[发明专利]使用光纤传感器对明渠中的流体流的监测

说明书

一种监测明渠系统的流体流的方法。本方法使用沿着明渠系统的至少一部分延伸的光纤，所述光纤在流体表面下方的通道内。本方法包括：将光脉冲发送到传感器光纤中；从传感器光纤接收反向散射的光；以及分析反向散射的光的性质以获得表示沿着传感器光纤的应变的数据。应变数据可被处理以获得与流体流相关的信息，诸如，流体深度、流速、流量。用于光纤传感器的容纳系统可包含并保护光纤，并将明渠中的流体的压强转换成光纤中的应变。流体的温度也被测量，并执行对所测量的应变的温度补偿。该系统具体可应用于下水道、或排水沟、或排水渠、或河堤，并且，光纤传感器轴向地安装在通道的底部。

技术领域

本发明大体涉及监测明渠中的流体，所述明渠诸如下水道、排水沟或河道。

背景技术

明渠(流体)流是在管道内流动的那些流体，由于流体的上表面(通常情况下)不与包围的管道接触从而不受包围的管道限制，因此流体存在自由表面。明渠流体流在正常工作状态下例如在下水道、河流、排水沟、排水渠和河堤中产生。这些被称为明渠系统。

过去，与暗渠管道流动系统(例如输油管线)相比，这些明渠系统中的一些明渠系统虽受到监测但仅勉强达到非常有限的程度。然而，具体地从诸如排水沟和下水道的明渠水流系统中获得精确、连续、广域测量被认为越来越必要。由于洪水风险因全球变暖以及对环境影响的灵敏性增加而增加，因此这种新出现的需求增加，这种环境影响是由这种系统的故障和过载而带来的。

先前用于明渠流的测量和监测的技术包括多种类型的机械式和机电式流量计、多普勒效应声学仪(Doppler acoustic instruments)(例如，参见US4413531)和多普勒效应激光流量计(Doppler laser flow meters)(例如，参见US8743351)。这些现有技术的流量计全都需要在要实施测量的位置处对测量设备进行一定程度的安装。因此，在经济上，它们不适于广泛分布式的安装。

发明内容

概括地说，本发明提出使用明渠系统的管道内的光纤传感器系统来监测管道中的明渠流体流的特征。与上文提到的已知的“点”测量系统相比，本方法使连续分布式监测成为可能。因此，由于本方法允许在以其它方式无法接近的位置范围内(例如，下水道和类似的管道内)的连续测量，所以该方法将对系统操作员具有重大价值。

在本申请中所提及的明渠系统旨指以下的系统：在该系统中，液体在管道中流动，其中，由于(通常情况下)流体的上表面不与包围的管道接触从而不受包围的管道限制，因此在液体中存在自由表面。如以上所提及的那样，在正常工作状态下，明渠流体流例如在下水道、河流、排水沟、排水渠和河堤中产生。本发明不打算应用于封闭的流动系统，所述封闭的流动系统例如：碳氢化合物生产系统或其封闭的流动部分(例如，碳氢化合物流动线；浮式生产系统(包括连接至一个或多个井的管线系统)；碳氢化合物井等)。

更具体地，在第一方面，本发明提供一种监测明渠系统中的明渠流体流的方法，该方法使用沿着明渠系统的至少一部分延伸的光纤，所述光纤在流体表面下方的通道内，所述方法包括：

将光脉冲发送到传感器光纤中；

从传感器光纤接收反向散射的光；以及

分析反向散射的光的性质以获得表示沿着传感器光纤的应变的数据。

应变由明渠中流动的流体施加在光纤上的压强而产生在光纤中。因此，光纤中的应变可用于确定流体流的特征。

可对应变数据进行处理以导出与明渠系统的管道中的明渠流体流相关的信息。例如，可从应变数据直接或间接地导出描述流体流(例如流体深度、流体流的速率、流体流量(即体积流量))的一个或多个参数。

可通过针对时间上多个连续的点记录参数来导出与流体流相关的进一步信息，从而识别参数随时间的变化。