Page: of 4 Fibre Optic Pressure an

Page: of 4
Fibre Optic Pressure and Temperature Sensor for Geothermal Wells K.Bremer, E.Lewis, G. Leen, B. Moss Optical Fibre Sensor Research Centre (OFSRC), University of Limerick Ireland [e-mail] S. Lochmann, I. Mueller Dept. of Electrical Eng. and Computer Science Hochschule Wismar Germany T. Reinsch, J. Schroetter Helmholtz Centre Potsdam GFZ-German Research Centre for Geosciences GermanyAbstract— In this paper a fibre optic sensor is developed and tested to measure pressure and temperature under simulated wellbore conditions. The sensor consists of a miniature all-silica fibre optic Extrinsic Fabry-Perot Interferometer (EFPI) sensor which has a novel embedded Fibre Bragg Grating (FBG) reference sensor element to determine both pressure and temperature at the point of measurement. The sensor head is completely fabricated from fused-silica components, i.e. completely made of glass, utilizing a 200μm outer diameter silica glass fibre, a silica glass capillary and a Single-Mode FBG. All silica-glass components were spliced together using a conventional fusion splicer to obtain a robust sensor structure. I. INTRODUCTION The use of geothermal energy is an important issue of future energy supply within strategies for the mitigation of climate changes [1]. In order to evaluate the productivity of geothermal reservoirs and to optimize the economic output, the characterization of wellbore conditions is essential by e.g. measuring pressure and temperature down-hole [2][3]. Fibre optic sensors are well suited for the application in geothermal wells due to several inherent advantages like remote operation, miniature size and robust construction. For example, EFPI [4][5], FBG [6] or spatially multiplexed [7] EFPI and FBG fibre optic sensors have previously been successfully used to measure either pressure, temperature or both measurands separately in down-hole applications. However, hitherto this, no such measurements have been performed using a fibre optic sensor capable of observing both parameters simultaneously at the point of measurement. In this paper a fibre optic sensor is reported to measure pressure and temperature at the point of measurement. The fibre optic sensor consists of a miniature all-silica EFPI pressure sensor with an encapsulated FBG for temperature sensing. The fibre optic sensor head is formed from silica glass components only by splicing a Single Mode (SM) FBG, a silica glass capillary and a 200μm silica glass fibre together. Therefore the fibre optic sensor provides a simple, miniature and robust sensor configuration to measure pressure and temperature in geothermal wells. II. P RINCIPLE OF OPERATION A schematic of the fibre optic pressure and temperature sensor is illustrated in Fig. 1. The fibre optic sensor was fabricated by splicing the 200μm silica glass fibre and the SM FBG to the glass capillary to obtain a robust sensor structure. In addition, the 200μm fibre was cleaved and polished using raw polishing paper several hundred micrometers from the glass capillary/200μm fibre splice, in order to avoid light reflections at the outer surface of the 200μm fibre. Figure 1. Fibre optic sensor 978-1-4244-8168-2/10/$26.00 ©2010 IEEE 538 IEEE SENSORS 2010 Conference
As shown in Fig. 1, incident light I0 propagating to the sensor head is reflected at the FBG for a wavelength equal to the Bragg wavelength λB, which is defined as [8]: ,2 Λ= effBn λ (1) where neff is the refractive index of the core material and Λ is the period of the grating. All other wavelengths propagate in normal matter through the fibre and are reflected at the glass/air interface of the SM fibre and at the air/glass interface of the 200μ m fibre. Both reflections transmit back into the SM fibre and generate light interference. Due to the low reflections coefficients of the glass/air and air/glass interface, the function of the light interference can be calculated as [9]: ).cos1(2 0 C R RII φ +⋅= (2) In Equation (2) R is the reflection coefficient of the glass/air- and air/glass- interface and φC is the phase shift between both reflected light waves. φC is defined as: , 4 λ π φ nL C = (3) where n is the refractive index of the EFPI cavity, λ is the free space optical wavelength and L is the EFPI cavity length. When pressure is applied to the fibre optic sensor, the glass capillary deforms and hence changes the EFPI cavity length. The cavity length change ΔLP due to applied pressure ΔP can be expressed as [5]: () , 21 )( 21 22 2 PaP rrE rL L io os P Δ=Δ− − =Δ μ (4) where μ is the Poisson’s ratio of the glass capillary, E is the Young’s modulus, LS is the effective length of the pressure sensor, ro and ri are the inner and outer radius of the glass capillary. Due to the thermal expansion of all glass components, the EFPI cavity is also sensitive to temperature. The change of the EFPI cavity length as a result of temperature can be calculated as: () . 22 21 TaTa T P LL L FSFCT Δ=Δ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ++−=Δ ααα (5) In Equation (5) αC and αF are the Coefficient of Thermal Expansion (CTE) of the glass capillary and the SM fibre. P and T are the pressure and temperature during sealing the EFPI cavity. The FBG is entirely encapsulated in the glass capillary, which keeps the pressure induced Bragg wavelength changes sufficiently low. The temperature sensitivity of the FBG is established through effect on induced refractive index change and on the thermal expansion coefficient of the SM fibre. The shift of the Bragg wavelength due to temperature can be expressed as [8]: , 1 12 , TaT dT dn n eff eff FBTB Δ=Δ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +=Δ αλλ (6) where dneff/dT is the thermo optic coefficient. Using the pressure and temperature coefficients from Equation (4) to (6) the following matrix equation can be constructed: . 2221 1211 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ Δ Δ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡= ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ Δ Δ T P aa aa L Bλ (7) a11 represents the pressure sensitivity of the FBG and was negligible for the developed FOPS due to the encapsulated FBG within the glass capillary. In order to obtain pressure and temperature readings from the fibre optic sensor, the matrix in Equation 7 has to be inverted. III. EXPERIMENTAL SET UP The fibre optic sensor was interrogated using the interrogation system shown in Fig. 2. The interrogation system consists of a Broad-Band Source (BBS) (INO FBS-C), an optical circulator and an Optical Spectrum Analyser (OSA) (ANDO AQ6330). Light from the BBS is guided through the optical circulator to the sensor and is reflected at the sensor head back to the optical circulator again. From the optical circulator the reflected spectrum of the fibre optic sensor is transferred to the OSA. The OSA captures and normalises the reflected fibre optic sensor spectrum. A computer is used to acquire and analyse the spectrum. In Fig. 3 an example of the reflected spectrum of the fibre optic sensor is depicted. As illustrated in Equation (4) and (5), the EFPI cavity length changes linear with applied pressure and temperature, Figure 3. Fibre optic sensor spectrum Figure 2. Interrogation system 539
respectively. Consequently, the phase of the EFPI cavity changes linearly with the measurands (Equation (3)). To obtain the phase change of the EFPI cavity length, the acquired spectrum of the fibre optic sensor was correlated with a synthetic signal. The synthetic signal was generated according to Equation (2). A cross-correlation coefficient was achieved depending on the phase φS of the synthetic signal. For a given set of φS, the cross-correlation coefficient reaches its maximum, when φS is equal to φC. Using the phase information from the cross-correlation coefficient, the change of the EFPI cavity length was calculated. The cross-correlation processing worked well for phase changes less or equal to φC≤2π. However, phase ambiguities occurred for phase changes larger than 2π. Therefore, a phase unwrapping algorithm was applied using the pressure information from the reference pressure sensor. Currently, the interrogation system and the signal processing of the EFPI cavity length calculation are under investigation to avoid the use of the phase unwrapping algorithm. The temperature inducted shift of the Bragg wavelength ΔλB was measured by detecting the right edge of the FBG spectrum. Down-hole temperature and pressure conditions were simulated using an oil-filled pressure chamber. The pressure chamber was pressurized with a hydraulic pressure hand pump and reference pressure was measured using an electrical pressure reference sensor (Keller PA-33X). In addition, the pressure chamber was inserted in a temperature stabilized water bath to keep the temperature constant during pressure experiments. The reference temperature was measured using a PT25 temperature sensor. A picture of the experimental set up is shown in Fig. 4. In Fig. 4 the temperature stabilised water bath including the pressure chamber are illustrated. The pressure input was connected to the left port of the pressure chamber, whereas the fibre optic sensor was mounted to the right port. IV. EXPERIMENTS The pressure and temperature response of the fibre optic sensor were evaluated by measuring pressure at different temperatures. Pressure experiments were started at ambient pressure (labelled with 0MPa) and increased incrementally to 30MPa for four different temperatures (25°C, 40°C, 55°C and 70°C). The temperature was kept constant during each pressure experiment. The change of the EFPI cavity length due to applied pressure and temperature are shown in Fig. 5. The EFPI cavity shows a good linear correlation to applied pressure. Moreover, the temperature sensitivity is much smaller compared to the pressure sensitivity. Thus, for a relatively small temperature range, the cross-sensitivity of the EFPI cavity to temperature can be neglected. In Fig. 6, the temperature response of the FBG sensor is illustrated. The meas

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

หน้า: ของ 4 เส้นใยแก้วนำแสงความกดดันและเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิใต้พิภพบ่อ K.Bremer, E.Lewis, Leen กรัม B. มอออพติคอลไฟเบอร์เซนเซอร์วิจัยศูนย์ (OFSRC), [e-mail] มหาวิทยาลัยลิเมอริกไอร์แลนด์ S. Lochmann, I. เลอร์แผนกของไฟฟ้าสุขาภิบาล และคอมพิวเตอร์วิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยแห่งเมือง Wismar เยอรมนีต. Reinsch, J. Schroetter Helmholtz ศูนย์พอทสดัม GFZ เยอรมันศูนย์วิจัยสำหรับสเซียน GermanyAbstract — ในกระดาษนี้ ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์ถูกพัฒนา และทดสอบเพื่อวัดความดันและอุณหภูมิใต้จำลองสภาพ wellbore เซนเซอร์ประกอบด้วยขนาดเล็กเส้นใยซิลิก้าทุกใยสึกหรอเพโรต์ Fabry Interferometer (EFPI) เซนเซอร์ซึ่งมีนวนิยายฝังเส้นใย Bragg Grating (FBG) อ้างอิงเซนเซอร์องค์ประกอบที่กำหนดความดันและอุณหภูมิณขณะวัด หัวเซ็นเซอร์เป็นทั้งหลังสร้างจากคอมโพเนนต์นส่วน fused เช่นทำมาจากแก้ว ใช้เป็น 200μm เส้นผ่าศูนย์กลางภายนอกซิแก้วไฟเบอร์ แก้วซิลิกาที่เส้นเลือดฝอยและ FBG โหมดเดียว ส่วนประกอบทั้งหมดแก้วซิลิกาถูก spliced กันใช้ฟิวชั่นธรรมดาต่อเชือกเพื่อให้ได้โครงสร้างแข็งแกร่งเซ็นเซอร์ I. บทนำการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพเป็นประเด็นสำคัญของการจัดหาพลังงานในอนาคตภายในกลยุทธ์ในการลดปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ [1] เพื่อประเมินประสิทธิผลของอ่างเก็บน้ำความร้อนใต้พิภพ และ เพื่อเพิ่มผลผลิตทางเศรษฐกิจ จำแนกเงื่อนไข wellbore เป็นสิ่งจำเป็น ด้วยเช่นวัดความดันและอุณหภูมิลงหลุม [2] [3] เส้นใยแก้วนำแสงเซ็นเซอร์ซึ่งเหมาะสำหรับใช้ในบ่อใต้พิภพเนื่องจากข้อดีโดยธรรมชาติหลายประการเช่นการดำเนินงานระยะไกล ขนาดเล็ก และก่อสร้างที่แข็งแกร่ง ตัวอย่าง EFPI [4] [5], FBG [6] หรือ spatially multiplexed [7] EFPI และ FBG ไฟเบอร์ใยแก้วนำแสงเซนเซอร์ก่อนหน้านี้สำเร็จใช้วัดทั้งความดัน อุณหภูมิหรือ measurands ทั้งสองแยกกันในลงหลุมโปรแกรมประยุกต์ อย่างไรก็ตาม มาจนบัดนี้ วัดดังกล่าวไม่ได้ใช้เส้นใยแก้วนำแสงเซนเซอร์สามารถสังเกตพารามิเตอร์ทั้งสองพร้อมกันณขณะที่วัด ในเอกสารนี้ มีรายงานเป็นไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์วัดความดันและอุณหภูมิณขณะที่วัด ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์ประกอบด้วยขนาดเล็กซิลิกาทั้งหมด EFPI ความดันเซนเซอร์กับ FBG เป็นสรุปสำหรับตรวจวัดอุณหภูมิ ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์หัวจะเกิดขึ้นจากส่วนประกอบแก้วซิลิก้า โดย splicing เดียวโหมด (SM) FBG เส้นเลือดฝอยแก้วซิลิก้าและเส้นใยแก้วซิลิกา 200μm กันเท่านั้น ดังนั้น ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์ให้ง่าย ขนาดเล็ก และโครงแข็งแกร่งเซ็นเซอร์เพื่อวัดความดันและอุณหภูมิในบ่อใต้พิภพ มันครั้งที่สอง P RINCIPLE ของการดำเนินงาน A ของเส้นใยแก้วนำแสงความกดดันและเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิเป็นแส Fig. 1 ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์ถูกหลังสร้าง โดย splicing FBG SM กับแก้วเส้นเลือดฝอยเพื่อให้ได้โครงสร้างแข็งแกร่งเซ็นเซอร์และเส้นใยแก้วซิลิกา 200μm นอกจากนี้ ไฟเบอร์ 200μm ถูกแหวก และขัดโดยใช้กระดาษดิบขัดคัลไมโครมิเตอร์แบบร้อยหลายจากประกบ แรง/200μm ใยแก้ว เพื่อหลีกเลี่ยงการสะท้อนแสงที่ผิวด้านนอกของเส้นใย 200μm รูปที่ 1 ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์ 978-1-4244-8168-2/10/$26.00 © 2010 IEEE 538 IEEE เซนเซอร์ 2010 ประชุมAs shown in Fig. 1, incident light I0 propagating to the sensor head is reflected at the FBG for a wavelength equal to the Bragg wavelength λB, which is defined as [8]: ,2 Λ= effBn λ (1) where neff is the refractive index of the core material and Λ is the period of the grating. All other wavelengths propagate in normal matter through the fibre and are reflected at the glass/air interface of the SM fibre and at the air/glass interface of the 200μ m fibre. Both reflections transmit back into the SM fibre and generate light interference. Due to the low reflections coefficients of the glass/air and air/glass interface, the function of the light interference can be calculated as [9]: ).cos1(2 0 C R RII φ +⋅= (2) In Equation (2) R is the reflection coefficient of the glass/air- and air/glass- interface and φC is the phase shift between both reflected light waves. φC is defined as: , 4 λ π φ nL C = (3) where n is the refractive index of the EFPI cavity, λ is the free space optical wavelength and L is the EFPI cavity length. When pressure is applied to the fibre optic sensor, the glass capillary deforms and hence changes the EFPI cavity length. The cavity length change ΔLP due to applied pressure ΔP can be expressed as [5]: () , 21 )( 21 22 2 PaP rrE rL L io os P Δ=Δ− − =Δ μ (4) where μ is the Poisson’s ratio of the glass capillary, E is the Young’s modulus, LS is the effective length of the pressure sensor, ro and ri are the inner and outer radius of the glass capillary. Due to the thermal expansion of all glass components, the EFPI cavity is also sensitive to temperature. The change of the EFPI cavity length as a result of temperature can be calculated as: () . 22 21 TaTa T P LL L FSFCT Δ=Δ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ++−=Δ ααα (5) In Equation (5) αC and αF are the Coefficient of Thermal Expansion (CTE) of the glass capillary and the SM fibre. P and T are the pressure and temperature during sealing the EFPI cavity. The FBG is entirely encapsulated in the glass capillary, which keeps the pressure induced Bragg wavelength changes sufficiently low. The temperature sensitivity of the FBG is established through effect on induced refractive index change and on the thermal expansion coefficient of the SM fibre. The shift of the Bragg wavelength due to temperature can be expressed as [8]: , 1 12 , TaT dT dn n eff eff FBTB Δ=Δ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +=Δ αλλ (6) where dneff/dT is the thermo optic coefficient. Using the pressure and temperature coefficients from Equation (4) to (6) the following matrix equation can be constructed: . 2221 1211 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ Δ Δ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡= ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ Δ Δ T P aa aa L Bλ (7) a11 represents the pressure sensitivity of the FBG and was negligible for the developed FOPS due to the encapsulated FBG within the glass capillary. In order to obtain pressure and temperature readings from the fibre optic sensor, the matrix in Equation 7 has to be inverted. III. EXPERIMENTAL SET UP The fibre optic sensor was interrogated using the interrogation system shown in Fig. 2. The interrogation system consists of a Broad-Band Source (BBS) (INO FBS-C), an optical circulator and an Optical Spectrum Analyser (OSA) (ANDO AQ6330). Light from the BBS is guided through the optical circulator to the sensor and is reflected at the sensor head back to the optical circulator again. From the optical circulator the reflected spectrum of the fibre optic sensor is transferred to the OSA. The OSA captures and normalises the reflected fibre optic sensor spectrum. A computer is used to acquire and analyse the spectrum. In Fig. 3 an example of the reflected spectrum of the fibre optic sensor is depicted. As illustrated in Equation (4) and (5), the EFPI cavity length changes linear with applied pressure and temperature, Figure 3. Fibre optic sensor spectrum Figure 2. Interrogation system 539respectively. Consequently, the phase of the EFPI cavity changes linearly with the measurands (Equation (3)). To obtain the phase change of the EFPI cavity length, the acquired spectrum of the fibre optic sensor was correlated with a synthetic signal. The synthetic signal was generated according to Equation (2). A cross-correlation coefficient was achieved depending on the phase φS of the synthetic signal. For a given set of φS, the cross-correlation coefficient reaches its maximum, when φS is equal to φC. Using the phase information from the cross-correlation coefficient, the change of the EFPI cavity length was calculated. The cross-correlation processing worked well for phase changes less or equal to φC≤2π. However, phase ambiguities occurred for phase changes larger than 2π. Therefore, a phase unwrapping algorithm was applied using the pressure information from the reference pressure sensor. Currently, the interrogation system and the signal processing of the EFPI cavity length calculation are under investigation to avoid the use of the phase unwrapping algorithm. The temperature inducted shift of the Bragg wavelength ΔλB was measured by detecting the right edge of the FBG spectrum. Down-hole temperature and pressure conditions were simulated using an oil-filled pressure chamber. The pressure chamber was pressurized with a hydraulic pressure hand pump and reference pressure was measured using an electrical pressure reference sensor (Keller PA-33X). In addition, the pressure chamber was inserted in a temperature stabilized water bath to keep the temperature constant during pressure experiments. The reference temperature was measured using a PT25 temperature sensor. A picture of the experimental set up is shown in Fig. 4. In Fig. 4 the temperature stabilised water bath including the pressure chamber are illustrated. The pressure input was connected to the left port of the pressure chamber, whereas the fibre optic sensor was mounted to the right port. IV. EXPERIMENTS The pressure and temperature response of the fibre optic sensor were evaluated by measuring pressure at different temperatures. Pressure experiments were started at ambient pressure (labelled with 0MPa) and increased incrementally to 30MPa for four different temperatures (25°C, 40°C, 55°C and 70°C). The temperature was kept constant during each pressure experiment. The change of the EFPI cavity length due to applied pressure and temperature are shown in Fig. 5. The EFPI cavity shows a good linear correlation to applied pressure. Moreover, the temperature sensitivity is much smaller compared to the pressure sensitivity. Thus, for a relatively small temperature range, the cross-sensitivity of the EFPI cavity to temperature can be neglected. In Fig. 6, the temperature response of the FBG sensor is illustrated. The meas

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

หน้า: 4
ความดันและไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์จับอุณหภูมิความร้อนใต้พิภพสำหรับเวลส์ K.Bremer, E.Lewis กรัม Leen บีมอสไฟเบอร์ออฟติคัลเซ็นเซอร์ศูนย์วิจัย (OFSRC) มหาวิทยาลัยโคลงไอร์แลนด์ [e-mail] เอส Lochmann, I. มูลเลอร์ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า และวิทยาการคอมพิวเตอร์ Hochschule วิสมาร์ตเยอรมนี Reinsch เจ Schroetter Helmholtz Centre พอทสดั GFZ เยอรมันศูนย์วิจัยธรณี GermanyAbstract- ในบทความนี้เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงที่มีการพัฒนาและทดสอบเพื่อวัดความดันและอุณหภูมิภายใต้เงื่อนไข wellbore จำลอง เซ็นเซอร์ประกอบด้วยขนาดเล็กทั้งหมดซิลิกาใยแก้วนำแสงภายนอก Fabry-Perot Interferometer (EFPI) เซ็นเซอร์ที่มีนวนิยายฝังไฟเบอร์ Bragg ตะแกรง (FBG) องค์ประกอบเซ็นเซอร์เพื่อตรวจสอบการอ้างอิงทั้งความดันและอุณหภูมิที่จุดของการวัด หัวเซนเซอร์ถูกประดิษฐ์อย่างสมบูรณ์จากส่วนประกอบผสมซิลิกาคือทำอย่างสมบูรณ์แก้วใช้เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก200μmซิลิกาใยแก้วเป็นฝอยแก้วซิลิกาและโหมดเดียว FBG ส่วนประกอบซิลิกาแก้วทั้งหมดได้รับการแต่งงานด้วยกันโดยใช้เชือกฟิวชั่นแบบเดิมเพื่อให้ได้โครงสร้างที่แข็งแกร่งเซ็นเซอร์ I. บทนำการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพของเป็นเรื่องที่สำคัญของการจัดหาพลังงานในอนาคตภายในกลยุทธ์ในการบรรเทาผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ [1] เพื่อประเมินผลผลิตของแหล่งความร้อนใต้พิภพและเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของผลผลิตทางเศรษฐกิจลักษณะของเงื่อนไข wellbore เป็นสิ่งจำเป็นโดยเช่นความดันและอุณหภูมิที่วัดลงหลุม [2] [3] ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์มีความเหมาะสมดีสำหรับการประยุกต์ใช้ในบ่อความร้อนใต้พิภพเนื่องจากความได้เปรียบโดยธรรมชาติหลายประการเช่นการดำเนินงานระยะไกลขนาดขนาดเล็กและการก่อสร้างที่แข็งแกร่ง ยกตัวอย่างเช่น EFPI [4] [5], FBG [6] หรือ multiplexed ตำแหน่ง [7] EFPI และ FBG เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงที่ได้รับก่อนหน้านี้ใช้ประสบความสำเร็จในการวัดทั้งอุณหภูมิความดันหรือ measurands ทั้งสองแยกจากกันในการใช้งานลงหลุม แต่จนบัดนี้นี้ไม่มีวัดดังกล่าวได้รับการดำเนินการโดยใช้เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงที่มีความสามารถในการสังเกตพารามิเตอร์ทั้งสองพร้อมกันที่จุดของการวัด ในบทความนี้เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงเป็นรายงานการวัดความดันและอุณหภูมิที่จุดของการวัด เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงประกอบด้วยขนาดเล็กทั้งหมดซิลิกา EFPI เซ็นเซอร์ความดันที่มีการห่อหุ้ม FBG สำหรับการตรวจวัดอุณหภูมิ ใยแก้วนำแสงหัวเซนเซอร์จะเกิดขึ้นจากองค์ประกอบแก้วซิลิกาโดยเฉพาะประกบโหมดเดี่ยว (SM) FBG เป็นฝอยแก้วซิลิกาและเส้นใยซิลิกา200μmแก้วด้วยกัน ดังนั้นเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงให้ง่ายขนาดเล็กและการกำหนดค่าเซ็นเซอร์ที่มีประสิทธิภาพในการวัดความดันและอุณหภูมิในบ่อความร้อนใต้พิภพ ครั้งที่สอง P rinciple ของการดำเนินงานวงจรของความดันใยแก้วนำแสงและเซ็นเซอร์อุณหภูมิจะแสดงในรูปที่ 1. เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงที่ถูกประดิษฐ์โดยประกบเส้นใยซิลิกา200μmแก้วและเอสเอ็ม FBG จะฝอยแก้วเพื่อให้ได้โครงสร้างที่แข็งแกร่งเซ็นเซอร์ นอกจากนี้ใย200μmที่ถูกตัดและขัดใช้กระดาษขัดดิบหลายร้อยไมโครเมตรจากเส้นเลือดฝอยแก้ว / 200μmประกบเส้นใยเพื่อหลีกเลี่ยงการสะท้อนแสงที่พื้นผิวด้านนอกของเส้นใย200μm รูปที่ 1 เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติก 978-1-4244-8168-2 / 10 / $ 26.00 © 2010 อีอีอีอีอีอี 538 SENSORS 2010
การประชุมดังแสดงในรูป 1, แสงที่ตกกระทบ I0 ขยายพันธุ์เพื่อหัวเซนเซอร์จะสะท้อนให้เห็นใน FBG สำหรับความยาวคลื่นเท่ากับλBความยาวคลื่นแบร็กซึ่งถูกกำหนดให้เป็น [8]: 2 Λ = effBn λ (1) ที่ NEFF เป็นดัชนีหักเหของ วัสดุหลักและΛเป็นช่วงเวลาของตะแกรงที่ ทุกความยาวคลื่นอื่น ๆ ที่เผยแพร่ในเรื่องปกติผ่านใยแก้วนำแสงและจะสะท้อนให้เห็นในกระจก / ติดต่อทางอากาศของเอสเอ็มและเส้นใยที่อากาศ / อินเตอร์เฟซใยแก้ว200μเมตร สะท้อนทั้งสองส่งกลับเข้าไปในเส้นใย SM และสร้างแสงรบกวน เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนต่ำของแก้ว / อากาศและอากาศ / อินเตอร์เฟซแก้ว, ฟังก์ชั่นของการรบกวนแสงสามารถคำนวณได้ [9]:) .cos1 (2 0 CR RII φ + ⋅ = (2) ในสมการ (2 ) R คือค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของกระจก / อากาศและอากาศ / อินเตอร์เฟซและ glass- φCเป็นกะระยะระหว่างทั้งสองสะท้อนคลื่นแสงφCหมายถึง:. 4 λπφ nL C = (3) โดยที่ n เป็น ดัชนีหักเหของช่อง EFPI, λคือความยาวคลื่นพื้นที่ว่างแสงและ L คือความยาวช่อง EFPI. เมื่อความดันถูกนำไปใช้เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงที่มีรูปทรงของเส้นเลือดฝอยแก้วและด้วยเหตุนี้การเปลี่ยนแปลงระยะเวลาในโพรง EFPI. ความยาวโพรงเปลี่ยนแปลงΔLPเนื่องจาก เพื่อΔPดันใช้สามารถแสดงเป็น [5] (), 21) (21 22 2 PAP RRE RL L io ระบบปฏิบัติการ P Δ = Δ- - = Δμ (4) ที่μคืออัตราส่วนของปัวซองของเส้นเลือดฝอยแก้ว E เป็นโมดูลัสของหนุ่ม LS คือความยาวที่มีประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ความดัน, โรรีและมีรัศมีด้านในและด้านนอกของเส้นเลือดฝอยแก้ว. เนื่องจากการขยายตัวทางความร้อนของทุกองค์ประกอบแก้วช่อง EFPI ยังมีความไวต่ออุณหภูมิ การเปลี่ยนแปลงของความยาวช่อง EFPI เป็นผลมาจากอุณหภูมิที่สามารถคำนวณเป็น () 22 21 ทาทา TP LL L FSFCT Δ = Δ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ ++ - = Δααα (5) ในสมการ (5) αCและαFมีค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวของความร้อน (CTE) ของเส้นเลือดฝอยแก้วและเส้นใยเอสเอ็ม . P และ T เป็นความดันและอุณหภูมิในช่วงปิดผนึกช่อง EFPI FBG จะห่อหุ้มทั้งหมดในเส้นเลือดฝอยแก้วซึ่งช่วยให้ความดันเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่น Bragg ต่ำพอสมควร ความไวอุณหภูมิของ FBG คือการผ่านผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหและเหนี่ยวนำให้เกิดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของเส้นใยเอสเอ็ม การเปลี่ยนแปลงของคลื่น Bragg เนื่องจากอุณหภูมิที่สามารถแสดงเป็น [8]: 1 12 ททท dT DN เอฟเอฟเอฟเอฟ n FBTB Δ = Δ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛ + = Δαλλ (6) ที่ dneff / dT เป็นค่าสัมประสิทธิ์ความร้อนใยแก้วนำแสง การใช้ความดันและอุณหภูมิค่าสัมประสิทธิ์จากสมการ (4) (6) สมการเมทริกซ์ต่อไปนี้จะถูกสร้างขึ้น: 2221 1211 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ΔΔ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ = ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ΔΔ TP กกกกBλ L (7) แสดงให้เห็นถึง A11 ไวต่อแรงกดของ FBG และได้เล็กน้อยสำหรับ FOPS การพัฒนาอันเนื่องมาจาก ห่อหุ้ม FBG ภายในเส้นเลือดฝอยแก้ว เพื่อให้ได้ความดันอุณหภูมิและการอ่านจากเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสง, เมทริกซ์ในสมการที่ 7 จะต้องมีการคว่ำ III ทดลองตั้งค่าเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงที่ถูกสอบปากคำโดยใช้ระบบการสอบปากคำแสดงในรูป 2. ระบบการสอบสวนประกอบด้วยแหล่ง Broad-Band (BBS) (INO FBS-C) ซึ่งเป็นปั่นออปติคอลและออปติคอลวิเคราะห์สเปกตรัม (OSA) (Ando AQ6330) แสงจาก BBS ถูกนำผ่านหมุนเวียนแสงเซ็นเซอร์และสะท้อนให้เห็นที่หัวเซ็นเซอร์กลับไปหมุนเวียนแสงอีกครั้ง จากปั่นแสงสเปกตรัมสะท้อนของเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงถูกโอนไปยัง OSA OSA จับและ normalises สเปกตรัมไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์สะท้อนให้เห็นถึง คอมพิวเตอร์ที่ใช้ในการรับและวิเคราะห์สเปกตรัม ในรูป 3 ตัวอย่างของสเปกตรัมสะท้อนของเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงที่เป็นภาพ ดังแสดงในสมการ (4) และ (5) การเปลี่ยนแปลงระยะเวลาในโพรง EFPI เชิงเส้นที่มีความดันและอุณหภูมิที่ใช้, รูปที่ 3 คลื่นความถี่เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกรูปที่ 2 ระบบการสอบสวน 539
ตามลำดับ ดังนั้นขั้นตอนของช่อง EFPI การเปลี่ยนแปลงเป็นเส้นตรงกับ measurands นี้ (สมการ (3)) ที่จะได้รับการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนของความยาวช่อง EFPI สเปกตรัมที่ได้มาของเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงมีความสัมพันธ์กับสัญญาณสังเคราะห์ สัญญาณสังเคราะห์ถูกสร้างขึ้นตามสมการ (2) ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ข้ามก็ประสบความสำเร็จขึ้นอยู่กับขั้นตอนของการφSสัญญาณสังเคราะห์ สำหรับชุดที่กำหนดของφS, ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ข้ามถึงสูงสุดเมื่อφSเท่ากับφC โดยใช้ข้อมูลที่ได้จากขั้นตอนค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ข้ามการเปลี่ยนแปลงของความยาวช่อง EFPI ถูกคำนวณ การประมวลผลข้ามความสัมพันธ์ทำงานได้ดีสำหรับการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนน้อยกว่าหรือเท่ากับφC≤2π แต่งงงวยขั้นตอนสำหรับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในขั้นตอนที่มีขนาดใหญ่กว่า2π ดังนั้นขั้นตอนขั้นตอนวิธีการแกะถูกนำมาใช้โดยใช้ข้อมูลความกดดันจากเซ็นเซอร์ความดันอ้างอิง ขณะนี้ระบบการสอบสวนและการประมวลผลสัญญาณของการคำนวณระยะเวลาในโพรง EFPI อยู่ภายใต้การตรวจสอบที่จะหลีกเลี่ยงการใช้อัลกอริทึม unwrapping เฟส อุณหภูมิแต่งตั้งเปลี่ยนแปลงของΔλBความยาวคลื่นแบร็กที่ได้รับการวัดโดยการตรวจสอบขอบด้านขวาของสเปกตรัม FBG อุณหภูมิลงหลุมและความดันสภาพถูกจำลองโดยใช้ความดันในห้องเต็มไปด้วยน้ำมัน ห้องความดันที่ถูกแรงดันกับปั๊มไฮโดรลิคมือดันและความดันอ้างอิงที่ถูกวัดโดยใช้เซ็นเซอร์อ้างอิงดันไฟฟ้า (เคลเลอร์ PA-33X) นอกจากนี้ห้องความดันที่ถูกแทรกอยู่ในอุณหภูมิที่มีความเสถียรอ่างน้ำเพื่อให้อุณหภูมิคงที่ในระหว่างการทดลองความดัน อุณหภูมิอ้างอิงถูกวัดโดยใช้เซ็นเซอร์อุณหภูมิ PT25 ภาพของการทดลองตั้งค่าแสดงในรูป 4. ในรูป 4 อุณหภูมิเสถียรอ่างน้ำรวมถึงห้องความดันที่มีการแสดง ใส่ความดันได้รับการเชื่อมต่อกับพอร์ตด้านซ้ายของห้องความดันในขณะที่เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงถูกติดตั้งเข้ากับพอร์ตที่เหมาะสม IV ทดลองการตอบสนองความดันและอุณหภูมิของเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงได้รับการประเมินโดยการวัดความดันที่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน ทดลองความดันถูกเริ่มต้นที่ความดันบรรยากาศ (กำกับด้วย 0MPa) และเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อ 30MPa สี่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน (25 ° C, 40 ° C 55 ° C ถึง 70 ° C) อุณหภูมิคงระหว่างการทดสอบความดันในแต่ละ การเปลี่ยนแปลงของความยาวช่อง EFPI เนื่องจากความดันและอุณหภูมิที่ใช้จะถูกแสดงในรูป 5. ช่อง EFPI แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์เชิงเส้นที่ดีที่จะนำไปประยุกต์ใช้ความดัน นอกจากนี้ยังมีความไวต่ออุณหภูมิจะมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับความไวความดัน ดังนั้นสำหรับในช่วงอุณหภูมิที่ค่อนข้างเล็ก, ความไวข้ามของช่อง EFPI อุณหภูมิสามารถละเลย ในรูป 6, การตอบสนองต่ออุณหภูมิของเซ็นเซอร์ FBG จะแสดง meas

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

หน้า : 4
ใยแก้วนำแสงและอุณหภูมิความดันเซ็นเซอร์ความร้อนใต้พิภพ เวลส์ เค เบรเมอร์ เช่น ลูอิส กรัม ลีน บี มอสไฟเบอร์ออปติคอลเซนเซอร์ที่ศูนย์วิจัย ( ofsrc ) , มหาวิทยาลัยลิเมอริกไอร์แลนด์ [e-mail] เอส ลอคมาน ผม Mueller ภาควิชาไฟฟ้า สาขาวิชา วิทยาศาสตร์ และคอมพิวเตอร์ hochschule Wismar เยอรมนี ต. reinsch เจschroetter เฮล์มโฮลทซ์ศูนย์พอทสดัมศูนย์วิจัยธรณีวิทยาเยอรมัน germanyabstract - ในกระดาษนี้มีไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์พัฒนาและทดสอบเพื่อวัดความดันและอุณหภูมิจำลองหลุมภายใต้เงื่อนไขเซนเซอร์ประกอบด้วยซิลิกาขนาดเล็กทั้งหมดใยแก้วนำแสงภายนอกเฟบรี้เครื่องอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์ ( efpi ) เซ็นเซอร์ซึ่งมีตะแกรงไฟเบอร์แบร็กนวนิยายฝังตัว ( 2 ) องค์ประกอบอ้างอิงเซ็นเซอร์เพื่อตรวจสอบทั้งความดันและอุณหภูมิที่จุดของการวัด หัวเซนเซอร์สมบูรณ์ประดิษฐ์จากซิลิกาผสมส่วนประกอบ คือ สมบูรณ์ ทำจากแก้วใช้ 200 μเมตรเส้นผ่าศูนย์กลางด้านนอกแก้วซิลิกาไฟเบอร์ , ซิลิกาแก้วฝอยและ 2 โหมดเดียว ทั้งหมดส่วนประกอบของแก้วซิลิกาได้แต่งงานกันใช้ฟิวชั่นธรรมดา splicer เพื่อให้ได้โครงสร้างเซ็นเซอร์ที่แข็งแกร่ง ผมแนะนำการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพเป็นปัญหาสำคัญของการจัดหาพลังงานในอนาคตภายในกลยุทธ์สำหรับการบรรเทาการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ [ 1 ]เพื่อประเมินประสิทธิภาพของความร้อนใต้พิภพแหล่งและเพิ่มประสิทธิภาพผลผลิตทางเศรษฐกิจ , การศึกษาสภาพหลุมเป็นสิ่งจำเป็นโดยการวัดความดัน และอุณหภูมิ เช่น down-hole [ 2 ] [ 3 ] ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์จะเหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้ในบ่อใต้พิภพเนื่องจากข้อได้เปรียบอยู่หลายงานเช่นระยะไกล ขนาดจิ๋ว และการก่อสร้าง ที่แข็งแกร่งตัวอย่างเช่น efpi [ 4 ] [ 5 ] 2 [ 6 ] [ 7 ] efpi หรือเปลี่ยนมัลติเพลกซ์ และ 2 ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์ได้เคยถูกนำมาใช้เพื่อวัดทั้งแรงดัน อุณหภูมิ หรือทั้ง measurands แยกกันในการใช้งาน down-hole . อย่างไรก็ตาม แต่ก่อนนี้ไม่มีการวัดดังกล่าวมีการใช้ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์สามารถสังเกตทั้งสองพารามิเตอร์พร้อมกันที่จุดของการวัด ในกระดาษนี้มีรายงานว่าไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์วัดความดันและอุณหภูมิที่จุดของการวัด ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์ประกอบด้วยซิลิกาขนาดเล็กทั้งหมด efpi เซ็นเซอร์ด้วยการห่อหุ้ม 2 สำหรับตรวจวัดอุณหภูมิ .ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์หัวถูกสร้างขึ้นจากองค์ประกอบแก้วซิลิกาโดย splicing โหมดเดียว ( SM ) 2 , แก้วซิลิกาหลอดเลือดฝอยและ 200 μ M ใยแก้วซิลิก้า ด้วยกัน ดังนั้น ไฟเบอร์ออปติกเซนเซอร์ให้ง่ายต่อการตั้งค่าขนาดเล็กและเซ็นเซอร์วัดความดันและอุณหภูมิในบ่อใต้พิภพ 2 .