном, которое не включает в себя вышеупомянутую первую решетку FBG, но включает в себя вторую решетку и удерживает вторую решетку в потоке текучей среды для определения температуры жидкости.
Кроме того, согласно дополнительному варианту осуществления изобретения настоящее изобретение может быть использовано для определения массового расхода, например, следуя идеям публикации «Изучение измерения удельного массового расхода, основанного на принципе образования вихрей» H. Zhang et al. Flow Measurement and Instrumentation 17 (1), 2006, использующей результаты измерения показаний датчика давления (не показан в настоящей заявке), расположенного впереди по ходу течения относительно вихреобразователя 2 (и разнесенного с вихреобразователем 2).
Хотя иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения были описаны очень подробно, в соответствии с сопроводительными чертежами, понятно, что изобретение не ограничивается этими вариантами изобретения. Различные изменения или модификации могут быть произведены специалистом в данной области техники, не отступая от объема и сущности запатентованного изобретения, как определено в формуле изобретения.
Также должно быть понятно, что в настоящей заявке термин «comprising» (содержащий) не исключает другие элементы и шаги. Также каждый из терминов, употребленных в единственном числе, не исключает множества. Любое из ссылочных обозначений в пунктах формулы изобретения не будет толковаться как ограничивающее объем изобретения.
Вихреобразователь 2/плохообтекаемое тело может быть выполнен с различными размерами в различных направлениях и может иметь различные формы. Например первая часть вихреобразователя может иметь практически треугольную форму поперечного сечения, форму поперечного сечения в виде усеченного треугольника различного поперечного сечения.
Также, например, первая часть 2А плохообтекаемого тела 2 может быть прикреплена к стенке 11 канала только одним концом, или, при желании, противоположными концами.
Кроме того, например, вихреобразователь 2 необязательно должен включать в себя вторую часть 2В. Согласно варианту осуществления изобретения вихреобразователь 2 только включает в себя первую часть 2А (частично имеющую два края t для срыва вихрей), при этом первая часть 2А содержит, по меньшей мере одну (первую) волоконную решетку Брэгга FBG.
Специалист в данной области техники оценит, что сборочный узел может работать, когда вихреобразователь 2 полностью заходит в канал, или, например, в случае, если вихреобразователь 2 только частично вставлен в канал (например, около 0,25 части диаметра/сечения канала).