专利名称：被配置成检测流动流体的物理量的设备及相关方法
技术领域：
本发明涉及一种被配置成检测流体(比如气体、液体或液体/气体混合物)的物理量(比如密度)的设备。
背景技术：
国际专利申请No. PCT/NL2007/050665公开了包括流体通道和流量计的创新组件以及测量流体流速的方法。已知的流量计包括在通道内延伸的涡旋脱落器(shedder)，涡旋脱落器配置成在操作的过程中在流过通道的流体内产生卡门涡旋。涡旋脱落器提供有光纤布拉格光栅传感器的光纤布拉格光栅(FBG)。在操作的过程中， 使用与该润旋脱落器的各个光纤布拉格光栅相关的光纤布拉格光栅传感器信号，可检测润旋脱落器所产生的润旋的卡门涡旋频率。在另一有利的实施例中，已知的流量计还配置成检测温度，尤其使用光纤布拉格光栅进行检测。
发明内容
本发明提供了一种设备和方法，其中使用较便宜的小型耐用的装置(means)，可精确地检测一个或多个流体相关的量，而不使用需要外部功率的传感器(或电信号通信装置)。为此，根据本发明的一个实施例，该设备的特征在于包括被配置成延伸到流体内(在操作的过程中)的传感器体，所述传感器体包括光纤布拉格光栅传感器的光纤布拉格光栅，以生成与所述传感器体的至少一部分的振动相关的检测器信号；以及处理单元，所述处理单元被配置成处理所述检测器信号并且根据所检测的振动在所述传感器体的柔性部分的机械本征频率处确定物理量。更具体地说，本发明可由权利要求I所述的特征限定。本发明基于这样一种概念上述流量计也可用于测量流体的密度，或与另一流体相关的量，比如其质量或质量流速。特别地，已发现流体以一个或多个相应的机械本征频率(见该专利申请的图9)可引起传感器部分的固有机械振动。流量计的光纤布拉格光栅提供了低成本、精确并且可靠的手段(means)以检测这种振动。优选地，传感器体整体地包括光纤布拉格光栅。图9提供了卡门涡旋引起的振动和传感器体部分的本征频率振动同时发生的证据。已经相信，机械本征频率振动简单地通过流中自然存在的紊流脉动激励，并非必然通过涡旋脱落激励。通常，在操作的过程中，处理单元独立于传感器体被设置。一个或多个光学通信装置，比如一根或多根光纤，可用于在传感器体和处理单元之间传送(光学)检测器信号。因此，所得到的装置非常适于用在井下(downhole)应用中，因为传感器部分不需要任何电力，也不需要电信号通信(比如在远处在合适的位置处设置的可选的数据处理器)。
特别地，处理单元被配置成检测所述机械本征特征(使用所述检测器信号)。应注意的是，检测传感器信号本身的特定频率，比如信号频谱内的频率峰值(该频率峰值与本征频率相关)，对于传感器信号处理领域的技术人员而言是公知常识。可用各种方法实现所述机械本征频率的检测。处理单元可被配置成处理检测器信号以获得该信号的频谱。众所周知，通过在检测器所获得的时间信号上进行频谱分析可达到这个目的。这可包括但不限于傅里叶频谱分析。所产生的频谱包含与本征频率对应的频率峰值。该峰值出现的实际频率受到周围流体的密度的影响，该实际频率从真空内产生的基准值(初始固有本征频率)转换(shifts)成该频率。众所周知，通过实验或理论可获得该基本频率。了解该基本频率，通过测量所转换的峰值出现的频率可推断出周围媒质的密度。因此，在另一实施例中，通过处理单元使用下面的公式来确定流体的所述物理 量f = f0 (I+CK. rho)_1/2其中f为流体内传感器体部分的所检测(实际)的本征频率(Hz)，f0为真空内部分的初始固有本征频率(Hz)，rho为流体的密度(kg/m3)，CK为与部分的尺寸和质量相关的常量(m3/kg)。最有利地，本发明与流速测量功能相结合。已发现相同的设备可用于同时检测流体流速和流体密度(或质量)，尤其通过检测涡旋脱落频率来检测流体流速，并且通过检测一个或多个机械本征频率(其中在操作的过程中，使一个或多个本征频率与涡旋脱落频率分离)来检测流体密度。特别地，如下面的图9所示(见下文)，与所述本征频率相关的振动出现在比涡旋脱落频率的值更高的频率值处，并且因此可通过处理单元以明确的方式检测所述振动。在有利的实施例中，传感器体为涡旋脱落器，所述涡旋脱落器被配置成在操作的过程中在流体内产生卡门涡旋。在这种情况下，当利用与涡旋脱落器的各个完整的光纤布拉格光栅相关的光纤布拉格光栅传感器信号，可检测涡旋脱落器所产生的涡旋的卡门涡旋频率时，可实现非常紧凑的配置。同样，优选地，传感器体可具有柔性部分，所述柔性部分整体地包括至少部分弯曲的光纤部分，所述至少部分弯曲的光纤部分至少部分地沿曲线路径延伸并且包含光纤布拉格光栅。在这种情况下，优选地，光纤部分的第一部分可与刚性传感器体部分(固定柔性部分)间隔开，比如在与流体流径基本上垂直的方向。光纤部分的第二部分可靠近刚性部分，比如基本上相对于流体流径平行延伸。光纤部分的第二部分可包含光纤布拉格光栅，以检测本征频率振动。同样，提供了一种检测流动流体的物理量(比如流体密度)的方法，比如使用根据本发明的设备，其中流体在一本征频率处引起传感器体的柔性部分的振动，检测所述本征频率并且处理所检测的本征频率以测量物理量。比如，但并非必然，流体流动引起的本征频率振动可为机械第一模式的本征频率振动。比如，在根据本发明的方法中，流体以(较低的)第一频率引起传感器体的柔性部分的振动，其中检测该(振动)部分的本征频率，使该本征频率与第一频率分离，其中处理所检测的本征频率以确定物理量。比如，已发现较薄的(板状)弹性传感器部分的应用可提供该部分的低频率的本征模式的振动，同时具有该部分的第一(卡门涡旋)频率但与该部分的第一(卡门涡旋)频率相分离。
在从属权利要求书中描述了本发明的其他有利的实施例。结合以下所述的非限制性的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的并且被阐述，如附图中所示。图I为本发明的实施例的纵向剖视图；图2为图I的线II-II上的剖视图；图3为图I的线III-III上的纵向示意性的剖视图；图4为图I中的实施例的涡旋脱落器的透视图；图5为图4中所示的脱落器的纵向剖视图；图6为图4的脱落器的前视图；图7为图6的线VII-VII上的剖视图；图8为一个实例中相对于流速的所测量的脱落频率的视图；以及图9为测量结果的示图，包括图I至图7的实施例的部分的所检测的第一模式的固有振动。
具体实施例方式该申请中相同或相应的特征由相同或相应的附图标记表示。图1-7描述了包括流体通道C和流量计I的组件的非限制性实施例，。流体通道C(比如流体线、管道、导管)可被配置成引导流体，比如气体、气体混合物、液体、液体混合物、水、水蒸气。在特定的实施例中，通道C可被设置成注入流体到油田或气田内，然而，技术人员应理解的是，通道C可用于许多其他应用中。在该实施例中，通道C具有大致圆形的剖面，其直径(宽度)为W。正如技术人员应理解的是，通道也可具有不同的配置，比如具有矩形或方形的剖面，或者不同的剖面。流量计I被配置成在操作的过程中测量流过通道C的流体的流速。为此，流量计I包括至少一个在通道C内延伸的涡旋脱落器2 (本附图中仅显示了一个脱落器)。在另一实施例中，组件具有多个间隔开的涡旋脱落器2，以在通道C内的不同位置处检测流速。在这种情况下，可使用流量计I检测流量剖面，比如以确定或估计被注入到油田或气田的某些部分(层)内的流体的量。有利地，正如以下要描述的，已发现流量计I也可用于检测流过通道C的流动流体的物理量，比如密度。为此，检测脱落器部分的固有机械频率(fn)。每个涡旋脱落器2被配置成在操作过程中在流过通道C的流体内产生卡门涡旋V(见图3)。在图3中由箭头Y表示流体的流动方向。特别地，每个涡旋脱落器2包括钝头体2，具有两个涡旋分离边缘t，优选地为基本上平行的、尖锐的侧边缘。钝头体2可被设置成具有这些边缘t,这些边缘t位于剩余钝头体部分的上游位置(如图3中所示)，或者可选地位于下游位置(比如，在已经逆转图3中的流动方向时)。在该实施例中，钝头体2刚性连接到通道壁11。 特别地，流量计I基于放置在流动流体内的阻挡物(钝头体2)上的涡旋脱落的原理(见图3)。由于具有黏度，边界层可在钝头体2的两侧增长，并且可在边缘t所提供的分离点处分开。在操作的过程中，涡旋V可在主体2的两侧上交替地分开，所述涡旋V具有涡旋脱落频率fK。从现有技术中可知，根据下面的公式I，涡旋脱落频率fK与流速U成比例fK = St(U/Db) (I)其中St为无量纲的斯特鲁哈尔(Strouhal)数，U为流速(m/s)，Db为钝头体的直径/宽度(m)。众所周知，斯特鲁哈尔数St具有某个钝头体形状的特征并且在雷诺数的较大范围内是恒定的，所以流速(m/s)和脱落频率之间的关系在较大流速范围内为线性。比如，该实施例可被用在流速范围为0.5到5m/s (调节比为I : 10)的情况下，并且比如可在不同的操作压力下具有从20到350摄氏度范围的操作温度。同样，正如技术人员应理解的是，流量计I可被配置成用于这些速度和温度范围之外。可通过选择脱落器体2控制边界层，在脱落器体2上分离点通过在主体2上引入尖锐的边缘t被精确地界定。钝头体2可由各种材料做成。比如,钝头体2可由刚性的、耐腐蚀材料做成，尤其由合适的金属、合金、钢或刚性塑料、增强塑料，比如不锈钢或铝(由于耐用，对于井下应用 来说不锈钢是优选的)，和/或其他合适的材料制成。图4至图7更具体地显示了钝头体/脱落器配置的有利实施例。为了在流速和涡旋脱落之间具有线性关系，现有的涡旋脱落体2提供了明确的分离线(边缘)t，并且具有大致T形的剖面。为此，特别地，脱落器2已经提供有第一部分2A(即T形的T的顶部)以及第二部分2B (即T形的T的中心线)，第一部分具有两个分离边缘t，第二部分为流体分割元件2B。第一和第二脱落器体部分2A、2B均可具有不同的配置。第一和第二脱落器部分2A、2B优选地由相同的材料制成，然而，这并非必然。有利地，第一脱落器体部分2A为刚性的、优选地大致坚实的部分2A，该部分被刚性地固定(即在操作的过程中基本上不可移动)到通道C的壁11。第一脱落器体部分2A包括前表面，相对于纵向通道方向(即在使用的过程中流过通道C的流体的流动方向Y)大致横向地延伸，其中前表面的侧边为脱落器2的涡旋分离线t。在本发明中，第一脱落器体部分2A的长度LI大致或几乎等于流动通道的直径/宽度Xi (见图I)，所以通道C的壁用作作为流动分离边缘t (即，每个流动分离边缘t的相对端被设置在或靠近通道壁11的各个通道壁部分)的端板。因此，钝头体2的第一部分2A从通道C的第一内壁分Ila延伸到通道C的相对的第二内壁分11b，如图I和图2中所示，并且优选地其中心通过通道C。在此处，比如，狭缝依然可在钝头体2的端部和通道壁之间延伸，比如狭缝H具有约Imm或更小的宽度，如图3中所示。在另一实施例中，每个狭缝H的宽度可大于1mm，比如大于1cm。比如，在耐用的配置中，第一脱落器体部分2A可在一端(或可选地在两端)被紧紧地固定到一个通道壁部分(或多个壁部分)，比如通过夹持、粘合、焊接、适当的耦合、螺栓连接、可拆卸地、其组合、和/或以不同的方式。在该实施例中，第一脱落器体部分2A的一端连接到安装结构9中，该安装结构已经被紧紧地连接到第一通道壁部分。比如，安装结构可包括以固定(hold)钝头体2的第一安装部分9a ;第二安装部分％，所述第二安装部分9b通过三个第一螺栓13a连接到第一部分9a，所述三个第一螺栓13a以三角形配置的形式彼此间隔开；以及第三安装部分9c，所述第三安装部分9c将安装部分9b和通道壁11互连。此外，通道壁11可包括开口 12，所述开口 12用于将钝头体2引入通道C内，该钝头体2由第一安装部分9a固定。安装结构9可配置成在安装之后提供开口 12的流体紧密密封。在另一实施例中，各个钝头体部分2A的长度LI可明显小于流动通道的直径/宽度XI。可选地，钝头体2可包括一个或多个端板，相对于涡旋分离边缘t侧向延伸，用于控制钝头体2上的边界层。在又一实施例(见图3)中，相对于纵向通道的方向横向测量的、两个涡旋分离边缘(线)t之间的距离Db大于在相同方向测量的流体通道C的宽度X2的十分之一，比如大约为流体通道C的宽度的四分之一。其中所提及的两个涡旋分离边缘之间的距离Db优选地小于通道C的宽度X2的一半。由于在本发 明中，通道C具有圆形剖面，最后提及的通道宽度X2等于图I中用箭头Xl表示的上述通道宽度。第一脱落器体部分2A的纵向剖面优选地为大致三角形(如图3和图7中所示)或截顶三角形，或者可具有另一种形状。优选地，第二脱落器部分2B具有板状、带状或片状配置，具有大致矩形的形状(比如在该实施例中)。比如，在三个垂直方向上可这样形成第二脱落器部分2B的尺寸，以使一个垂直方向(厚度k)明显小于(比如至少小50倍)第二和第三垂直方向(长度L2和宽度G)。同样，优选地，第二脱落器部分2B大致在纵向通道方向延伸，并且具有彼此互不照面的两个流体压力接收表面，所述两个流体压力接收表面被配置成在操作的过程中交替地接收涡旋引起的压力变化(见图3)并且通过这些压力变化进行应变。在该实施例中，压力变化尤其造成第二脱落器部分2B在垂直于流动方向Y上的振动和/或变形(换言之脱落器部分2B的、由涡旋引起的变形和/或振动主要是在所述部分2B的横向上的，并且由图3中的双箭头q表示，即振动和/或变形基本上与该脱落器部分2B的压力接收表面垂直)，所述变形和/或振动造成第二脱落器部分2B内发生表面应变。在该实施例中，第二脱落器部分2B相对于第一脱落器部分2A集中(centrally)延伸、垂直于包含两个分离边缘t的钝头体表面延伸、以及安装后优选地通过通道C集中延伸。比如，包括第一和第二部分2A、2B的钝头体的外部轮廓可相对于纵向中心镜面平面是大致镜面对称的，如该实施例中所示。在该实施例中，第二脱落器部分2B的一个横向侧边(图5A中的该部分的下侧)与第一脱落器部分2A的各个侧边平齐延伸(见图5)。然而，第一脱落器部分2B的另一个横向侧边与安装结构9间隔开(见图5)，它们之间的距离由图5中的箭头H表示。第二脱落器部分2B为压力变化接收部分2B或应变部分，其被配置成在操作的过程中接收涡旋引起的压力变化。特别地，卡门涡旋可在第二脱落器部分2B内引起应变变化(由图3中的箭头q表示)，更特别地可在第二脱落器部分2B的表面部分内引起应变变化(即在操作的过程中漩涡引起的压力变化会造成第二脱落器部分2B内的表面应变或第二脱落器部分的表面应变)。比如，第二脱落器部分2B在操作的过程中可略微弹性变形，以使第二脱落器部分2B因接收涡旋相关的压力变化在操作的过程中进行小振荡q，小振荡q造成第二脱落器部分2B的两个横向(压力接收)表面具有变化的应变。已发现这些应变变化在与第一脱落器部分2A邻接的区域(即与第一脱落器部分2A的结合点)处特别高。
在另一实施例中，脱落器2的第二部分2B包括两个横向侧边，所述两个横向侧边与相对的纵向流动限制部分(在该实施例中，所述纵向流动限制部分包括用于一个横向脱落器侧边的通道壁部分以及用于另一个横向脱落器侧边的安装结构部分)间隔开。比如，在图I中，矩形涡旋脱落器部分2B的横向下侧(图中)和通道壁11之间的距离Z优选地在大约O. I-IOmm的范围内，尤其在大约l_2mm的范围内，并且矩形涡旋脱落器部分2B的横向上侧(图I中)和第一安装部分9a的表面之间的狭缝的宽度H也优选地在大约O. I-IOmm的范围内，尤其在大约l_2mm的范围内。在 另一实施例中，矩形涡旋脱落器部分2B的横向上侧和第一安装部分9a的表面之间的狭缝的宽度H可大于10mm。因此，第二脱落器部分2B的横向侧边不受相对的流动限制表面的影响，所以涡旋引起的压力变化会造成第二脱落器部分2B内的表面应变边和/或第二脱落器部分2B的振荡。特别地，涡旋引起的压力变化可引起涡旋脱落器的振动和/或变形，所述振动和/或变形可造成表面应变。根据一个实施例，第二脱落器部分2B(相对于分离线t在平行方向测量的)的长度L2可略微小于第一脱落器部分2A的长度LI，长度的差异比如可在大约O. l-20mm的范围内，尤其可在大约l_2mm的范围内(见图5)。第二脱落器部分2B的长度L2可大于该部分2B的外部部分(尾部部分)的宽度G，所述宽度G是在纵向通道方向上被测量的(见图5 ;此处，第二脱落器部分2B的宽度G为这样部分的外部宽度，所述这样部分从第一脱落器部分外部延伸并且用作脱落器的液体压力变化接收部分)。比如，第二部分2B的长度L2的范围可为该部分2B的所提及的宽度G的大约I. 5-2倍。L2的范围为G的I. 7-1. 9倍，尤其长度L2等于宽度G乘以I. 8时，已发现具有好的结果。在另一个实施例中，第二脱落器部分2B的长度L2可等于或小于该部分2B的外部部分(尾部部分)的宽度G，所述宽度G是在纵向通道方向上被测量的。在这种情况下，t匕如，第二部分2B的长度L2的范围可为该部分2B的所提及的宽度G的大约O. 5-1倍。同样，已经发现，第二脱落器体部分2B (在其横向方向上被测量)的厚度k小于大约IOmm,优选地小于大约5mm时,可获得好的结果(见图7)。第一和第二脱落器部分2A、2B可以不同的方式彼此连接。比如，第一和第二脱落器部分可形成为一体。同样，通过粘合、焊接、螺栓连接(如图I至图7的实施例中所示，使用螺栓6)、夹持、力封闭固定、形式封闭固定、其组合，和/或以不同的方式，第一和第二脱落器部分2A、2B可互相连接。在该实施例中，第二脱落器部分2B包括内部部分和上述外部部分(具有所述宽度G)，所述内部部分在第一脱落器部分2A内延伸以由此被固定，所述外部部分在第一脱落器部分2A的外面延伸以感知涡旋引起的压力变化。优选地，如下面的图中所示，第二脱落器部分2B的所提及的外部(尾部)部分基本上不间断，以提供大致不间断的(连续的)压力接收表面。优选地，第一和第二脱落器部分2A、2B被配置成如下相对的涡旋压力变化可引起脱落器的某个区域(比如与第一脱落器部分2A邻接的第二脱落器部分2B的外部部分)内发生较大的应变变化。同样,每个润旋脱落器2都提供有光纤布拉格光栅传感器3、7的第一光纤布拉格光栅FBG。在操作的过程中，由涡旋脱落器2所产生的涡旋V的卡门涡旋频率fK可通过利用与该润旋脱落器2的各个第一光纤布拉格光栅FBG相关的光纤布拉格光栅传感器信号被检测到。优选地，第一光纤布拉格光栅FBG连接到脱落器2的部分，所述脱落器2的部分因在操作的过程中涡旋压力变化引起的振动/变形而经受较大的表面应变变化，并且第一光纤布拉格光栅FBG被配置成检测这些应变变化。同样，在另一个实施例中，各个润旋脱落2的光纤布拉格光栅FBG被设置成感知所提及的压力变化，尤其通过脱落器2压力变化接收部分2B的压力变化引起的应变变化，并且因感知到压力变化而改变各个光纤布拉格光栅传感器信号。优选地，光纤布拉格光栅FBG被设置成靠近第二脱落器部分2B的压力接收表面、或在所述压力接收表面内延伸、与所述压力接收表面相邻、或嵌入所述压力接收表面内，以容易感知所提及的、在操作的过程中由该脱落器部分2B的变形/振动而造成的表面应变。有利地,第一光纤布拉格光栅FBG与各个润旋脱落器2的润旋分离表面(该表面包含两条涡旋分离线t)间隔开。同样，优选地，第一光纤布拉格光栅FBG的位置与第二脱落器部分2B的两个横向侧边间隔开。此外(如下面的图5中所示)，优选地，第一光纤布拉格光栅FBG的纵向方向在操作的过程中与流体流动方向围绕成一个小于90°的角度，比如小于30°的角度，并且优选地小于5°的角度。在该实施例中，第一光纤布拉格光栅FBG的纵向方向和流体流动方向Y之间的角度大约为0°。特别地，压力变化接收部分/第二脱落器部分2B整体地包括弯曲的光纤部分8，至少部分地沿弯曲的路径延伸并且包含第一光纤布拉格光栅FBG (见图4至图5)。优选地，弯曲的光纤部分8的第一部分8a在与纵向通道方向大致垂直的方向(见图5)上从自由脱落器边缘E处延伸短的距离，所述自由脱落器边缘E背向涡旋脱落器2的涡旋脱落表面。优选地，光纤部分8的第二部分Sb位于涡旋脱落器2的涡旋脱落表面附近并且大致平行于纵向通道方向延伸。在该实施例中，该第二光纤部分8b包括第一光纤布拉格光栅FBG。特别地，设置在脱落器2上/内的光纤部分的弯曲路径包括第一弯头Al和随后的第二弯头A2，所述第一弯头Al将光纤从第一脱落器部分2A的入口位置引向自由脱落器边缘E，所述随后的第二弯头A2(具有与所述第一弯头的弯曲方向相反的弯曲方向)将光纤从自由脱落器边缘E引回到第一脱落器部分2A与入口位置间隔开的布拉格光栅位置。在另一实施例(未显示)中，光纤可进一步弯曲(比如沿着和/或通过涡旋脱落器2产生大致完整的环)，并且可朝着通道壁11和通过控制结构9引回，比如被引入到另一个涡旋脱落器2中以在另一个脱落器2内/处提供另一第一布拉格光栅。在这种情况下，入口位置(点)的光纤还可提供光纤出口位置。特别地，在该实施例中，安装结构9包括通孔15 (见图5)以将光纤7从通道C外面的区域传递到涡旋脱落器2。第一脱落器部分2A可包括相似的孔(aperture)以容纳光纤7部分。第二脱落器部分2B可包括弯曲的凹槽5或孔以容纳包含第一光纤布拉格光栅FBG的弯曲的光纤部分8。在另一实施例中，通孔15也可用于再次将光纤7从涡旋脱落器2中引出通道中，通过通道壁11，引入到另一位置中，比如引入到另一涡旋脱落器内(未显示)O比如，脱落器2的光纤接收凹槽(fiber receiving groove) 5可具有比第二脱落器部分2B的厚度k小的深度，比如小于Imm的深度，比如大约O. 4mm的深度。如，光纤接收凹槽5的深度可小于第二脱落器部分2B的厚度k的一半，以定位光栅FBG靠近该部分2B的侧面和/或位于该部分2B的侧面内。优选地，弯曲的光纤部分8基本上被嵌入在各个脱落器部分2B内。使用合适的粘合剂，比如热性可固化树脂、环氧或其他类型的粘合剂，具有布拉格光栅FBG的光纤部分8可连接到各个凹槽5内。优选地,光纤接收凹槽5被配置成基本上紧贴地固定各自的光纤部分。在一非限制性的实施例中，凹槽5的宽度大约可为1mm。
同样，组件可为模块化配置，其中该组件可包括多个涡旋脱落器2，每个脱落器2优选地提供有光纤布拉格光栅传感器的所提及的第一光纤布拉格光栅FBG。在这种情况下，单根光纤7可简单地提供有各个脱落器2的所有的第一光纤布拉格光栅FBG,其中光纤7可从一个脱落器延伸到另一个脱落器以传输传感器信号。光纤布拉格光栅传感器本身的操作对技术人员是熟知的。在一个实施例中，每个光纤布拉格光栅FBG被配置成大致反射一个特定波长的光信号,所述光信号通过光纤7朝光栅FBG被传输,并且每个光纤布拉格光栅被配置成大致传输所有其他的波长。此处，反射光的波长取决于光栅FBG内折射率的变化。所反射的波长称为布拉格波长Xb，并且由下列等式表不λ b = 2neff. Λ (2)其中neff为光纤7内传播的光学模(optical mode)的有效折射率,并且为光栅的周期Λ。应变、温度和压力可改变光纤的性能，从而改变反射的波长λ b。比如，在操作的过程中，传感器信号的振幅为光栅FBG所经受的应变量的测度。在该实施例中，反射的波长尤其用作流速的测度，其中该波长的变化正被检测(即，反射的传感器信号振幅变化)，该波长的变化可以较为简单的方式被获得以确定上述的卡门频率fK。比如，图7可为具有一个或多个布拉格光栅FBG的标准光纤，具有大约为2到3cm的最小弯曲半径，并且每个布拉格光栅FBG的光栅长度N(见图5)为大约2cm。技术人员应理解的是，光纤7也可具有更小的弯曲半径和/或更短的光栅。比如，有利地，第一光纤布拉格光栅的长度N可大约为1cm。在本发明中，第一光栅FBG主要用于检测涡旋脱落器2内变化的应变/检测涡旋脱落器的变化的应变，其中各个传感器信号内产生的变化可被处理以确定流体的流速U。第一光栅FBG优选的位置是在脱落器2的尾部部分2B的开端上，紧跟在(截顶的三角形)第二脱落器部分2A之后(见图5、图7)，这是因为已发现，在操作的过程中，卡门涡旋引起的应变变化在尾部脱落器部分2B的这部分上是最大的。优选地，整个第一光栅可在操作的过程中大致均匀地应变，所述第一光栅可通过大致平行纵向通道方向放置光栅FBG来实现。然而，实际上，在该实施例中，为获得精确的测量结果，应变不需要在整个光纤上完全恒定。这是因为频率(即振幅的变化，而非振幅本身)为所测量的参数，所以所检测的反射信号的振幅变化不会影响流动测量的结果。这与JP200387451中所不的设备相反,在这种情况下，由于光栅不均勻的应变，反射信号的传感器振幅信号可具有较大的误差。该组件可包括合适的传感器系统3 (比如包括一个或多个合适的处理器和/或分析器)，比如可从Deminsys Commercial公司购买到的系统,该传感器系统被光学地稱合到光纤7中。传感器系统(即“处理单元”)3可被配置成生成光学信号并且将所述光学信号传输给光纤7，当光栅受到预定量的应变(比如没有应变)时，该信号的波长(即上述的布拉格波长)至少部分地由第一光纤布拉格光栅FBG反射。当组件包括具有不同的布拉格波长Xb的不同光纤光栅FBG时,光信号可由具有不同的布拉格波长Xb的不同信号部分多路传输，所以不同的光栅FBG可由传感器系统3彼此独立地同时使用。同样，传感器系统(处理单元)3可被配置成检测由涡旋脱落器2的每个第一光纤布拉格光栅FBG反射的光信号并且处理所检测的光信号，比如利用所检测的信号的变化确定流体流动速率。下面解释传感器系统3 (或“处理单元”)的另一个有利的应用，涉及流体的物理量(比如密度)检测。为此，优选地，传感器系统3被配置成使用所述的光信号(处理包括处理所检测的光信号以检测所检测的信号的频率变化，所述变化是由光栅FBG所经受的不同应变导致的结果以确定脱落器部分2B的瞬时本征频率振动的值)检测涡旋脱落器2的部分2B的实际固有(机械)振动。在图I至图7的实施例的操作过程中，流体流动会在脱落器2处引起涡旋脱落，这 会在钝头体2的尾部部分2B上造成压力波动。由于所述压力波动，尾部会被引起振动，这就会造成尾部部分2B的波动表面应变并且从而引起第一光纤布拉格光栅FBG (优选地设置在第二脱落器部分2B的各个表面上或靠近各个表面，以测量该表面应变)的应变波动。测量这些振动引起的表面应变。传感器系统3可实现该目标，传感器系统将具有涡旋脱落器2的第一光纤布拉格光栅的布拉格波长FBG的光信号传输到光纤7内，并且检测第一光纤布拉格光栅FBG反射的各个光信号。然后，处理所检测的光信号以检测所检测的信号的频率变化(所述变化是由光栅FBG所经受的不同应变导致的结果)，以使用上述公式I根据所述变化确定流体流动速率。下面将要解释的是，在有利的实施例中，所检测的光信号被传感器系统3处理以检测所检测的信号的频率变化(所述变化是由光栅FBG所经受的不同应变导致的结果)，从而确定流体的物理量。因此，单个FBG传感器用于在流体通道C内的某个位置处检测流量，其中，比如不同的光栅传感器信号不需要进行复杂的互相关。图8显示了利用该实施例进行的各实验中相对于流速的所测量的脱落频率f的示图。在该实验中，流过通道C的流体的流速Uflw已经被设为11个不同的预定值(从Om/s到5. 5m/s,具有O. 25m/s的步长)，并且所产生的FBG传感器信号被处理以检测卡门频率。从图8中可见，三个不同的测试运行均提供了所检测的频率&对(versus)流速Uflw的相同的线性示图。对于低流速(在该实例中为O. 5m/s)以及高流速(在该实例中为5. 5m/s)，可获得可靠的数据。由上可见，本申请提供了光纤涡旋流量计1，其中在一个实施例中，使用光纤布拉格光栅(FBG)传感器可测量涡旋脱落产生的应变。该传感器可使用相对小的部分的标准光纤7，由于可将传感器信号直接送入表面内，所以不需要井下电子设备。设置在液体流量(比如钝头体2)内的流量计部分尤其不包括任何电动元件，没有电动操作传感器以及电力布线。优选地，在(单个)光纤7的情况下，仅光学通信装置延伸到设置在流体内的传感器部分并且穿过过该传感器部分延伸。在另一实施例中，传感器部分的远端部分不受流体通道C的内部(比如通过嵌入第二脱落器部分2B)的影响。光纤流量计的优点在于，该流量计是真正安全的并且不受到电磁干扰的影响。钝头体2可为大致T形，包括截顶三角形部分2A，所述截顶三角形部分2A具有与它连接的长尾部分2B。优选地，该钝头体的尾部部分2B尽可能地薄以增大其变形并且从而增大利用传感器测量的应变。流量计I可检测单相流量(液体或气体)，比如水、水蒸气或其他流体。已经发现，该实施例可提供关于测量的线性度和信号质量的最佳的钝头体设计，其中光纤布拉格光栅可在较大流速速率范围内为传感器信号提供可检测的应变振荡信息。因此，传感器可提供精确的流量测量并且对流速变化非常敏感。同样，比如，大致T形主体(比如该实施例)具有最佳的钝头体配置以产生应变。钝头体2B的矩形板状部分的偏差可较高。此外，T形主体还是唯一可被用于利用一根光纤连接一系列流量计的形状。而且，已经发现，该形状可在操作的过程中为传感器信号提供非�：玫男旁氡�。在另一实施例中，已经连接涡旋脱落器2的光纤部分可包括其他光纤布拉格光 栅，比如用于检测温度的光纤布拉格光栅。在一个实施例中，涡旋脱落器2可具有光纤布拉格光栅传感器系统3、7的第二光纤布拉格光栅FBG2,第二光纤布拉格光栅FBG2被配置成因感知到温度的变化而改变各个光纤布拉格光栅传感器信号。为此，优选地，第二光纤布拉格光栅FBG2的纵向方向基本上垂直于纵向通道方向进行延伸。比如，额外的第二光栅FBG2可被设置在脱落器位置处，所述脱落器位置基本上不受卡门涡旋V的影响。在图5中，用于温度光栅的两个可能的位置由箭头FBG2表示。比如，第二光纤光栅FBG2可被设置在弯曲的光纤部分8的所提及的第一部分8a内，或者被设置在靠近通道壁11附近的入口(并且可选地也为出口)点。或者，该组件可具有另根光纤，所述光纤不包括所提及的第一光栅FBG，但是一定包括第二光栅并且将第二光栅固定在流体流动内以检测流体温度。此外，根据另一实施例，本发明可用于质量流测定中，比如，根据H. Zhang等人在Flow Measurement and Instrumentation (流量测量与仪表设备)17 (I), 2006 中发表的“Astudy of mass flow rate measurement based on the vortex shedding principle”(基于涡旋脱落原理的质量流速测量研究)中教导，利用在相对于脱落器2 (并且与脱落器2间隔开)的上游设置的压力传感器(该申请中未显示)的测量结果。根据一个有利的实施例，本发明提供了被配置成测量流动流体的物理量(比如密度)的设备。在一优选实施例中，该设备提供有上面已经描述的流量计I或者相似的流量计，在图I至图7中描述了流量计I。参见附图，该设备包括被配置成延伸到流动流体内(在操作的过程中流过通道C)的传感器体2。因此，在该实例中，传感器体2有利地包括刚性部分2A以将传感器体连接到流体通道的壁11。特别地，检测器体2的第二部分2B为柔性(板状)的弹性元件2B，所述弹性元件2B具有光纤布拉格光栅FBG、FBG2。柔性弹性元件2B连接到刚性部分2A，并且包括光纤布拉格光栅FBG的光纤穿过刚性部分2A进入柔性部分2B。从图中可见，柔性元件2B平行于流体的流径延伸(在操作的过程中)。在该实例中，柔性部分2B为弹性元件，从刚性支撑部分2A处延伸。而且,检测器体2整体地包括光纤布拉格光栅传感器3、7的(第一)光纤布拉格光栅FBG，用于生成与传感器体2的至少部分2B的振动相关的检测器信号。该设备包括处理单元3，在该实例中，该处理单元3被有利地配置成处理检测器信号并且以传感器体2的柔性第二部分2B的机械本征频率(即固有频率)基于所检测的振动确定物理量。换言之处理单元3被有利地配置成检测所述机械本征频率，优选地(但并非必然地)实时(尤其使用检测器信号)进行检测。在图9中描述了检测器信号的频谱的实例；获得这种频谱为公共常识(比如使用傅里叶变换)。在该实例中，要检测的本征频率为固有振动的频率，该固有振动主要在第二脱落器部分2B的横向方向上，即，在与涡旋脱落振动相同的方向(与流体流动方向垂直，如图3中的双箭头q所示)上。如上所述，这样的振动在第二脱落器部分2B内引起表面应变，所述表面应变可使用第一光纤布拉格光栅FBG来检测。柔性的弹性元件(连接到刚性支架中)的本征频率为元件已经从偏离初始的非振动状态的位置处释放之后该元件自身振动的频率。通常，每个物体具有一个或多个本征频率(具有以Hz为单位的最低值的第一模式本征频率)。从下面的公式可看出，本征频率取决于与元件接触的流体(如果有的话)的密度。在该非限制性实例中，传感器体2的柔性的弹性部分2B的本征频率(固有频率)被定义为
权利要求
1.一种被配置成检测流动流体的物理量的设备，该设备包括 被配置成延伸到所述流动流体内的传感器体(2)，所述传感器体包括光纤布拉格光栅传感器(3、7，FBG)的光纤布拉格光栅(FBG)，以生成与所述传感器体(2)的至少柔性部分(2B)的振动相关的检测器信号；以及 检测器信号处理单元(3)， 其中所述传感器体部分(2B)具有机械的本征频率，该本征频率被定义为 f = f0 (I+Κ. rho) _1/2 其中f为流体内所述柔性部分(2B)的所述本征频率(Hz)，&为真空内所述柔性部分 (2B)的初始本征频率(Hz)，rho为所述流体的密度(kg/m3)，K为与所述柔性部分(2B)的尺寸和质量相关的常量(m3/kg)， 其中所述处理单元被配置成利用所述检测器信号检测所述传感器体(2)的所述柔性部分(2B)的所述机械的本征频率f，并且基于所述所检测的机械的本征频率f确定所述物理量。
2.根据权利要求I所述的设备，所述传感器体包括具有光纤布拉格光栅(FBG)的柔性元件(2B)，所述本征频率f为所述柔性元件(2B)的本征频率。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述柔性元件(2B)平行于所述流体的流径延伸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述处理单元被配置成检测所述传感器体(2)的所述柔性部分(2B)的所述实际的本征频率f与该部分(2B)的所述初始本征频率&的偏差。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述处理单元具有存储器或与存储器相关，所述存储器被配置成存储所述初始本征频率fo。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述柔性传感器体部分(2B)的所述本征频率低于10000Hz，比如低于2000Hz。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述传感器体(2)具有刚性部分(2A)，所述刚性部分(2A)将所述传感器体连接到流体通道的壁；柔性元件(2B)，所述柔性元件(2B)包括连接到所述刚性部分(2A)的所述光纤布拉格光栅(FBG);以及光纤，所述光纤包括通过所述刚性部分(2A)进入所述柔性部分(2B)的所述光纤布拉格光栅(FBG)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括振动电感器或与振动电感器相关，被配置成利用所述流动流体引起所述传感器体(2)的所述柔性部分(2B)的振动。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述传感器体为涡旋脱落器(2)，所述涡旋脱落器(2)被配置成在操作的过程中在所述流体内产生卡门涡旋(V)。
10.根据权利要求9所述的设备，其中利用与所述涡旋脱落器(2)的所述各个光纤布拉格光栅(FBG)相关的所述光纤布拉格光栅(FBG)传感器信号，可检测由所述涡流脱落器(2)所产生的涡旋(V)的卡门涡旋频率(fK)。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述卡门涡旋频率(fK)低于所述传感器体(2)或所述传感器体(2)的所述部分(2B)的固有频率。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述柔性传感器体部分的厚度小于4mm,比如小于2mm。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述传感器体部分(2B)的所述本征频率与所述检测器信号的频谱内的第二峰值相关，使所述第二峰值与和所述频谱内的峰值有关的第一涡旋脱落频率分离。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一频率峰值和所述第二频率峰值相隔至少 IOOHz ο
15.根据权利要求13或14所述的设备，其中所述处理单元被配置成检测所述频率峰值，并且尤其检测所述峰值的所述频率。
16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述处理单元被配置成确定所述检测器信号的频谱。
17.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述物理量为所述流体的密度(rho)ο
18.—种被配置成检测流动流体的物理量的设备，比如根据前述权利要求中任一项所述的设备，该设备包括 被配置成延伸到所述流动流体内的传感器体(2)，所述传感器体包括光纤布拉格光栅传感器(3、7，FBG)的光纤布拉格光栅(FBG)，以生成与所述传感器体(2)的至少柔性部分(2B)的振动相关的检测器信号；以及 处理单元，所述处理单元具有存储器或与存储器相关，所述存储器被配置成存储所述传感器体部分(2B)的初始本征频率A，所述处理单元被配置成利用所述检测器信号来检测所述传感器体(2)的所述柔性部分(2B)的实际的本征频率，并且利用所述检测器信号来确定所述传感器体(2)的所述柔性部分(2B)的所述固有振动的所述所检测的实际频率与所述所存储的部分(2B)的初始本征频率的偏差。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述处理单元被配置成基于所述所检测的偏差确定所述物理量。
20.—种比如使用根据前述权利要求中任一项所述的设备检测流动流体的物理量(比如密度)的方法，其中所述流体以第一频率引起传感器体的柔性部分(2B)的振动，其中检测所述振动部分(2B)的本征频率，使所述本征频率与所述第一频率分离，其中处理所述所检测的本征频率以确定所述物理量。
21.根据权利要求20所述的方法，所述方法包括引起涡旋，该涡旋使所述柔性部分(2B)以低于所述本征频率的涡旋脱落频率进行振动；以及检测所述涡旋脱落频率。
22.根据权利要求21所述的方法，其中使用相同的传感器检测所述涡旋脱落频率和所述本征频率。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，其中使用光纤布拉格光栅(FBG)检测所述本征频率。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，该方法包括 提供延伸到所述流动流体内的传感器体(2)，所述传感器体包括光纤布拉格光栅传感器(3、7, FBG)的光纤布拉格光栅(FBG),所述光纤布拉格光栅(FBG)生成与所述传感器体(2)的至少柔性部分(2B)的振动相关的检测器信号，其中所述传感器体部分(2B)具有机械的本征频率，所述本征频率被定义为 f = f0 (I+Κ. rho)_1/2 其中f为流体内所述柔性部分(2B)的所述本征频率(Hz)，&为真空内所述柔性部分(2B)的初始本征频率(Hz)，rho为所述流体的密度(kg/m3)，K为与所述柔性部分(2B)的尺寸和质量相关的常量(m3/kg)， 该方法进一步包括处理所述检测器信号以检测所述传感器体(2)的所述柔性部分(2B)的实际的机械本征频率f，并且基于所述机械的本征频率f确定所述物理量。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，所述方法包括 提供延伸到所述流体内的传感器体(2)，所述传感器体包括光纤布拉格光栅传感器(3>7,FBG)的光纤布拉格光栅(FBG),所述光纤布拉格光栅生成与所述传感器体(2)的至少柔性部分(2B)的振动相关的检测器信号；以及 处理所述检测器信号以检测所述传感器体(2)的所述柔性部分(2B)的所述实际的机械本征频率；以及 确定所述柔性部分(2B)的所述所检测的实际本征频率与所述部分(2B)的预定的初始本征频率的偏差。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述处理包括使用所述传感器信号的频谱，并且尤其包括检测在该频谱内的峰值，所述峰值与所述实际本征频率相关。
27.根据权利要求20至26中任一项所述的方法，其中所述本征频率低于1000Hz。
全文摘要
本申请公开了一种被配置成检测流动流体的物理量(比如流体的密度)的设备，该设备包括被配置成延伸到流动流体内的传感器体(2)，该传感器体包括光纤布拉格光栅传感器(3、7，FBG)的光纤布拉格光栅(FBG)，以生成与传感器体(2)的至少部分(2B)的振动相关的检测器信号；以及处理单元，该处理单元被配置成处理该检测器信号并且以传感器体(2)的柔性部分(2B)的机械本征频率基于所检测的振动确定物理量。
文档编号G01N11/16GK102648400SQ201080055373
公开日2012年8月22日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月8日
发明者沃特·希费尔利 申请人:荷兰应用自然科学研究组织Tno
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