高温压差型光纤流量传感器

宫继刚, 代志勇, 邓胜强, 窦金林, 杨留强, 田嘉宁

(1.中国石油长城钻探工程有限公司测井公司, 辽宁 盘锦 124011; 2.电子科技大学光电信息学院, 四川 成都 610054; 3.长江大学, 湖北 武汉 430100)

0 引 言

在高温、高压、高污染等恶劣环境下,传统的流量测量方式需要测量敏感件与待测流体直接接触,这类传感器很难满足使用环境的要求。因此,开展对应用于恶劣环境的高灵敏度流量测量新技术研究显得极为迫切。本文提出一种用于高温环境下生产测井的光纤流量传感器。通过利用压力敏感膜片结合迈克尔逊干涉仪两臂同时测量干涉光路结构,能直接获取流速压差,测量出流体的平均流速,实现高灵敏度的流量传感。该方法避免了传感光路与被测流体直接接触,能进行全金属密闭封装,进一步使用高温光纤,使该传感器不仅能实现高灵敏度的流量测量,而且能长期工作在300 ℃高温环境下。

1 光纤流量传感技术现状

流体流量测量方法主要分为容积式和质量式流量计,其中容积式流量计又分为压差式、涡轮式、涡街式等,而质量式流量计则主要是科里奥利流量计[1]。随着光纤传感技术的飞速发展,出现了大量以光纤传感器为基础的流量计,如光纤涡轮流量计、光纤涡街流量计、光纤多普勒流速计、光纤光栅流量计等[2-5]。尽管这些光纤流量传感器具有高灵敏度、抗电磁干扰的显著优势,但并未针对井下的高温、高压、高污染环境应用进行研究。

光纤涡轮流量计通过对涡轮叶片反射回光纤探头的激光脉冲计数实现流量测量,光路结构简单,但光束需要穿过石油作用于涡轮叶片,光损耗大,并且存在小流量涡轮无法启动的现象。光纤涡街流量计以光纤作为障碍物产生流体涡流,通过光纤对涡流特征检测实现流量测量,测量精度较高,但光路与被测介质直接接触,测量动态范围较小。光纤多普勒流速计通过对流体产生的光学多普勒频移量大小的检测,实现流体流速测量,测量精度高,但被测介质的光学反射特性影响测量精度。利用光纤光栅的应变敏感性可实现流体流量测量,测量精度和稳定性都非常高,但需要在流体中横向安装应变敏感元件,其元件同样难以适应高温、高压的测量环境要求。因此,这些光纤流量传感器还难以用于井下测量。

2 压差型光纤流量传感器传感原理

管道内流体流量定义为单位时间内流体流过管道横截面的体积或质量,分别称为体积流量或质量流量。在流量测量中,往往先测量出流体的流速,并通过计算得到流量。在流动的垂直管道流体内,任何一点处的全压是由静压和流体动压构成[6]。静压因流体深度不同产生与变化,动压则因管道内流体流动所导致,与流速、流体密度以及受力面积大小相关,即可表示为[7]

(1)

式中,p动为管道内某点处的流体动压;v为管道内对应点处的平均流速;k为阻力系数;ρ为流体密度。

流体动压与流体流速直接相关,获得流体动压就可获得流体流速,因此将流体动压称为流速压差。

采用如图1所示的流体动压测量结构。压力敏感头1的压力敏感元件迎着流体流动的方向以获取该点处流体的全压;压力敏感头2的压力敏感元件通过静压孔感知流体静压。当获得该点处流体的全压和静压后,则有[6]

(2)

式中,κ为流量系数;Δp为流体动压,或称为流速压差。

由式(2)可知,当提取出管道内某点的全压与静压后,就能获得流速压差,从而实现流体流速的测量,进一步可得到流量。

图1 流体流速压差测量原理示意图

为获取流体内某一点的全压和静压,压力敏感头采用弹性膜片作为敏感元件。在流体全压或静压作用下,弹性膜片产生微小应变。弹性膜片应变的大小与压力大小、膜片面积、膜片厚度等关系为

(3)

式中,F为作用于膜片上的压力;R为弹性膜片的有效半径;h为弹性膜片厚度;E为弹性膜片的弹性模量;ν为材料的泊松比;W为弹膜片的应变。把式(3)代入式(2),得

(4)

式中,k为膜片材料特性系数;W1、W2为2个传感器的压力敏感膜片的应变。

由式(4)可知,通过弹性敏感膜片,流体某点全压和静压的测量转化为2个弹性膜片应变的测量。为实现弹性膜片微小应变的高精度测量,光干涉测量是最为行之有效的方法,因此传感光路设计为迈克尔逊干涉仪结构,并使用双臂同时测量。在忽略迈克尔逊干涉仪两臂固定光程差的情况下,流速压差导致的两臂光波相位差表示为

(5)

式中,Δφ为光波相位差;n为光路折射率;λ为传感光源中心波长。把式(5)代入式(4)得

(6)

从上述分析中可知,采用压力敏感膜片结合迈克尔逊干涉仪两臂同时测量方法,实现流体动压到光波相位的直接调制,通过光波相位解调就可以提取出流体流速信息,实现流量的高精度测量。

3 传感器设计与技术要点分析

3.1 传感器设计

压差型光纤流量测试系统如图2所示。传感光源为具有一定相干长度的线偏振光源。光源输出的线偏振光经偏振控制器(PC)后,从2×2光纤耦合器(OC)的1端输入,被分为50%∶50%的2束光后分别从其3、4端口输出。3端口输出光束经过PZT(光波相位调制器)后,再经法拉第旋转器(FR1),并由压力敏感头1的弹性膜片反射回来;而4端口输出光束经过延迟补偿光纤后,再经法拉第旋转晶体(FR2),最后由压力敏感头2的弹性膜片反射回来。2路反射光由3、4端口进入OC,并在OC处发生干涉,干涉光强从2端口输出,由光电探测器转换为电信号。由于压力敏感头中的弹性膜片在流体压力作用下将产生应变,引起2光束光程差发生变化,2光束干涉后输出变化的光强。

图2 压差型光纤流量传感系统框图

传感器基本光路为由2×2光纤耦合器构成的迈克尔逊干涉仪,光纤耦合器的3、4端口分别与压力敏感头连接构成两测量臂。该传感光路的显著变化是采用了双臂同时测量。当2个压力传感器中的弹性膜片特性一致时,测量中因静压与温度交叉敏感所产生的光程变化被抵消,只保留流速压差所导致的光程变化。综上分析,采用迈克尔逊干涉仪2臂同时测量结构将流速压差直接调制到光波相位上,通过相位解调就能直接获得流体流速,即在光路上直接消除静压和温度效应对流速测量精度的影响,从而有利于提高测量的精度和动态范围。

传感器中压力敏感头是获取流速压差的关键部件,不仅直接影响传感器系统的灵敏度与可靠性,也影响其在高温、高压、污染等恶劣环境下的使用。压力敏感头组成结构如图3所示。自聚焦透镜对光纤的输出光进行准直,提高反射光到光纤的耦合效率,降低传感光路的损耗,其材料为二氧化硅,能长期工作高温下。高温光纤为Fibertronix公司的FX-PI-SM,能在300 ℃温度下长期工作。压力敏感头用不锈钢管加耐温400 ℃的高温无机胶灌装形成一个密封整体组件,使传感头具有耐高温、耐压和抗振能力。

图3 压力敏感头耐高温封装结构

3.2 偏振信号衰落

偏振信号衰落是一种因光波偏振态随机波动而导致干涉信号随机衰落的现象,将严重影响流速测量精度。由图2可知,传感器采用偏振控制结合法拉第旋转器的方法以消除偏振信号衰落。光源使用线偏振光源,并通过一个偏振控制器(PC)进行控制,同时在两测量臂中插入45 °法拉第旋转器,当光在测量臂中往返传输后将发生90 °的偏振态旋转,理论分析实验研究均表明该方法能使两测量臂互相抵消偏振态的变化[8],从而有效地消除随机偏振信号衰落现象,提高流量测量精度。

3.3 随机相位信号衰落

随机相位信号衰落是严重影响测量精度的另一重要因素,主要来源于光源相位随机波动、环境温度变化以及振动扰动等。传感器采用闭环直流相位补偿方式消除随机相位信号衰落。在干涉仪的某一测量臂上加入PZT(光纤相位调制器),该PZT一方面用于消除随机相位信号衰落;另一方面则用于静态工作点的调整,即保持两测量臂的光波相位差为2mπ±π/2,提高测量的灵敏度[9]。光电探测器的输出信号被分成2部分,一路作为信号输出,一路则经相位补偿控制环路处理后,输入到PZT,通过相位补偿消除随机相位信号衰落。实验表明传感器的相位补偿范围能达到±7π以上,相位补偿控制环路响应频率为1 kHz。从相位补偿范围和响应速度上保证了随机相位信号衰落的有效消除,保证了测量精度。

4 实验结果与分析

流量传感器实验装置如图4所示。将压力敏感头与信号解调光路端口相连。输出的电信号通过数据采集卡(采样率10 MHz、采样精度16 bit)转换成数字信号输入到计算机中,测定不同流量下的光波相位差,计算得到流体流速和流量。

图4 实验装置组成框图

流体流量控制系统采用标准的流量标定系统,其中管道内径为112 mm,流体为水。通过调节阀门大小可实现流量的精确控制。流量测试范围5～150 m3/d,重复测试,对测试数据进行处理。

实验结果如图5所示。实验结果表明传感器在流量5 m3/d处有明显的输出响应,但存在一定震荡,并且在5～10 m3/d间线性度较差;10～150 m3/d间线性度较好,但在160 m3/d逐渐出现一定的饱和现象。分析其原因是压力敏感膜片需要满足较大静压下对较小的流速压差响应,因此设计中膜片厚度控制是影响流速测量范围的关键,而膜片厚度和膜面均匀性的控制将影响传感器的线性度。

图5 实验装置测试结果图

测试范围内对流量进行标定后,选取10、40、100、150 m3/d的4个流量点,分别对每一流量点进行10次测量,计算出每一测量值与标准流量间的误差值,并用其中最大误差值与标准流量值的百分比作为该流量点的测量误差。实验结果表明每一流量点的测量误差均小于2%,因此传感系统的测量误差小于2%。为考核传感头耐高温性能,传感头处于通光工作状态,放置在350 ℃的高温恒温箱中,并监测其输出信号,在放置时间大于2 h后,再进行流量测试,测试结果表明传感器性能未见下降。因此采用高温光纤、高温无机胶,以及全金属结构封装等措施,使传感头能够长期工作在300 ℃环境下。如果采用耐更高温度的高温光纤和无机胶,还可进一步改善传感头的耐温性能。

5 结 论

(1) 提出了一种压力敏感膜片结合光干涉测量的压差型高温光纤流量传感器。其原理是采用迈克尔逊干涉仪两臂同时测量结构,能够有效消除静压和温度交叉敏感,实现流速压差的光波相位直接调制,提高测量的灵敏度和精度。

(2) 利用弹性膜片对流体的全压和静压进行敏感,避免光路与流体的直接接触,使传感光路能够进行全封闭封装,并保证传感器能工作在300 ℃高温环境下。

(3) 设计制作的压差型光纤流量传感器实现测量范围5～150m3/d,测量误差小于2%的流量测量。由于选用高温光纤与金属片作为传感元件,无需电子线路下井,该流量传感器具备了电绝缘性、抗电磁干扰、抗腐蚀、本质安全等特性。

参考文献:

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