Распределенные оптические датчики давления и температуры



Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры
Распределенные оптические датчики давления и температуры

 


Владельцы патента RU 2473874:

БЕЙКЕР ХЬЮЗ ИНКОРПОРЕЙТЕД (US)

Изобретение относится к оптоволоконным технологиям. Техническим результатом является повышение точности измерения давления и температуры. Несущий элемент имеет измерительный участок, содержащий полость и, по меньшей мере, одну геометрическую неоднородность. На несущем элементе при приложении давления к измерительному участку вблизи геометрической неоднородности создается концентрация напряжения. К части геометрической неоднородности приклеен оптический датчик. Полость может быть заполнена жидкостью или гелем. Вблизи оптического датчика давления может быть также введен оптический датчик температуры. 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Перекрестная ссылка на родственные патентные заявки

Настоящая заявка является частичным продолжением не временной патентной заявки США 11/960,007, зарегистрированной 19.12.2007, по которой заявлен приоритет временной патентной заявки 60/885,048, зарегистрированной 16.01.2007. Эти основные заявки полностью включены в данную заявку в качестве ссылок.

Уровень техники

Изобретение в общем относится к оптоволоконным технологиям. В частности, изобретение относится к оптическому волокну, содержащему на своей длине датчики давления и температуры.

Распространенные в настоящее время электронные датчики измеряют различные величины, такие как рН, цвет, температура или давление, что составляет только небольшую часть списка. Для систем, в которых требуется цепочка электронных датчиков, расположенная на большой длине, например от двадцати до тридцати километров, становится затруднительным подавать к ним питание. Традиционно подача питания к электронным датчикам требует прокладки электрического провода от источника энергии к каждому электронному датчику. Обеспечение электронных датчиков питанием нереально для нефтегазовой промышленности. Например, проложенные на большое расстояние электрические провода являются объектом воздействия значительного числа влияющих факторов и шумов, что снижает точность электронных датчиков.

Оптические волокна стали предпочтительным средством связи на больших расстояниях благодаря их превосходным параметрам по светопропусканию и простоте изготовления волокна длиной во много километров. Кроме того, передаваемый свет может быть использован для опроса датчиков, что устраняет необходимость в протяженных электрических проводах. Это особенно важно в нефтегазовой промышленности, где для мониторинга условий в стволе скважины используют цепочки электронных датчиков.

В результате в нефтегазовой промышленности пассивные волоконно-оптические датчики используют для проведения различных скважинных измерений, например измерений давления или температуры. Оптическое волокно, содержащее группу оптических волокон, входящих в волоконно-оптическую систему, может быть использовано для передачи информации из скважин в процессе бурения, а также из скважин после их заканчивания. В оптическое волокно может быть введен одноточечный волоконно-оптический датчик температуры-давления. Отдельные оптические волокна подробно описаны в международной заявке PCT/US 04/28625 "Оптический датчик с совмещенными датчиками давления и температуры". Эта заявка целиком включена в данную заявку в качестве ссылки.

Дополнительно по длине оптического волокна может быть записана группа слабо отражающих внутриволоконных брэгговских решеток, или на длине оптического волокна может быть введен одноточечный датчик Фабри-Перо. По волокну направляется оптический сигнал, который отражается и (или) рассеивается в обратном направлении, чтобы быть принятым и проанализированным с целью определения распределения его параметров по длине оптического волокна. С использованием этой информации могут быть получены результаты скважинных измерений, включая, но не ограничиваясь этим, температуру, давление и химический состав среды.

Для слабо отражающих внутриволоконных брэгговсих решеток, записанных на длине оптического волокна, не существует эффективного несущего средства для решеток и размещения этих датчиков в скважине, поэтому существует потребность в создании такого средства.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в создании несущего средства для оптического волокна, на котором записана или другим способом нанесена группа оптических датчиков. Такие оптические волокна могут тянуться на большие расстояния и могут быть размещены в нефтяных или газовых скважинах.

В частности, в соответствии с настоящим изобретением оптические датчики прикреплены к несущему элементу, предпочтительно в основном цилиндрическому элементу, такому как шланг или полая трубка, имеющая одно или несколько геометрических неоднородностей, в которых могут возникать концентрации напряжения. Датчики измеряют деформацию, вызванную концентрациями напряжения, и измеренная деформация коррелируется с давлением, приложенным к несущему средству и датчикам.

В одном из вариантов выполнения изобретения геометрические неоднородности включают тонкостенные секции, сформированные на стенке цилиндрического несущего элемента. Поведение тонкостенной секции аналогично поведению мембраны, реагирующей на приложенное давление, которое может быть давлением внутри несущего средства или вне его.

В другом варианте выполнения геометрические неоднородности включают изменения или деформации кругового поперечного сечения цилиндрического несущего средства. Примерами таких геометрических неоднородностей могут служить, но не ограничиваться этим, одна или несколько в основном плоских частей секции, одна или несколько вогнутых частей, одна или несколько выпуклых частей, один или несколько изгибов или их сочетание. Опционно, геометрические неоднородности могу включать овальность или многоугольность поперечного сечения. В этом варианте выполнения изобретения стенка цилиндрического несущего элемента предпочтительно не утончена, и секция цилиндрического несущего элемента холодной обработкой или штамповкой превращена в секцию с одной или несколькими геометрическими неоднородностями.

В другом варианте выполнения изобретения геометрические неоднородности включают круговое поперечное сечение, выполненное из по меньшей мере двух различных материалов. Эти материалы могут иметь разные плотности и (или) разные модули Юнга.

В еще одном варианте выполнения геометрические неоднородности включают круговое поперечное сечение, в котором по меньшей мере одна часть несущего элемента имеет отличающуюся плотность.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематически вид в перспективе распределенных оптических датчиков, переносимых на части толстостенной капиллярной трубки в соответствии с настоящим изобретением, причем само оптическое волокно и датчики для простоты не показаны;

на фиг.2 - сечение капиллярной трубки по линии 2-2 с фиг.1;

на фиг.3А - сечение капиллярной трубки по линии 3-3 с фиг.1;

на фиг.3Б - другой вариант выполнения, соответствующий фиг.3А;

на фиг.4 - другое сечение капиллярной трубки в продольном направлении по линии 4-4 с фиг.1;

на фиг.5А - вид в перспективе другого распределенного оптического датчика;

на фиг.5Б - поперечное сечение датчика с фиг.5А по линии 5Б-5Б;

на фиг.5В - картина сжатия-растяжения для варианта выполнения с фиг.5А и

на фигурах 6А-6З - альтернативные варианты выполнения датчиков с фигур 3А-3Б и 5А-5Б.

Подробное описание осуществления изобретения

Как показано на прилагаемых чертежах и подробно рассмотрено ниже, настоящее изобретение относится к оптическим датчикам, распределенным вдоль оптического волокна. В соответствии с настоящим изобретением на оптическом волокне сформирована группа датчиков температуры/давления. Хотя могут быть использованы любые типы датчиков, такие как внутренний или внешний датчик Фабри-Перо или внутриволоконные брэгговские решетки, предпочтительно использовать внутриволоконные брэгговские решетки, так как они могут быть легко записаны на оптическом волокне. Оптическое волокно с распределенными по нему оптическими датчиками предпочтительно транспортируют на боковой стенке капиллярной трубки. Оптический датчик и трубка могут тянуться на большие расстояния, например в несколько километров или миль, и могут проходить на всю глубину нефтяной и газовой скважины. В предпочтительном варианте выполнения капиллярная трубка представляет собой толстостенную металлическую трубку, обычно используемую для транспортировки дискретного оптического датчика (датчиков) давления и температуры, такого как внутренний или внешний датчик Фабри-Перо.

На фиг.1 в соответствии с первым вариантом выполнения представлена толстостенная металлическая капиллярная трубка 10. Капиллярная трубка 10 может быть любой длины, и в одном из иллюстративных вариантов трубка 10 имеет наружный диаметр примерно 0,250 дюйма (6,35 мм) и внутренний диаметр примерно 0,185 дюйма (4,70 мм). Может быть использована капиллярная трубка любой толщины при условии, что ее толщина достаточна для удержания оптического волокна и оптического датчика. Трубка 10 имеет продольную прорезь 12, проходящую по всей ее длине. Прорезь 12 должна иметь толщину, достаточную для того, чтобы в ней можно было нести оптическое волокно с оболочкой (оболочками), причем толщину достаточно малую, чтобы не оказывать значительного влияния на конструктивную целостность капиллярной трубки 12. Обычно прорезь 12 может быть выполнена механической обработкой или прорезана в общераспространенной капиллярной трубке, как показано на фиг.2. Вдоль поверхности трубки 10 в заданных местоположениях изображены участки 14, соответствующие геометрическим неоднородностям, таким как тонкостенные секции. Как лучше всего видно на фигурах 3А и 3Б, часть боковой стенки трубки 10 удалена механической обработкой, так чтобы образовалась тонкостенная секция 16, действующая как мембрана, чувствительная к разнице давлений на ней. Тонкостенная секция 16 может иметь плоскую поверхность, как показано на фигурах 1 и 3А, или на поверхности тонкостенной секции 16 может сохраняться прорезь 12, как показано на фиг.3Б. Хотя показаны только два профилированных участка 14, на трубке 10 может быть выполнено любое их число. Расстояние между соседними профилированными участками 14 может быть выбрано таким, чтобы соответствовать местам, где необходимо проводить измерения давления и температуры. В одном из вариантов выполнения это расстояние может составлять пару сантиметров и более.

Альтернативно прорезь 12 может отсутствовать, и оптическое волокно может волнообразно прикрепляться к капиллярной трубке 10 в виде змейки для поглощения теплового расширения (сжатия) трубки 10. Прикрепление может быть непрерывным или в отдельных точках. Альтернативно оптическое волокно 20 и оптические датчики, нанесенные на него, могут прикрепляться к внутренней поверхности трубки 10.

На каждом профилированном участке 14 на оптическом волокне 20 сформирован по меньшей мере один датчик, например внутриволоконная брэгговская решетка 18, как лучше всего видно на фиг.4. Внутриволоконная брэгговская решетка 18 скреплена с тонкостенной секцией 16 на наружной или внутренней поверхности трубки любым известным способом, например, лазерной сваркой или с помощью эпоксидного или другого клея, так чтобы при изгибе или деформации тонкостенной секции 16 внутриволоконная брэгговская решетка также изгибалась или деформировалась. Внутриволоконная брэгговская решетка может быть покрыта металлом путем вакуумного осаждения металла на датчике или другим известным способом. Опционно, внутреннее пространство 22 герметизировано или оформлено таким образом, чтобы в нем сохранялось в основном постоянным опорное давление (Pref). При изменении давления снаружи капиллярной трубки 10 разность давлений изгибает тонкостенную секцию 16, действующую как мембрана. Внутриволоконная брэгговская решетка 18 также изгибается вместе с тонкостенной секцией 16 и изменяет при этом частоту отраженного от нее оптического сигнала. Поверхностный измерительный блок (не показан) воспринимает измененную частоту и считывает значение давления на профилированном участке 14/тонкостенной секции 16.

В альтернативном варианте выполнения капиллярная трубка 10 и внутреннее пространство 22 разделены на несколько герметичных сегментов, например, стенками или мембранами, перпендикулярными продольной оси капиллярной трубки, аналогично стволу бамбука. На каждом сегменте может располагаться один или несколько оптических датчиков. Преимущество разбиения внутреннего пространства 22 на сегменты заключается в том, что при его прорыве, то есть при воздействии на внутреннее пространство скважинного давления, такому воздействию подвергнется только нарушенная часть, а остальная часть капиллярной трубки останется герметичной, сохраняя работоспособность других оптических датчиков.

Между соседними профилированными участками 14 оптическое волокно 20 предпочтительно свободно уложено или помещено в прорезь 12, как лучше всего видно на фиг.4. Свободное расположение оптического волокна 20 между профилированными участками 14 создает резерв для компенсации теплового расширения и сжатия металлической капиллярной трубки 10 и обеспечивает провис волокна, необходимый при намотке капиллярной трубки 10 на барабаны. Величина провиса может быть определена по коэффициенту теплового расширения материала капиллярной трубки 10 и (или) по радиусам барабанов. При желании вблизи внутриволоконной брэгговской решетки 18 может размещаться вторая внутриволоконная брэгговская решетка 24, предназначенная для измерения изменений температуры. Другими словами, внутриволоконная брэгговская решетка 18 изгибается вместе с тонкостенной секцией 16 при измерении давления (деформации), а внутриволоконная брэгговская решетка 24 измеряет изменения температуры для компенсации влияния температуры на показания решетки 18.

В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения геометрическая неоднородность включает некруговое поперечное сечение или поперечное сечение, имеющее некруговую часть. Для цилиндрических или сферических сосудов, подвергающихся воздействию давления, общеизвестно, что кольцевое поперечное сечение способно оптимально поглощать внутреннее или внешнее давление.

Если стенка такого сосуда относительно тонкая, то обычное круговое напряжение для сосуда выражается как:

σh=Pr/t

где σh - круговое напряжение (кг/см),

Р - давление, прикладываемое к сосуду,

t - толщина стенки и

r - средний радиус цилиндра.

Смотри Е.Р.Popov "Mechanics of Materials," 2nd Ed., Prentice-Hall, 1976, pp.288-292 (И.П.Попов "Механика материалов").

Если стенка такого сосуда не тонкая, напряжение в толстостенном цилиндре при воздействии разности давлений выражается формулой Ламе в виде:

σr=A-B/r2=-Pr

σh=A+B/r2

и

где А и В - константы, определяемые значениями Р1, Р2, r1, r2, /2, -

r - переменная при построении кривой изменения напряжения в диапазоне от r1 до r2,

σr - радиальное напряжение на радиусе r и

σh - кольцевое напряжение на радиусе r.

Здесь r1 - внутренний радиус толстостенного цилиндра и P1 - давление на этом радиусе и r2 и Р2 - наружные радиус и давление. Смотри Е.Р.Popov "Mechanics of Materials," 2nd Ed.. Prentice-Hall, 1976, pp.557-564 (И.П.Попов "Механика материалов").

Как показано выше, если поперечное сечение кольцевое (то есть внутренний и наружный радиусы в основном постоянны), напряжение на цилиндрическом сосуде в радиальном направлении в основном постоянное, но если в кольцевом поперечном сечении присутствуют геометрические неоднородности (то есть или внутренний радиус, или наружный радиус или оба они изменяются), то могут возникнуть более высокие локальные напряжения или концентрации напряжений на этих геометрических неоднородностях или вблизи них. В соответствии с данным вариантом выполнения изобретения способность к образованию концентраций напряжения используется для выполнения измерений сжатия/растяжения на геометрических неоднородностях или вблизи них. Результаты этих измерений сжатия/растяжения могут быть скоррелированы с давлением, приложенным к сосуду или трубке, если вблизи этих геометрических неоднородностей разместить такие датчики, как оптический датчик 18.

Пример геометрической неоднородности приведен на фиг.3А, на которой внутренний радиус в радиальном направлении трубки 10 в основном постоянен, включая тонкостенную секцию 16, но при этом наружный радиус, обозначенный как R01 и R02, изменяется в радиальном направлении. Концентрация напряжения возникает у тонкостенной секции 16, и эта концентрация напряжения создает профиль концентрации, который может быть измерен внутриволоконной брэгговской решеткой для определения давления в месте концентрации напряжения или вблизи него.

Другой пример геометрической неоднородности представлен на фигурах 5А и 5Б. Трубка 10 имеет измерительный участок 30, на котором присутствует геометрическая неоднородность, включающая по меньшей мере одну плоскую секцию 32 и (или) по меньшей мере одну вогнутую секцию 34. Плоская секция действует аналогично мембране и имеет тенденцию прогибаться вовнутрь при воздействии внешнего давления, как показано. Вогнутая секция 34 может прогибаться наружу или вовнутрь в зависимости от величины давления, приложенного к вогнутой секции, которое стремится вогнуть ее вовнутрь, и давления, приложенного к плоской секции 32, которое стремится выгнуть вогнутую секцию наружу. Трубка 10 и (или) измерительный участок 30 полые, то есть содержат полость, которую можно заполнить податливым материалом, текучей средой, нефтью, жидкостью или гелем.

Обращаясь к фиг.5Б, можно видеть, что наружный радиус измерительного участка 30 в радиальном направлении изменяется, что обозначено через R01, R02 и R03. Кроме того, внутренний радиус также изменяется в радиальном направлении. Следует заметить, что как внутренний, так и наружный радиусы не должны изменяться одновременно, чтобы создать геометрическую неоднородность. Изменения одного радиуса достаточно, чтобы образовалась локальная концентрация напряжения. В данном описании принято, что радиальное направление это направление от центра измерительного участка по радиусу наружу, как показано стрелками на фигурах 3А и 5Б.

Анализ сжатия-растяжения был проведен с использованием программ компьютерного моделирования на основе расчета методом конечных элементов. К измерительному участку 30 с фигур 5А и 5Б было приложено внешнее давление, составляющее приблизительно 15000 psi (10207 атм). Трехмерная картина распределения напряжения дана на фиг.5В. Светлосерые зоны, отображающие более высокое напряжение, совпадают с секциями 32 и 34, обозначая, что внутриволоконная брэгговская решетка, скрепленная с этими секциями, как показано на фиг.3Б, может зарегистрировать наличие напряжения. Хотя предпочтительно, чтобы датчик 18 на внутриволоконной брэгговской решетке совпадал с участками концентрации напряжения, в действительности необходимо, чтобы он контактировал только с частью участка концентрации напряжения. Использовалось программное обеспечение расчета методом конечных элементов типа SolidWorks CosmosWorks Advanced Professional версии 2006.

Расчет методом конечных элементов может быть использован для построения калибровочной кривой для датчика. Например, для каждого известного приложенного давления записывается напряжение, полученное расчетом по методу конечных элементов. Затем может быть простроена кривая изменения сжатия/растяжения. Если положение измерительного участка определено, то измеренное значение напряжения откладывается на калиброванной кривой сжатия/растяжения, и затем легко может быть определена величина напряжения (или давления). Альтернативно может быть использована кривая сжатия/растяжения, полученная экспериментально по известным значениям приложенного давления.

Могут быть использованы другие численные методы моделирования, такие как метод конечных разностей или другие методы численного моделирования, и настоящее изобретение не ограничено конкретными методами численного моделирования.

Хотя датчик 18 на внутриволоконной брэгговской решетке может быть закреплен на наружной поверхности измерительного участка 30, аналогично вариантам выполнения с фигур 1-4, предпочтительно закреплять этот датчик 18 и оптическое волокно 20 внутри измерительного участка 30, как показано на фиг.3Б. Предпочтительный способ монтажа оптического волокна 20 и датчика 18 заключается в намотке отрезка трубки 10 с несколькими измерительными участками 30 на барабан. Так как секции 32 в основном плоские, они имеют тенденцию ровно ложиться на поверхность барабана. Соответствующий отрезок оптического волокна 20, на который записаны датчики на основе внутриволоконной брэгговской решетки в местах, в основном соответствующих плоским секциям 32, продувают через трубку 10 с помощью газа, например воздуха, или жидкости, например воды. После этого через трубку 10 прокачивают эпоксидную смолу для закрепления или приклеивания (прилепливания) датчиков на внутриволоконной брэгговской решетке к трубке 10.

Другие представленные в качестве примера и не служащие ограничением геометрические неоднородности 36 изображены на фигурах 6А-6Г. Внутренний радиус может изменяться, как представлено на фиг.6А, наружный радиус может изменяться, как представлено на фиг.3А, и как внутренний, так и наружный радиусы могут изменяться, как представлено на фигурах 6Б-6Г и фигурах 5А и 5Б. Геометрические неоднородности могут включать выпуклости или вогнутости (фиг.6Б), плоскую секцию (фиг.6С), угловую или любую комбинацию перечисленного. Кроме того, толщина измерительного участка может изменяться (фигуры 3А, 3Б и 6А) или оставаться в основном одинаковой (фигуры 5А-5В, 6Б-6Г), за исключением заостренных образований.

Геометрические неоднородности включают также такие формы, как овал и многоугольник.

В еще одном варианте выполнения профили концентрации напряжения могут быть сформированы на цилиндрической трубке 10, имеющей в основном постоянную толщину, но изменяющуюся плотность или модуль Юнга. Как показано на фиг.6Д, измерительный участок 30 содержит часть 38 и часть 40, скрепленные у стыков 39 соединениями типа ласточкина хвоста, хотя могут быть использованы и другие виды соединения. Предпочтительно части 38 и 40 выполнены из разных материалов, имеющих разные плотности или модули Юнга, так что часть 38 реагирует на давление иначе, чем часть 40. Можно ожидать, что профилированная концентрация напряжения возникает на стыках 39 или вблизи них, где имеет место неоднородность плотности. Части 38/40 могут быть выполнены из нержавеющей стали/алюминия, металла/полимера и т.д.

Альтернативно, как показано на фиг.6Е, измерительный участок может быть выполнен из одного материала, но при этом часть 42 имеет свою плотность или удельный вес, сниженный, например, путем добавления пенообразующего вещества в полимер, хотя часть 44 имеет свою, неизмененную плотность. Можно ожидать, что профили концентрации напряжения возникают в части 42 с более низкой плотностью или у границ частей 42 и 44.

Кроме того, измерительный участок 30 может принимать овальную или многоугольную форму, как показано на фигурах 6Ж-6З. Согласно теории кольцевого напряжения или теории Ламе секция с меньшим радиусом может подвергаться большему сжатию/растяжению, чем секция с большим радиусом. Следовательно, можно ожидать, что концентрации напряжения могут развиться на переходе от большой оси к малой оси овала. Для многоугольного поперечного сечения концентрации напряжения могут развиться вдоль плоских сторон, когда они действуют как мембрана, или вдоль мест сопряжения, где одна сторона переходит в соседние стороны. Многоугольные поперечные сечения могут иметь вид правильных или неправильных многоугольников.

В данном описании термин геометрические неоднородности и связанные с ним термины относится также к материалам с разными модулями Юнга или плотностями (например, фиг.6Д), материалам, имеющим часть с измененной плотностью (например, фиг.6Е) и имеющим многоугольные поперечные сечения (например, фиг.6Ж-6З).

На металлическую цилиндрическую трубку 10 может быть нанесено несколько измерительных участков 30 с помощью любого из известных способов металлообработки, включающих, но не ограниченных этим, холодную обработку, обжим, горячую штамповку и т.д. Трубка 10 может быть также выполнена из полимерных материалов, включая термопластики и термоотверждающиеся пластики. Для полимерных трубок 10 измерительные участки могут быть сформированы горячим прессованием с использованием нагрева и обжима, литьем под давлением, обычным литьем или другими известными способами. Настоящее изобретение не ограничено каким-нибудь конкретным способом изготовления или определенными материалами.

Так как оптическое волокно 20 может тянуться на большие расстояния, можно ожидать, что на него записано или другим образом нанесено большое количество оптических датчиков. Поэтому предпочтительно использовать самые последние технологии обработки сигналов с группы оптических датчиков. Такие усовершенствованные технологии раскрыты в общедоступном патенте US 7282698 "Система и способ мониторинга скважины". Содержание этого патента полностью включено в данную заявку в качестве ссылки. Среди прочего в US 7282698 раскрыт способ физического уплотнения сигналов, по которому группы датчиков расположены вдоль длины оптического волокна по обе стороны неподвижного отражателя. В этом способе соответствующие датчики размещены с определенными интервалами смещения от отражателя для увеличения участка регистрации. Дополнительно способ физического уплотнения может быть расширен так, чтобы сочетать несколько участков регистрации для увеличения общего участка регистрации. В US 7282698 рассматривается также сочетание способа физического уплотнения сигналов на основе нескольких участков регистрации с уплотнением сигналов с разделением по длинам волн, при котором каждый отдельный участок регистрации выполнен так, чтобы реагировать только на длину волны, которая слегка отличается от длины волны для следующего участка регистрации. Это может дополнительно увеличить участок регистрации как функцию от имеющегося числа волновых диапазонов. Кроме того, дополнительный участок регистрации может быть образован при использовании способа наложения частот или более конкретно при использовании узкополосных внутриволоконных брэгговских решеток, разнесенных друг от друга дальше, чем интервал дискретизации по Найквисту. Дополнительные способы обработки сигнала рассмотрены в US 7282698 или на них имеются ссылки.

Хотя очевидно, что приведенные здесь иллюстративные варианты выполнения позволяют решить задачи настоящего изобретения, нужно понимать, что специалистами в данной области техники могут быть предложены многочисленные модификации рассмотренных вариантов, а также другие варианты выполнения. Например, капиллярная трубка 10 может быть заменена несущим элементом (оболочкой) другой формы, такой как сферический или цилиндрический сосуд давления, которому придана профилированная форма с тонкостенными участками на нем. Дополнительно свойство (свойства) и (или) элемент (элементы) из любого варианта выполнения могут быть использованы отдельно или в сочетании со свойством (свойствами) и (или) элементом (элементами) из другого варианта (других вариантов). Поэтому должно быть понятно, что приложенная формула изобретения нацелена на охват всех таких модификаций и вариантов выполнения, соответствующих сущности и объему настоящего изобретения.

1. Несущий элемент для оптического волокна с размещенным на нем по меньшей мере одним оптическим датчиком, имеющий полый измерительный участок, содержащий полость и по меньшей мере одну геометрическую неоднородность, причем в ответ на приложение к измерительному участку давления, вблизи геометрической неоднородности возникает концентрация напряжения, а оптический датчик приклеен по меньшей мере к части геометрической неоднородности.

2. Несущий элемент по п.1, у которого по меньшей мере одна геометрическая неоднородность на полом измерительном участке включает внутренний радиус и наружный радиус, где по меньшей мере один из радиусов изменяется в радиальном направлении.

3. Несущий элемент по п.2, у которого геометрическая неоднородность включает тонкостенную секцию.

4. Несущий элемент по п.2, у которого геометрическая неоднородность включает по меньшей мере одну вогнутую секцию или в основном плоскую секцию.

5. Несущий элемент по п.2, у которого оптический датчик размещен внутри полости и приклеен непосредственно по меньшей мере к части поверхности геометрической неоднородности.

6. Несущий элемент по п.5, у которого геометрическая неоднородность включает по меньшей мере одну вогнутую секцию.

7. Несущий элемент по п.2, у которого геометрическая неоднородность включает угол.

8. Несущий элемент по п.2, у которого геометрическая неоднородность включает многоугольное поперечное сечение.

9. Несущий элемент по п.2, у которого геометрическая неоднородность включает овал.

10. Несущий элемент по п.1, у которого геометрическая неоднородность включает два материала, имеющих разные модули Юнга.

11. Несущий элемент по п.1, у которого геометрическая неоднородность включает два материала, имеющих разные плотности.

12. Несущий элемент по п.1, у которого геометрическая неоднородность включает часть измерительного участка с измененной плотностью.

13. Несущий элемент по п.1, у которого упомянутое давление прикладывается к наружной поверхности несущего элемента.

14. Несущий элемент по п.1, у которого датчик приклеен к внутренней поверхности несущего элемента.

15. Несущий элемент по п.1, у которого измерительный участок герметизирован.

16. Несущий элемент по п.1, у которого измерительный участок способен удерживать давление.

17. Несущий элемент по п.1, у которого несущий элемент представляет собой трубку.

18. Несущий элемент по п.1, у которого оптическое волокно дополнительно содержит оптический датчик температуры, расположенный вблизи оптического датчика давления.

19. Несущий элемент по п.1, у которого по меньшей мере один оптический датчик давления металлизирован.

20. Несущий элемент по п.1, у которого полость заполнена податливым материалом, жидкостью или гелем.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения давления. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения давления. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления (ВОДД), и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля давления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических датчиках, предназначенных для измерения температуры различных объектов, а также для измерения деформации, перемещения.

Изобретение относится к полимерному материалу, обладающему оптически детектируемым откликом на изменение нагрузки (давления), включающему полиуретановый эластомер, адаптированный для детектирования изменения нагрузки, содержащий алифатический диизоцианат, полиол с концевым гидроксилом и фотохимическую систему, включающую флуоресцентные молекулы для зондирования расстояния, модифицированные с превращением в удлиняющие цепь диолы, в котором мольное соотношение диолов и полиолов находится в диапазоне от приблизительно 10:1 до около 1:2, а фотохимическая система выбрана из группы, состоящей из системы эксиплекса и резонансного переноса энергии флуоресценции (FRET).

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим измерительным системам измерения давления, температуры, деформации, перемещения.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения давлений в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники.

Изобретение относится к области технической физики и, в частности, может служить для измерения давления нефтепродуктов в резервуарах нефтехранилищ. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при конструировании и в процессе сборки волоконно-оптических датчиков давления на основе оптического туннельного эффекта

Группа изобретений относятся к исследованиям скважин и может быть использована для мониторинга внутрискважинных параметров. Техническим результатом является оптимизация, автоматизация, повышение эффективности процесса добычи нефти, в т.ч. за счет повышения скорости и достоверности мониторинга внутрискважинных параметров по всей длине скважины. Способ мониторинга внутрискважинных параметров, при котором с помощью источника лазерного излучения формируют заданной длительностью и частотой световой импульс, поступающий в оптоволоконный кабель, где по всей длине кабеля выделяют излучение рассеяния. Излучение рассеяния, поступающее в блок обработки, преобразуют в электрический сигнал и усиливают, затем из него выделяют полезный сигнал, поступающий на вход второго контроллера, где определяют частоту смещения полезного сигнала относительно частоты генерации источника лазерного излучения, а затем по ее значению вычисляют текущее значение параметра изменения давления, полученные данные сравнивают с заданными в первом контроллере, при отклонении от которых автоматически регулируют процесс добычи нефти в соответствии с изменением притока, определяемого путем непрерывного измерения изменения давления, в скважине управляют частотой вращения вала электродвигателя, при значении параметра изменения давления меньше заданной величины увеличивают частоту вращения вала электродвигателя, при значении параметра изменения давления больше заданным значением уменьшают. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим устройствам измерения давления. Устройство содержит широкополосные полупроводниковые светодиоды, Y-образные волоконно-оптические разветвители и резонаторы Фабри-Перо. Один из резонаторов Фабри-Перо предназначен для получения интерференции световых лучей, отраженных от поверхности мембраны и торца световода, при воздействии давления и температуры контролируемой среды на базовое расстояние между ними. Второй резонатор Фабри-Перо предназначен для получения интерференции отраженных световых лучей при температурном воздействии среды. Вторые оптоволоконные выходы разветвителей сопряжены с регистрирующим блоком, Фотоприемная линейка которого через аналого-цифровой преобразователь связана с процессором обработки цифровых сигналов. Световоды первого и второго резонаторов расположены в корпусе, имеющем две полости, между которыми расположена мембрана. Одна из полостей корпуса сообщается с контролируемой средой и обращена к центральной части мембраны со стороны противолежащей ее отражающей поверхности. В другой полости корпуса размещены изолированные друг от друга световоды резонаторов. Технический результат - повышение точности измерений за счет уменьшения влияния неоднородности температуры. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относятся к измерительной технике и предназначено для измерения давления (как статического, так и динамического) газов и жидкостей. Датчик давления состоит из записанной на оптическом световоде по меньшей мере одной волоконно-оптической решетки Брэгга (ВБР), мембраны, корпуса, при этом мембрана жестко прикреплена к световоду и имеет возможность движения по осевой линии относительно корпуса, оптический световод жестко прикреплен к торцу корпуса по его осевой линии. Также датчик может состоять из мембраны, корпуса, записанной на оптическом волокне по меньшей мере одной волоконно-оптической решетки Брэгга (ВБР), базового элемента крепления, элемента приложения торцевой нагрузки, направляющей. При этом базовый элемент крепления и элемент приложения торцевой нагрузки соединены с оптическим волокном таким образом, что место соединения не касается ВБР, а направляющая соединена с базовым элементом крепления и корпусом, мембрана закреплена в корпусе. Элемент приложения торцевой нагрузки касается мембраны по осевой линии. Техническим результатом является обеспечение малых массогабаритных параметров, повышение точности измерения, уменьшение влияния внешних воздействий на точность измерения, упрощение конструкции датчика. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам разности давления, и может быть использовано в различных измерительных системах для контроля давления. Заявленный датчик разности давлений имеет корпус, выполненный из составных частей, между которыми установлена силовая мембрана, образуя две камеры в корпусе, сочленяемые стенки корпуса выполнены с выемками, образуя опорные поверхности для силовой мембраны, в каждой составной части корпуса установлена измерительная мембрана, центры мембран соединены элементами передачи деформации с центром силовой мембраны с противоположных ее сторон, преобразователи выполнены в виде оптического волокна, закрепленного на поверхности каждой измерительной мембраны, а чувствительные элементы выполнены в виде волоконных брэгговских решеток, закрепленных в чувствительных зонах измерительных мембран. Техническим результатом изобретения является повышение точности и скорости измерения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам давления, и может быть использовано в измерительных системах для контроля давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности оптического детектора разности давлений. Оптический детектор разности давлений содержит корпусной элемент с опорными поверхностями, две камеры, упругие элементы, шток, оптические световоды, относительно торцов которых на расстоянии сформирована отражающая поверхность. Упругие элементы закреплены соосно друг относительно друга. Оси оптических световодов перпендикулярны отражающей поверхности, причем продолжения осей указанных световодов пересекают ее левую и правую границы. Направления смещений отражающей поверхности совпадают с осью каждого из упругих элементов. Упругие элементы изготовлены из монокристаллического кремния. Конструктивные элементы изготовлены из материалов с близкими коэффициентами температурного расширения. 2 з.п. ф-лы. 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к универсальным оптическим первичным преобразователям амплитудного типа, и может быть использовано в измерительных системах для контроля давления (в т.ч. разности давлений), вибраций, деформаций, перемещений и силы. Преобразователь механических величин в оптический сигнал включает упругую трубку-капилляр, закрепленную на несущем фланце с зажимом, рычаг для восприятия измеряемой физической величины, размещенный на упругой трубке-капилляре, внутри упругой трубки-капилляра расположены неподвижное основание. При этом световоды закреплены на противолежащих сторонах неподвижного основания, а светоотражающий элемент размещен на регулирующем винте, при этом границы светоотражающего элемента совпадают с осями световодов. Технический результат - расширение области применения и диапазона измеряемых физических величин, упрощение технологии изготовления, повышение ремонтопригодности и точности измерений. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, для измерения разности давления в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов на изделиях ракетно-космической техники, АЭС, нефтегазовой отрасли и др. Устройство содержит корпус, в котором установлены металлические мембраны плюсовой и минусовой камер, имеющие жесткие центры, соединенные между собой штоком с отверстием, соосно с которым расположены подводящий и отводящие оптические волокна двух измерительных каналов. В приемном торце жгута отводящих волокон расположены приемные торцы отводящих оптических волокон. При этом корпус выполнен из двух частей, один торец которых предназначен для крепления на объекте, во внутренней полости корпусов расположена вновь введенная несущая деталь, в углублениях которой закреплены мембраны. Корпуса плюсовой и минусовой камер и несущая деталь жестко соединены между собой, поверх данного соединения установлено кольцо, имеющее прорезь для установки оптических волокон в центральной части несущей детали и для крепления втулки со жгутом оптических волокон, один торец которой повторяет контур прорези кольца. Корпус, кольцо и втулка со жгутами волокон жестко и герметично соединены между собой, а шток выполнен с боковыми выемками, внутри которых выполнена шторка, в центре которой расположено отверстие, причем высота выемок больше или равна высоте шторки. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения давлений. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к оптоволоконным технологиям, в частности к оптическим датчикам давления и температуры, в конструкции которых использованы оптические волокна. Устройство для измерения давления и температуры в потоке газа и/или жидкости содержит корпус датчика, мембрану, жестко прикрепленную к торцу корпуса, волоконно-оптический световод с защитным покрытием, расположенный в корпусе, по меньшей мере, одну дифракционную решетку Брэгга, нанесенную на волоконно-оптический световод, и волоконно-оптический кабель, закрепленный в корпусе и соединенный с системой обработки сигнала. Устройство снабжено, выполненным на торце корпуса со стороны мембраны, средством соединения с напорным устройством, по меньшей мере, одной структурой с поверхностным рельефом в соответствии с геометрией дифракции Брэгга, выполненной на поверхности мембраны внутри корпуса датчика. Волоконно-оптический световод соединен с волоконно-оптическим кабелем и прикреплен к корпусу и к мембране с образованием подмембранной полости. При этом, по меньшей мере, одна дифракционная решетка Брэгга, нанесенная на волоконно-оптический световод, расположена вне зоны крепления световода к корпусу. Система обработки сигнала содержит соединенные волоконно-оптическим кабелем оптический разветвитель, полупроводниковый источник света, оптический анализатор спектра и соединенный с ним регистратор. 2 н. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области измерения статических и динамических давлений на основе использования оптических интерферометрических схем и оптических волокон. Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления содержит лазерный источник света, входное оптическое волокно, расположенный в корпусе чувствительный к давлению элемент в виде мембраны, выходное оптическое волокно и фотоприемник с устройством обработки фотоэлектрического сигнала. При этом датчик снабжен установленным в центральной части корпуса промежуточным неподвижным двусторонним зеркалом, имеющим отражающие верхние и нижние поверхности, нижним неподвижным зеркалом, входным микрообъективом со световым делителем и выходным микрообъективом. Нижняя поверхность мембраны имеет зеркальное покрытие, измерительное плечо датчика образовано зеркальной поверхностью мембраны и верхней поверхностью неподвижного промежуточного зеркала, а опорное плечо датчика образовано нижней зеркальной поверхностью промежуточного зеркала и верхней зеркальной поверхностью нижнего неподвижного зеркала, причем расстояния между мембраной, двусторонним промежуточным зеркалом и нижним зеркалом равны между собой. Технический результат - обеспечение возможности плавного изменения чувствительности и динамического диапазона оптоволоконного датчика в широких пределах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх