用于测量管道内的不稳定压力的 非插入式纤维光学压力传感器 本申请是序列号为09/105,525的共同所有的同时待审的美国专利申请的部分继续申请，该申请题为“Non-Intrusive Fiber OpticPressure Sensor for Measuring Inside，Outside and AcrossPipes”，申请日为1998年6月26日。
本发明涉及对管道周围的压力的探测，更确切地说，涉及一种用于测量管道内的不稳定压力的非插入式的光纤压力传感器。
在石油和气体工业中，人们已经知道对井下管道内的液体压力进行测量对石油和气体的探测和生产来说是十分有用的。然而，典型的压力传感器需要在管道内钻孔以便将压力传递给传感器，或者将传感器或传感器的一部分安置在管道中。在管道上钻孔花费多并且给系统增加了故障隐患。因此，就需要以非插入的方式测量管道内的压力。
本发明的目的是提供一种用于测量管道内的不稳定压力的非插入式压力传感器。
根据本发明，用于在沿管道的至少一个轴向位置上测量不稳定(ac，动态地或随时间变化的)压力的压力传感器，包括缠绕在管道周围的光纤。
进一步根据本发明，当被测压力变化时所述光纤的长度随之变化。进而根据本发明，将一具有与压力相关的反射波长的反射元件装在所述的光纤中。
本发明通过运用纤维光学探测提供一种用于测量管道内不稳定压力的非插入式压力传感器，从而获得了较之已有技术的显著进步。本发明不需要任何井下的电子器件，因而提高了测量的可靠性。此外，本发明与电系统相比具有固有的安全和防爆性。本发明还提供在管道预定轴向长度上的轴向平均不稳定压力和/或圆周平均压力。圆周向平均自然将伴随横向管道振动、流动噪声，以及更高维的声学振荡的压力扰动滤除。这一特性可用于测量传播中的一维声波。这样，本发明可以用于石油和气体探测和生产或在管道或导管中流动有液体(或气体)的其它应用的实时不稳定压力测量。
根据以下具体描述的示例，本发明的上述和其它优点将更明显。
图1是根据本发明的一管道的侧视图，该管道具有在每个不稳定压力测量位置缠绕的光纤以及一对围绕每个光纤圈的布喇格光栅。
图2是一个端面剖视图，它图示了根据本发明的内部压力Pin和外部压力Pout。
图3是根据本发明一管道的侧视图，该管道具有在每个不稳定压力测量位置缠绕的光纤以及在每一对光纤圈之间具有一个布喇格光栅。
图4是根据本发明一的管道的侧视图，该管道具有在每个不稳定压力测量位置缠绕的光纤并且在每个光纤圈的周围没有布喇格光栅。
图5是根据本发明的图1、3的散热器形状的光纤圈几何形状。
图6是根据本发明的图1、3的跑道形状的光纤圈几何形状。
图7是根据本发明的管道的端面剖视图，该管道上缠绕着图5、6中所示的光纤。
图8是根据本发明的一个管道的侧视图，在该管道的每个轴向探测位置上有一对光栅。
图9是根据本发明的一个管道的侧视图，在该管道的每个轴向探测位置上有一个光栅。
参照附图1，管道(或导管)12上装有多个沿管道12设置的非插入式的基于分布纤维光栅的压力传感器18-24。每个压力传感器18-24包括相应的线圈302-308，这些线圈在管道12上缠绕预定的长度。每个传感器14-18包括一个或多个布喇格光栅310-324，而所述的布喇格光栅具有与之相对应的预定反射波长λ1，λ2，λ3，λ4。
光栅310-324与Glenn等的题为“Method for ImpressingGratings Within Fiber Optics(在光纤内加光栅的方法)”的第4,725,110号美国专利中所述的光栅相类似；然而，如果需要，可以使用任何置入光纤10内部的波长可调光栅或反射元件。如人们所知的，布喇格光栅将其中央峰值反射波长λb的预定波长带的光反射，而使剩余波长的入射光(在预定的波长范围内)通过。因而，入射光40沿光纤10传播到传感器14-18而光栅310-324沿光纤10反射光42。
依旧参照附图，光学压力传感器18-24可以是基于布喇格光栅的压力传感器，诸如在1997年9月8日提出的，题为“High SensitivityFiber Optic Pressure Sensor For Use In Harsh Environments(残酷环境下使用的高灵敏度光纤压力传感器)”的共同待审的第08/925,598号美国专利申请中所描述的那样。或者，传感器18-24可以是附着在或置入管道内壁或外壁的用于测量管道壁应变的光学应变计量器。在本发明的一个实施例中，纤维光学压力传感器18-24可以单独连接或者使用波分多路连接(WDM)、时分多路连接(TDM)或者任何其它光学多路连接技术(以下详述)沿一条或多条光纤多路连接。
参照图2，纤维光学压力传感器18-24(图1、3、4、7、8、9)，可以通过测量管道12的直径(以及箭头351所表示的周长)在箭头弹性延伸和收缩来测量不稳定(或动态或ac)的管道12内的压力变化Pin。通常，应变计量器对由于管道12内的不稳定压力而形成的任何方向上的挠曲进行测量。当内部压力Pin改变时，在应变计量器的位置上对管道12的弹性延伸和收缩进行测量，这样就测量到了管道12上由箭头351所表示方向上挠曲产生的局部应变(轴向应变，环形应变或非轴向应变)。以不同的方式，根据管道12的环向力、管道12的内部压力Pin和外部压力Pout、管壁352的厚度Tw以及管道材料的硬度或模量来确定所述圆周方向的变化量。这样，基于所需的传感器灵敏度和其它参数对传感器部分14、16(图1)的管壁352厚度和管道材料进行设定，它们可以与探测区域14、16以外部分的管道材料和壁厚不同。
参照图1、3、4，表示了光学应变计量器的可能的设置。纤维光学压力传感器18-24可以由在每个压力传感器位置上贴着管道12盘绕或缠绕的光纤300构成，所述的压力传感器位置是由分别对应于压力P1、P2、P3、P4的线圈或缠绕圈302-308所表示的位置。光纤圈302-308缠绕管道12，从而使得每个光纤圈302-308的长度在管道12内的不稳定压力变化的作用下，随管道的环向应变而改变。使用下面将介绍的已知的光学测量技术测量这一光纤长度的变化。每个缠绕圈实质上是测量在管道12上对应的轴向位置上管道12内的圆周平均压力。缠绕圈还提供在给定缠绕圈的轴向长度上的轴向平均压力。当管道12的结构可以对短波长扰动进行空间滤除，我们发现，本发明的基本理论与上文所述的点传感器实质上相同。
参照附图1，对于本发明中缠绕圈302-308串接而成的实施例，成对的布喇格光栅(310，312)、(314，316)、(318，320)、(322，324)分别位于沿光纤300的每个缠绕圈302、304、306、308的相对端上。光栅用于对将压力信号P1、P2、P3、P4进行多路传输，以便从返回光信号中识别出各个缠绕圈。在缠绕圈302左右的第一对光栅310、312具有共同的反射波长λ1，而在缠绕圈304左右的第二对光栅314、316具有共同的反射波长λ2，但是与第一对光栅310、312的不同。与此相类似，在缠绕圈306左右的第三对光栅318、320具有共同的反射波长λ3，它与λ1、λ2不同，而在缠绕圈308左右的第四对光栅322、324具有共同的反射波长λ4，它与λ1、λ2、λ3不同。
参照图2，可以使用一组布喇格光栅，而在每个缠绕圈302-308之间仅有一个光栅，并且每个光栅具有共同的反射波长λ1，而不是对于每个缠绕圈具有不同的一对反射波长。
参照图1和图3，可以依照多种已知的方式对带有光栅310-324(图1)或光栅360-368(图3)的缠绕圈302-308进行构造，以便准确测量光纤长度或是光纤长度的改变量，如干涉测量、法布里-珀罗、飞行时间或其它已知的设备。在Glenn的题为“Fiber OpticSensor Arrangement Having Reflective Gratings Responsive toParticular Wavelengths(反射光栅相应于具体波长的光纤传感器装置)”的第4,950,883号美国专利中就记载了一个法布里-珀罗技术的实例。飞行时间(或时分割-多路连接；TDM)是沿光纤300发射一具有一波长的光脉冲以及沿着该光纤300反射回的一组光脉冲。于是可以通过每个返回脉冲之间的时间延迟来确定每个缠绕圈的长度。
换言之，光栅(如果需要的话，或者包括光栅或整个光纤)之间的部分或全部光纤上可以搀入稀土搀杂剂(比如饵)，以便制成可调的纤维激光器，比如在Ball等人的题为“Continuously TunableSingle Mode Rare-Earth doped Laser Arrangement(连续可调单模稀土掺杂的激光装置)”第5,317,576号美国专利或Ball等人的题为“Active Multipoint Fiber Laser Sensor(有源多点纤维激光传感器)”的第5,513,913号美国专利，亦或是在Ball等人的题为“Birefringent Active Fiber Laser Sensor(双干涉有源纤维激光传感器)”的第5,564,832号美国专利中所记载的那样，上述内容在此以引用的方式公开。
在图1、3中可以看到光栅310-324是关于管道12轴向定位的，它们可以沿管道12轴向定位、环向定位或以任何其它的方向定位。根据所述的定位，所述光栅可以以不同等级的灵敏度测量管壁352中的变形。如果光栅反射波长随内部压力变化而改变，对于具体构造(比如纤维激光器)或许需要这种变化，或者对于其它构造，在光学测试设备中对其进行补偿，例如，通过对每一对光栅考虑出一定范围内的反射波长偏移。或者，不将每个缠绕圈串接，而是将它们并接，例如，通过在每个缠绕圈之前使用光耦合器(未示出)，将每一个都耦合到共同的光纤300。
参照附图4，换言之，还可以将传感器18-24构成为纯粹的干涉测量传感器，它是这样实现的，用缠绕圈302-308缠绕管道12而不使用布喇格光栅，其中将各个光纤330、332、334、336分别连接至各个缠绕圈302、304、306、308。在这个特殊的实施例中，可以使用已知的干涉测量技术来确定由于压力变化而导致的围绕管道12的光纤10的长度变化或长度，诸如，马赫-陈德尔或密西生干涉测量技术，如在Carroll等人的题为“Method and Apparatus for theNon-invasive Measurement of Pressure Inside Pipes Using aFiber Optic Interferometer Sensor(利用光纤干涉仪传感器非侵测量管内压力的方法和装置)”的第5,218,197号美国专利中所描述的。可以将干涉测量缠绕圈多路连接，诸如在登载于1991年2月的IEEE上的Dandridge等人的“Fiber Optic for Navy Applications(海军用光纤)”一文中，或者是登载于1991年的SPIE第1586卷第176-183页的Dandridge等人的文章“MultiplexedInterferometric Fiber Sensor Arrays(多路复用的干涉仪纤维传感器阵列)”中所记载的。也可以使用其它确定光纤长度变化的技术。对于具体的干涉测量方法，还可以使用参考光学线圈(未示出)，并且可以将它们置于管道12上或其周围，但是要将其设计为对压力变化不敏感。
参照附图5和6，缠绕圈302-308还可以具有其它几何形状，比如象一个“散热器线圈”形状(图5)或一个“跑道”形状(图6)，它是以侧视图的方式显示的，好比将管道12轴向割开并将其放平，而不是说缠绕圈302-308是完全缠绕管道12的光纤线圈。在这个特殊实施例中，参照图7所示的那样，纤维光学压力传感器302不必围绕管道缠绕360度，但是可以如箭头50所示的那样覆盖管道12圆周的预定部分。纤维光学压力传感器302的长度需足以对管道周缘的变化进行测量。如果需要，还可以使用缠绕圈和纤维光学传感器构造的其它几何形状。对于在此描述的缠绕圈的任何几何形状，根据所需要的全部光纤长度，可以使用多于一层的光纤。根据所要测量的ac压力的特征来设定任何特殊缠绕圈的所需轴向长度，例如，由被测涡流引起的压力扰动的轴向或相干长度。
参照图8和图9，其中的本发明的实施例的构造不采用缠绕圈302-308的形式，而是将光纤300中较短的一部分装在围绕管道的一部分圆周上，它可以用来检测管道圆周的变化。传感器具有螺旋状(未示出)设置于管道12上的光纤300，这也是在本发明的范围之内的。如上所述，应变感应原件的定位会改变由于管道12内瞬时的不稳定压力而导致的管壁352内的反射的灵敏度。
特别参照附图8，将成对的布喇格光栅(310，312)、(314，316)、(318，320)、(322，324)沿着光纤300设置，其中在每个光栅对之间的分别是是光纤300上的一小部分380-386。在那种情况下，可以以与前述类似的方式，使用已知的法布里-珀罗、干涉测量、飞行时间或纤维激光探测技术来测量管道中的应变。
或者参照图9，在管道上设置单个的光栅370-376并且用于测量在测量位置上管道12内应变(以及由此的管道内的不稳定压力)的不稳定变化。当每个传感器用一个光栅时，光栅反射波长偏移就成为管道直径变化以及由此的压力变化的表征。
可以采用其它任何技术或构造的光学应变计量器。光学信号分析方法和光学应变计量器技术的类型对于本发明来说并不是关键的，本发明的范围并不局限于任何具体的技术和方法。
对于在此描述的任何实施例，可以将压力传感器通过粘贴、胶粘、环氧树脂、胶带或其它适合的连接手段贴到管道上从而确保传感器和管道12之间有适当的接触。还可以通过已知的机械技术将传感器拆除或永久地粘贴，这些机械技术可以是机械固定件、弹簧加载、卡钉、钳夹装置、捆扎或其它等同的技术。或者将光纤和/或光栅置入复合管道。如果需要，对于某些应用，可以将光栅从管道12上拆除(或与管道12应变或声学隔离)。
本发明可以用于测量与不稳定压力(ac、动态的或随时间变化)相关的管道内容物的参数(或特性)。例如，本发明可以用于借助于其所产生的动态压力波用传感器来测量何时有一段液体或固体流经所述的管道。
当然，如果需要，除管道外，还可以使用用于输送流体(在这里流体是指液体或气体)的任何导管。此外，可以理解，本发明也可以用于光反射和/或传输中。还有，即使在本发明的描述中记载的是使用了四枚传感器，可以很容易地想到，依据具体的应用可以使用更多或更少的传感器。
可以理解，关于在此描述的某一具体实施例的特征、特性、选择或变形可以与在此所述的任何其它实施例合并。
尽管已经结合典型实施例进行了文字描述和和结合附图的讲解，在不脱离本发明的原理和范围的前提下可以对上述内容进行多种增添和改变。