[发明专利]被配置成检测流动流体的物理量的设备及相关方法

说明书

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，使用与该涡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，可检测涡旋脱落器所产生的涡旋的卡门涡旋频率。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1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＝f_0.(1+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。