ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ВЯЗКОСТИ Российский патент 2024 года по МПК G01N11/10 

Изобретение относится к устройствам для непрерывного определения вязкости текучих сред, в частности, на нефтедобывающем оборудовании.

Известны устройства для непрерывного измерения вязкости текучих сред, использующие электромеханическое преобразование исходного силового сигнала зонда.

Так, в устройстве для определения вязкости (RU 2537524), зонд, выполненный в форме двуплечего рычага, передает силовое воздействие среды через герметичную мембрану и толкатель на тензометрический датчик давления, от которого электрический сигнал в размерности вязкости поступает на экран показывающего прибора.

В устройстве (RU 160404) в измерительную трубу технологического трубопровода встроена измерительная капсула с индукционными катушками, включенными в электрическую цепь переменного тока по мостовой схеме и реагирующими на перемещение под воздействием сил натекания среды ферромагнитного элемента.

К недостаткам датчиков с размещенными в трубопроводе механическими подвижными элементами относятся низкий порог чувствительности из-за трения, возможности загрязнения и накопления погрешностей в цепочке передачи и преобразования исходного сигнала, а также значительное перекрытие зондом проходного сечения трубопровода.

Известен тензометрический датчик вязкости (SU 1286945), содержащий чувствительные элементы в виде двух тензодатчиков с зондами, имеющими различное гидравлическое сопротивление и частично погруженными в измеряемую среду переменного уровня, и регистрирующий прибор обработки сигналов, определяющий вязкость при движении зондов относительно измеряемой среды в открытом канале.

Предложенное устройство ограничено использованием в открытых (без избыточного давления) объемах, а его метрологические показатели -уровнем точности тензометрического преобразователя изгибных деформаций зондов в электрический сигнал.

Известны встраиваемые в трубопровод датчики вязкости вибрационного типа, например, Solartron 7827 и 7829 фирмы Mobrey (Великобритания), ViskoSense фирмы VAF Instruments (Нидерланды), РРМ-HLV-2 (Китай), чувствительные элементы которых представляют собой камертоны, поддерживаемые электроникой прибора в резонансе. Поскольку резонансная частота камертона определяется плотностью среды, а затухание колебаний пропорционально вязкости, то по замерам частоты и параметров затухания колебаний прибор обработки сигнала рассчитывает искомые характеристики среды - динамическую вязкость и плотность.

Известно устройство (RU 2700013) для измерения физических свойств периодически отбираемых проб биологических жидкостей, использующее встроенный в катридж кантилевер на основе оптических волокон. Указанное устройство состоит из измерительного блока, включающего источник света, фотоприемник, электромагнит для формирования переменного по времени магнитного поля, процессор для обработки выходного сигнала фотоприемника и создания измерительного сигнала, и катриджа, соединенного с измерительным блоком. Катридж содержит канал, заполняемый порцией исследуемой биологической жидкости - плазмы, цельной крови, слюны и др., - и пересекающийся с погруженным в жидкость волноводом, покрытым магнитным материалом и колеблющимся в магнитном поле.

По параметрам отраженного оптического сигнала определяется вязкость жидкости, при этом вариантами изобретения предусмотрена возможность использования кантилевера на основе оптического волокна с волоконной брегговской решеткой (ВБР).

Общим недостатком датчиков вязкости вибрационного типа с электромагнитными и электронно-акустическими источниками колебаний являются значительные габариты чувствительных элементов и применение электроники, что ограничивает температурный диапазон применения датчика.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, по числу совпадающих с изобретением функциональных и конструктивных признаков, является волоконно-оптический датчик для непрерывного измерения вязкости среды (патент РФ 2755782 от 21.09.2021г.), содержащий оптическое волокно, по длине которого последовательно размещены зонд, контактирующий с текучей средой, элемент силовой связи зонда с волоконной брегговской решеткой, волоконная брегговская решетка и элемент оптической связи волоконной брегговской решетки с регистрирующим прибором). Данное устройство принято за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - волоконно-оптический датчик вязкости, размещенный внутри трубы, включающий соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, чувствительный элемент и фотоприемник, входящий в блок обработки информации; источник электромагнитного излучения выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны; чувствительный элемент выполнен из оптического волокна, на котором записаны волоконные брегговские решётки.

Недостатком прототипа является взаимодействие волокна и его защитно-упрочняющего покрытия с химически агрессивной средой и высокими температурами. Кроме того, недостатком является недолговечность конструкции, что не позволяет производить непрерывное удалённое измерение вязкости жидкости внутри трубы в течение длительного времени.

Задачей изобретения является создание волоконно-оптического датчика вязкости, позволяющего производить непрерывное удалённое измерение вязкости жидкости внутри трубы, исключить взаимодействие оптического волокна с агрессивной средой, обеспечить возможность передачи измерительной информации на удалённый терминал непосредственно без дополнительной обработки; расширение арсенала технических средств измерения вязкости.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном волоконно-оптическом датчике вязкости, размещенном внутри трубы, включающем соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью переключения рабочей длины волны, чувствительный элемент и фотоприемник, входящий в блок обработки информации, чувствительный элемент выполнен из оптического волокна, на котором записаны волоконные брегговские решётки, согласно изобретению чувствительный элемент выполнен в виде прикрепленного к оптическому волокну рычажка, предназначенного для передачи усилия от измеряемой среды к волокну, при этом одна часть рычажка расположена в трубе, а другая часть рычажка и оптическое волокно чувствительного элемента расположены вне трубы.

В качестве волоконного световода может быть использован одномодовый волоконный световод.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа – чувствительный элемент выполнен в виде прикрепленного к оптическому волокну рычажка, предназначенного для передачи усилия от измеряемой среды к волокну; одна часть рычажка расположена в трубе, а другая часть рычажка и оптическое волокно чувствительного элемента расположены вне трубы; в качестве волоконного световода использован одномодовый волоконный световод.

Такая конструкция датчика позволяет производить непрерывное удалённое измерение вязкости жидкости внутри трубы, исключить взаимодействие оптического волокна с агрессивной средой, обеспечить возможность передачи измерительной информации на удалённый терминал непосредственно без дополнительной обработки. Расширяется арсенал технических средств измерения вязкости.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков датчика с достижением указанного технического результата.

На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптического датчика вязкости.

На фиг. 2 представлена конструкция волоконно-оптического датчика вязкости, вид сбоку.

На фиг. 3 представлена конструкция волоконно-оптического датчика вязкости в перпендикулярном разрезе трубы.

На фиг.4- 6 показаны зависимости смещения брэгговской длины волны от динамической вязкости жидкости при различных геометрических параметрах рычажка.

Волоконно-оптический датчик вязкости (фиг.1) содержит источник электромагнитного излучения – лазер 1, чувствительный элемент 2, фотоприемник 3, персональный компьютер (ПК) 4 (блок обработки информации). Чувствительный элемент 2 с одной стороны подключен к фотоприемнику 3, а с другой стороны соединен с источником электромагнитного излучения 1, при помощи волоконного световода.

Датчик размещен в трубе 5. Чувствительный элемент 2 выполнен в виде оптического волокна 6 и прикрепленного к нему рычажка, состоящего из верхнего плеча активатора 7, шарнира 8 и нижнего плеча активатора 9. Рычажок предназначен для передачи усилия от измеряемой среды к волокну 6.

При этом одна часть рычажка (верхнее плечо активатора 7) расположена в трубе 5, а другая часть рычажка (нижнее плечо активатора 9) и оптическое волокно 6 чувствительного элемента 2 расположены вне трубы 5. Шарнир 8 рычажка обеспечивает ему подвижность и сохраняет герметичность трубы 5.

На оптическом волокне 6 записаны волоконные брегговские решётки (ВБР) 10. Оптическое волокно 6 закреплено к трубе 5 с одной стороны с помощью неподвижного крепления 11, а с другой стороны прикреплено к рычажку с помощью подвижного крепления 12 таким образом, что при движении рычажка оно растягивается или сжимается.

Источник электромагнитного излучения 1 выполнен с возможностью переключения рабочей длины волны. В качестве волоконного световода может быть использован одномодовый волоконный световод.

На фиг.2, 3 позицией 13 показана жидкость, на фиг.3 буквой а обозначена ширина рычажка; буквой в –высота верхнего плеча 7 активатора;

буквой д - высота нижнего плеча 9 активатора.

Устройство работает следующим образом: по трубе 5 течет жидкость 13, её скорость описывается профилем Пуазейля (фиг.2). Жидкость 13 действует с силой на верхнее плечо активатора 7, закрепленного на стенке трубы 5 шарниром 8. Сила давления жидкости 13 передаётся нижним плечом активатора 9 на подвижное крепление 12 (фиг.3). На подвижное крепление 12 закреплено волокно 6, по которому направлен световой пучок (фиг.2). Рабочая длина волны светового пучка определяется лазером 1. На оптическом волокне 6 записаны волоконные решётки Брэгга 10, изменение геометрических размеров которых (удлинение или сжатие) создает брэгговское смещение длины волны.

С другой стороны решётки волокно 6 соединено с неподвижным креплением 11 (фиг.2). Деформация ВБР 10 регистрируется системой измерения, состоящей из фотоприемника 3 и персонального компьютера 4 (фиг.1).

Для подтверждения работоспособности заявляемого датчика была получена математическая модель.

Из уравнения Пуазейля известно, что распределение скорости при течении жидкости в трубе имеет вид:

где ΔP – изменение давления на концах трубы, η – динамическая вязкость.

Помещая начало координат (x, y) в точку крепления шарнира, уравнение (1) примет вид

Элементарная сила df, действующая на элемент длины верхнего плеча активатора в потоке будет равна

где c_f – безразмерный коэффициент, ρ – плотность среды, dS – площадь шарнира.

Подставив скорость из (2) в выражение (3) и интегрируя, получим результирующую силу, действующую на всё верхнее плечо активатора

Проинтегрировав (4) и подставив пределы интегрирования, имеем:

Момент силы давления жидкости M, действующий на активатор равен

где b_eff – предполагаемая точка на активаторе, на которую действует вся сила.

$$b_{eff}=\frac{{\displaystyle \underset{0}{\overset{b}{\int }}ydf(y)}}{{\displaystyle \underset{0}{\overset{b}{\int }}df(y)}}=\frac{a{c}_f\frac{\rho }{2}{\left(\frac{\Delta P}{4\eta L}\right)}^2{b}^4\left(\frac{1}{6}{b}^2-\frac{4}{5}bR+R^2\right)}{a{c}_f\frac{\rho }{2}{\left(\frac{\Delta P}{4\eta L}\right)}^2{b}^3\left(\frac{1}{5}{b}^2-bR+\frac{4}{3}{R}^2\right)}=\frac{b\left(\frac{1}{6}{b}^2-\frac{4}{5}bR+R^2\right)}{\frac{1}{5}{b}^2-bR+\frac{4}{3}{R}^2}$$ . (7)

При отсутствии трения в шарнире момент силы M, действующий на нижнем рычаге активатора, связан с силой упругости f_упр, возникающей в оптоволокне, соотношением

где d – нижнее плечо активатора.

Из уравнений (6) и (8) имеем формулу

Механическое напряжение σ в волокне определяется как

где r_fiber–радиус волокна.

По закону Гука механическое напряжение σ связно с упругой деформацией

где E – модель Юнга, ε – относительная деформация.

Используя уравнения (10) и (11), можно определить относительную деформацию

и сдвиг длины волны Δλ

Для подтверждения работоспособности предлагаемого датчика были также построены графики, основанные на вышеописанных формулах (фиг.4-6). В настоящее время минимальная разрешающая способность интеррогаторов составляет порядка 10 пикометров. В то время смещение брэгговской длины волны датчика для жидкости с низкой вязкостью составляет единицы нанометров, что с легкостью позволяет регистрировать показания вязкости при помощи заявляемого устройства.

Таким образом, предлагаемый датчик позволяет производить непрерывное удалённое измерение вязкости жидкости внутри трубы, исключить взаимодействие оптического волокна с агрессивной средой и обеспечить возможность передачи измерительной информации на удалённый терминал непосредственно без дополнительной обработки. Кроме того, расширяется арсенал технических средств измерения вязкости.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам вязкости, и может применяться для измерения вязкости жидкостей. Волоконно-оптический датчик вязкости, размещенный внутри трубы, содержит соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью переключения рабочей длины волны, чувствительный элемент и фотоприемник, входящий в блок обработки информации. Чувствительный элемент выполнен из оптического волокна, на котором записаны волоконные брегговские решётки, и прикрепленного к оптическому волокну рычажка, предназначенного для передачи усилия от измеряемой среды к волокну. При этом одна часть рычажка расположена в трубе, а другая часть рычажка и оптическое волокно чувствительного элемента расположены вне трубы. Технический результат - возможность производить непрерывное удалённое измерение вязкости жидкости внутри трубы. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Волоконно-оптический датчик вязкости, размещенный внутри трубы, включающий соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, выполненный с возможностью переключения рабочей длины волны, чувствительный элемент и фотоприемник, входящий в блок обработки информации, при этом чувствительный элемент выполнен из оптического волокна, на котором записаны волоконные брегговские решётки, отличающийся т е м, что чувствительный элемент дополнительно содержит рычажок, прикрепленный к оптическому волокну предназначенный для передачи усилия от измеряемой среды к волокну, при этом одна часть рычажка расположена в трубе, а другая часть рычажка и оптическое волокно чувствительного элемента расположены вне трубы.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве волоконного световода использован одномодовый волоконный световод.