Волоконно-оптический датчик измерения скорости жидкости и/или газа

Настоящая полезная модель относится к волоконно-оптическим датчикам измерения скорости жидкости и/или газа и используется в системах для измерения расхода жидкостей и газов, и может быть использована для контроля расхода потребления воды или природного газа, но особенно в промышленных системах, которые предназначены для мониторинга расхода жидкости или газа в трубопроводах и нефтяных/газовых скважинах. Датчик включает в себя оптическое волокно, содержащее, по меньшей мере, одну волоконную решетку Брэгга. Причем волоконная решетка Брэгга снабжена, по меньшей мере, одним концентратором механических напряжений, возникающих в оптическом волокне при взаимодействии его с потоком жидкости и/или газа. В результате повышается чувствительность датчика.

Область техники

Настоящая полезная модель относится к волоконно-оптическим датчикам измерения скорости жидкости и/или газа, применяемых в системах для измерения расхода жидкостей и газов, и может быть использована для контроля расхода потребления воды или природного газа, но особенно в измерительных системах, которые предназначены для мониторинга расхода жидкости или газа в трубопроводах и нефтяных/газовых скважинах.

Уровень техники

Известно использование волоконно-оптических датчиков выполненных в виде преобразователей на основе решеток, расположенных вдоль оптического волокна (световода) (US 6271766, G 01 D 5/353, 07.08.2001).

В известном устройстве, каждый волоконно-оптический преобразователь, в виде волоконно-оптической решетки, отражает различную длину волны в зависимости от ее пространственного периода. Широкополосный световой сигнал от источника света распространяется вдоль оптического волокна и каждый преобразователь отражает часть этого сигнала в определенной полосе длин волн. Отраженные волны поступают в спектроанализатор. В качестве волоконно-оптических преобразователей используют, в частности, внутриволоконные решетки Брега.

Известное техническое решение предназначено для мониторинга различных электрофизических параметров в среде нефтяной или газовой

скважины, а именно: давление и температура среды, вибрация потока среды.

Недостатком данного устройства является то, что используемый в нем волоконно-оптический датчик не позволяет контролировать изменение скорости потока жидкости и/или газа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящей полезной модели является волоконно-оптический датчик измерения скорости жидкости и/или газа, включающий оптическое волокно, содержащее, по меньшей мере, одну волоконную решетку Брэгга (US 20050145039, G 01 F 1/00, 07.07.2005). В известном техническом решении охарактеризован волоконно-оптический датчик, предназначенный для измерения скорости жидкости и газа, и включающий оптическое волокно (волоконный световод), содержащее волоконные решетки Брэгга.

Недостатком известного волоконно-оптического датчика является недостаточная чувствительность к малым изменениям контролируемого параметра.

Сущность полезной модели

Задачей настоящей полезной модели является разработка и создание волоконно-оптического датчика для измерения скорости жидкости и/или газа, обладающего улучшенными характеристиками.

В результате решения данной задачи возможно получение технического результата, заключающегося в повышении чувствительности датчика.

Данный технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике измерения скорости жидкости и/или газа, включающем оптическое волокно, содержащее, по меньшей мере, одну волоконную решетку Брэгга, волоконная решетка Брэгга снабжена

концентратором механических напряжений, возникающих в оптическом волокне при взаимодействии его с потоком жидкости и/или газа.

Отличительная особенность настоящей полезной модели заключается в том, что волоконная решетка Брэгга снабжена концентратором механических напряжений, возникающих в оптическом волокне при взаимодействии его с потоком жидкости и/или газа. В результате при незначительных изменениях скорости жидкости и/или газа существенно увеличиваются механические напряжения в оптическом волокне и, соответственно, в матрице решеток Брэгга, что приводит к изменению частоты отраженной волны.

Целесообразно концентратор механических напряжений выполнить в виде элемента, имеющего поперечный размер больше, чем диаметр оптического волокна и размещенного в области расположения решетки Брэгга.

Целесообразно, чтобы концентратор механических напряжений имел обтекаемую форму, например, в виде шара или эллипсоида.

Целесообразно волоконную решетку Брэгга разместить в защитном кожухе. Кожух может быть выполнен, например, в виде полого цилиндра или трубки.

Предпочтительно, чтобы оптическое волокно было снабжено защитным покрытием, которое может быть выполнено из металла или из углерода, или из керамики, или из пластика, или из полиамида.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 изображена схема волоконно-оптического датчика измерения скорости жидкости и/или газа, выполненного в соответствии с настоящей полезной моделью, на фиг.2 показан возможный вариант фиксации оптического волокна (волоконного световода) и волоконной решетки Брэгга в кожухе.

Осуществление полезной модели

Изображенный на фиг.1 волоконно-оптический датчик измерения скорости жидкости и/или газа содержит оптическое волокно (волоконный световод) 1, по меньшей мере, одну волоконную решетку 2 Брэгга, и концентраторы 3 механических напряжений, имеющие обтекаемую форму.

Согласно фиг.2, волоконно-оптический датчик измерения скорости жидкости и/или газа дополнен защитными кожухами 4.

Оптическое волокно 1, в котором размещена, по меньшей мере, одна волоконная решетка 2 Брэгга (ВРБ) представляет собой основу датчика. ВРБ 2 являются чувствительными элементами, распределенными вдоль оптического волокна 1, на которые оказывает влияние поток жидкости и/или газа, что приводит к возникновению механического напряжения в оптическом волокне 1 и в ВРБ 2. В режиме покоя, т.е. неизменности скорости протекания контролируемой жидкости и/или газа периоды ВРБ 2 стабильны. Механическое напряжение в ВРБ 2 создается силами трения, возникающими между движущейся жидкостью и/или газом и расположенным в потоке оптическим волокном 1. Оптическое волокно 1 снабжено концентратором механических напряжений, который расположен в области размещения ВРБ 2. При изменении скорости потока жидкости и/или газа происходит изменение пространственного периода ВРБ, что, в свою очередь, вызывает изменение частоты отраженной волны. Наличие концентратора механических напряжений вызывает более существенное изменение пространственного периода ВРБ. Отраженные сигналы от ВРБ поступают на принимающее устройство, в качестве которого может быть использован спектроанализатор.

Датчик в соответствии с настоящей полезной моделью может быть частью кабеля или регистрирующей системы, которая может быть установлена в трубопроводе постоянно или только на время измерений.

Датчик в соответствии с настоящей полезной моделью может быть изготовлен любым известным способом с использованием известных технологий и не требует создания специального оборудования или оснастки.

1. Волоконно-оптический датчик измерения скорости жидкости и/или газа, включающий оптическое волокно, содержащее, по меньшей мере, одну волоконную решетку Брэгга, отличающийся тем, что волоконная решетка Брэгга снабжена концентратором механических напряжений, возникающих в оптическом волокне при взаимодействии его с потоком жидкости и/или газа.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что концентратор механических напряжений выполнен в виде элемента, имеющего поперечный размер больше, чем диаметр оптического волокна и размещен в области расположения решетки Брэгга.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что концентратор механических напряжений имеет обтекаемую форму.

4. Датчик по п.2, отличающийся тем, что концентратор механических напряжений выполнен в форме шара или эллипсоида.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что волоконная решетка Брэгга размещена в защитном кожухе.

6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что защитный кожух выполнен в виде полого цилиндра или трубки.

7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что оптическое волокно снабжено защитным покрытием.

8. Датчик по п.7, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено из металла.

9. Датчик по п.7, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено из углерода.

10. Датчик по п.7, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено из керамики.

11. Датчик по п.7, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено из пластика.

12. Датчик по п.7, отличающийся тем, что защитное покрытие выполнено из полиамида.