NO313605B1 - Fremgangsmate og system for kalibrering av en konverteringsenhet i et fiberoptisk sensorhode - Google Patents

Description

Denne patentsøknaden behandler metoder for å oppnå fjernkalibreringer av skalafaktoren til fiberoptiske sensorelementer.

Fiberoptiske sensorer har blitt demonstrert og konfigurert som passive enheter med ekstrem høy følsomhet samt høy pålitelighet for anvendelser i miljøer med høye temperaturer og trykk. For noen sensorer kan forandring eller drift i skalafaktoren forekomme, og dette representerer et problem dersom dette skjer fra en datainnsamling til en annen, da det vil forårsake feil i måleresultatene. En forandring eller drift i skalafaktoren kan oppstå som et resultat av forandring i egenskapene til de materialer som er brukt i sensorelementene, dette spesielt for sensorer som er brukt i miljøer med høye temperaturer og/eller trykk. Som et resultat av dette, er det en stor fordel å kunne forhåndskalibrere sensorene før datainnsamlingen eller målingene starter, dette for å kunne bestemme den absolutte skalafaktoren eller følsomheten til sensorene. For permanente installasjoner av fiberoptiske sensorer, for eksempel i olje eller gass brønner, kan ikke sensorene bli tatt opp til overflaten for en ny kalibrering, og det er derfor ønskelig med et system hvor det er mulig å kalibrere sensorene, som er lokalisert i brønnen, fra overflaten.

Fra den tidligere kjente teknikk er det kjent fra det tyske patentet DE 196 23 810 Cl, hvordan temperatur-kalibrering av en magnetfeltsensor foretas ved at det påtrykkes et magnetfelt på selve Faraday-sensoren.

Videre beskriver US-patentet nr. 4,896,525 et prinsipp for å kunne kalibrere en transduser ved å legge inn et modulert signal (kalibreringssignal) til sensorsignalet ved at den fysiske variabelen som skal måles gis en modulasjon.

Det er også kjent fra den europeiske patentsøknaden EP-Al-423622 kalibrering av en detektor der stimuleringsmidler simulerer endringer i den fysiske variabelen ved å påvirke en deteksj onsdel.

For mange anvendelser er det imidlertid ikke enkelt å utføre kalibrering ved å endre den fysiske måleparameteren på grunn av praktiske hensyn, for eksempel plasseringen av sensoren eller selve konstruksjonen av sensoren, slik som for foreliggende oppfinnelse.

Mer fjerntliggende fra foreliggende oppfinnelse er det kjent fra US-patentet nr. 5,039,221 interferometriske sensorer der et kalibreringssignal påføres et kompenserende interferometer som er en del av mottakeren (ikke sensoren). Ettersom det påføres et kalibreringssignal ved mottakeren, vil denne løsningen ikke være særlig hensiktsmessig for å avdekke forandring eller drift i skalafaktoren som kan oppstå som et resultat av forandringer i egenskapene til de materialene som benyttes i selve sensoren og dens tilhørende konverteringsenhet.

Hensikten med denne oppfinnelsen er å beskrive fremgangsmåter for å fjernkalibrere skalafaktoren til fiberoptiske elektromagnetiske sensorer (elektriske eller magnetiske sensorer) fra overflaten, slik som på skip eller plattform, hvor fremgangsmåtene beskrevet i denne oppfinnelsen kan brukes uten at sensorene trenger å tas opp til overflaten. Det optiske signalet i hver sensor i kombinasjon med et kjent elektrisk signal (kalibreringssignalet) er brukt til å utføre fjernkalibreringen av alle de individuelle sensorene som blir brukt som en antenne til å kartlegge reservoaret og formasjonen i forbindelse med seismiske målinger. Forskjellige metoder for å oppnå fjernkalibrering av alle sensorhodene i antennen er angitt i de uavhengige kravene til oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet i detalj med referanse til de forskjellige skissene som illustrerer oppfinnelsen ved bruk av eksempler.

Fig. 1 illustrerer skjematisk et fiberoptisk sensorsystem

som er kjent fra litteraturen.

Fig. 2 illustrerer et system som bruker en fremgangsmåte samt en konverteringsenhet, og som er en del av denne oppfinnelsen. Fig. 3 illustrerer en typisk konverteringsenhet for bruk i fremgangsmåten og systemet ifølge oppfinnelsen. Fig. 4 illustrerer en alternativ fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen. Fig. 5 illustrerer en annen alternativ fremgangsmåte

ifølge oppfinnelsen.

Fig. 6 illustrerer en alternativ konverteringsenhet for bruk i fremgangsmåten eller systemet ifølge oppfinnelsen. Fig. 7 illustrerer en fremgangsmåte samt et system i henhold til oppfinnelsen som gjør bruk av konverteringsenheten som er illustrert i Fig. 6.

Et generelt diagram av den fiberoptiske elektriske eller magnetiske sensoren er vist i Fig. 1. Det elektromagnetiske feltet blir detektert av mottakerantennen eller sensorenheten 6 som induserer en elektrisk spenning eller et strømsignal

som blir påtrykt konverteringsenheten 3. Konverteringsenheten

3 består av et material med egenskapene av piezoelektrisitet, magnetostriksjon eller elektrostriksjon. Konverteringsenheten kan ha en geometrisk form som et kuleskall, sylinder eller

plate, og det er antatt at det er polarisert eller annealet (oppvarmet og magnetisert) slik at når signalet fra 6 blir detektert, blir en mekanisk deformasjon generert i konverteringsenheten og det vil oppstå et strekk i den optiske fiber som er festet til konverteringsenheten. Den mekaniske deformasjonen som oppstår i fiberen kan detekteres enten som et skift i den optiske bølgelengden ved å bruke et fiberoptisk Bragg-gitter som er skrevet inn i kjernen på fiberen, eller deformasjonen kan detekteres som et optisk faseskift ved bruk av en interferometrisk metode, eller som amplitudevariasjoner i det optiske signalet ved bruk av en elektrooptisk utlesningsenhet 2.

Nedenfor beskriver vi ulike metoder som kan brukes til å oppnå individuell fjernkalibrering av fiberoptiske sensorer som beskrevet ovenfor.

En generell illustrasjon av de ulike systemkomponentene som er nødvendig i et sensorsystem for å oppnå fjernkalibrering av skalafaktoren til de fiberoptiske elektriske eller magnetiske felt sensorene er vist i Fig. 2. En energikilde eller elektrisk kilde 1 tilfører et kjent eller kjente signaler i form av en elektrisk spenning eller strøm, hvor funksjonen til signalene er å utføre kalibrering og/eller kontrollere en bryter gjennom tilførselsledningene 5 som går videre til konverteringsenheten 3. Konverteringsenheten er beskrevet ved bruk av Fig. 3, og den består av en hoveddel eller mekanisk struktur 14 som er laget av et materiale med egenskaper slik at det oppstår en mekanisk deformasjon i materialet når det blir utsatt eller påtrykt en elektrisk spenning eller strøm. Når den optiske fiberen 4 er festet til den mekaniske strukturen, vil fiberen også oppleve en mekanisk deformasjon gjennom strukturen og deformasjonen i fiberen kan detekteres optisk ved at signalet i fiberen forandres. Avhengig av målemetode samt hvordan den elektrooptiske utlesningsenheten 2 er konstruert, kan deformasjons-forandringen i den optiske fiberen måles enten som variasjon i optisk amplitude, som variasjon i optisk fase ved bruk av et interferometer, eller som en variasjon i optisk bølge-lengde ved bruk av et fiberoptisk Bragg-gitter innskrevet i den optiske fiberens kjerne.

I Fig. 2 er det vist et enkelt sensorhode som inkluderer både konverteringsenheten 3 samt sensorenheten 6. En enkel enhet er vist her som en illustrasjon, men flere av samme slag kan bli multiplekset langs en og samme fiber hvor et kjent kalibreringssignal er påtrykt fra energikilden 1 gjennom de elektriske ledningene 5. Dette er illustrert ved bruk av pilene 7, 8 for henholdsvis de(n) elektriske ledning(ene) og den optiske fiberen.

Et enkelt eksempel som illustrerer hvordan en konverteringsenhet kan være designet er vist i Fig. 3, hvor i dette eksempelet konverteringselementet 14 er en piezoelektrisk sylinder hvor en optisk fiber 4 er viklet på og hvor fiberen er i fysisk kontakt med konverteringsenheten. I tillegg til de elektriske ledningene 25 som overfører signalet fra sensorelementet 6, er konverteringselementet 14 også koblet til en energikilde hvor et kjent kalibreringssignal kan bli tilført gjennom separate elektriske ledninger 5. Avhengig av materialer, geometri og størrelse av konverteringselementet 14, kan kalibreringssignalet bli optimalisert med hensyn bølgefunksjon, amplitude og periodisitet. For å gjøre Fig 3 klarere er ikke dannelse av kalibreringssignaler som blir utført i signalgeneratoren/ tilførselsenheten 1 og tilførselen av disse signalene gjennom ledningene 5 vist. Kjente elektriske kretser kan brukes for å optimalisere konverteringselementet for tilpasning til sensorelementet.

Kalibreringen kan utføres på flere alternative måter. I

Fig. 4 illustreres en metode for fjernkalibrering av en fiberoptisk magnetisk eller elektrisk felt sensor 6, 3 hvor en bryter 9 er brukt til å skille mellom

kalibreringsledningene og ledningene fra sensorelementet hvor den optiske fiberen 4 er brukt til å lese ut informasjon om skalafaktoren eller signalinformasjonen avhengig av stillingen til bryteren 9. Bryteren kobler enten kalibreringssignalet eller sensorsignalet til konverteringsenheten 3. Kalibreringen er utført ved å påtrykke et elektrisk signal med kjent amplitude gjennom ledningene 5 ved å bruke en signalgenerator 1. Gjennom den optiske fiberen som er en del av et interferometer kan fase og amplitude måles i utlesningsenheten 2, og siden kalibreringssignalet fra signalgeneratoren 1 er kjent kan skalafaktoren beregnes. Når sensorelementet 6 er koblet til konverteringsenheten 3 og de elektriske ledningene 5 er koblet fra konverteringsenheten, kan det elektromagnetiske signalet av interesse detekteres og ettersom kalibreringen har blitt utført før målingen, kan den absolutte verdien på det elektromagnetiske signalet beregnes.

I Fig. 5 er det illustrert en metode hvor en frekvensselektiv elektrisk krets er brukt til å diskriminere mellom det elektromagnetiske signalet fra sensorelementet 6 og kalibreringssignalet som genereres fra signalgeneratoren 1. I dette tilfellet er det antatt at sensor- og kalibreringssignalet har ulike frekvenser. Frekvens selektive enheter 10, 15 er koblet til sensorenheten 6 og signal generatoren 1 som henholdsvis påtrykker sensorsignal og kalibreringssignal med ulike frekvenser til konverteringsenheten 3. Den elektrooptiske utlesningsenheten 2 kan skille disse signalene ved bruk av elektriske filtre.

Et eksempel hvor en spesial konverteringsenhet er brukt i konverteringsenheten 3 er vist i Fig. 6.

Konverteringsenheten er i dette tilfellet et todelt piezoelektrisk rør hvor de to delene er elektrisk fraskilt samt at den optiske fiberen er viklet på begge delene. Kalibreringen kan i dette tilfellet oppnås ved at den optiske fiberen er likt fordelt på de to rørdelene 14a, 14b av konverteringsenheten 14, som i dette tilfellet er en såkalt elektrode delt design hvor den ene delen er koblet til sensorelementet 6 mens den andre delen er koblet til de elektriske ledningene 5 hvor ledningene 5 er koblet til et kalibreringssignal som er tilført fra signalgeneratoren 1.

I Fig. 6 vises som eksempel en todelt sylinder eller rør, men denne metoden kan også brukes i andre geometrier slik som kuler, plater eller bjelker.

I Fig. 7 er det vist en metode for fjernkalibrering hvor en sekundær spole 16 er brukt til å generere et kjent elektromagnetisk signal som detekteres eller driver sensorenheten 6. Dette kan også gjøres ved å bruke en elektromagnet som er konfigurert slik at den genererer et kjent elektromagnetisk kalibreringssignal som detekteres i sensorenheten 6. Den kjente responsen av sensorenheten 6 kan da bli overført til konverteringsenheten 3.

En permanent magnet kan også bli brukt som et elektromagnetisk referansesignal til å forspenne konverteringsenheten ved et kjent elektromagnetisk signal.

Fiberoptiske sensorer for elektriske og/eller magnetiske felter kan benyttes for "in-well" målinger av formasjonsresistivitet innen olje- og gassutvinning. Sensorene er basert på en optisk fiber festet med god kontakt til en struktur som har en strekkrespons under påvirkning av et elektromagnetisk felt. Strukturen forventes å baseres på elektrostriktive, magnetostriktive, eller piezoelektriske materialer, hvor kalibrerings- og sensorsignalene er elektriske spenninger og/eller elektriske strømsignaler indusert på en eller annen måte som for eksempel gjennom induksj on.

Den optiske fiberen og et kalibreringssignal kan benyttes eksklusivt for å utføre prekalibrering av skalafaktoren til elektriske, magnetiske og seismiske sensorhoder basert på elektrostriktive, magnetostriktive, eller piezoelektriske materialer.

Som nevnt ovenfor viser tegningene eksempler på mulige utførelser av oppfinnelsen. Figurene er forenklet, slik at andre energikilder for ulike deler av systemet er ikke vist, for eksempel effektforsyning til sensoren, filtre, svitsjer osv. Disse delene kan være av ulik type og er derfor ikke beskrevet i nærmere detalj her.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å oppnå kalibrering av skaleringsfaktoren for en elektrooptisk konverteringsenhet (3) i et fiberoptisk sensorhode, der sensorhodet omfatter - i konverteringsenheten (3) et konverteringselement (14) og tilknyttede elektriske ledere (5,25) for å danne elektriske og magnetiske felter, - en optisk fiber (4) tilknyttet konverteringselementet (14), - en elektrooptisk utlesingsenhet (2) innrettet til å sende ,et optisk signal inn i fiberen (4), - der konverteringselementet (14) i det minste delvis omfatter materiale(r) som endrer form eller fysiske dimensjoner ved påvirkning av nevnte elektriske eller magnetiske felt, for eksempel magnetostriktive, elektrostriktive eller piezoelektriske materialer, for derved å mekanisk deformere fiberen (4) og gi fase- og/eller intensitetsmodulasjon av det optiske signalet i fiberen, - der det optiske signalet er detekterbart i den elektrooptiske utlesingsenheten (2), karakterisert ved- påtrykking av elektriske signaler dannet i en sensorenhet (6) på de elektriske lederne i konverteringsenheten (3), derved tilveiebringende nevnte elektriske og magnetiske felter, - påtrykking av et valgt elektrisk referanse- eller kalibreringssignal på de elektriske lederne i konverteringselementet (14) ved hjelp av en elektrisk forsyningsenhet (1), også tilveiebringende nevnte elektriske og magnetiske felter, - bruk av de resulterende optiske signalene mottatt av utlesingsenheten (2) for å beregne en skaleringsfaktor for konverteringselementet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved påtrykking av kalibreringssignalet i valgte tidsperioder for derved å fremskaffe en skaleringsfaktor i disse periodene.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved påtrykking av kalibreringssignalet ved valgte frekvenser som er forskjellig fra de ventede frekvensene til signalene dannet i sensorenheten (6), for å danne en forskjell mellom kalibreringssignalet og signalene dannet av signalet forårsaket av de målte fysiske størrelser.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved påtrykking av signalet fra sensorenheten (6) på én av to nærliggende, i det vesentlige like og gjensidig isolerte konverteringselementer (14a,14b) som begge er festet til den samme fiberen, og påtrykking av et kalibrerings- eller referansesignal fra den elektriske forsyningsenheten (1) på det andre av de to elementene (14a,14b).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den elektriske energikilden (1) er koblet til en sensorenhet (6) i sensoren (3,6) for å tilveiebringe et kontrollert sensorsignal ved indusering av en respons i sensorenheten (6), der det kontrollerte sensorsignalet blir konvertert av konverteringsenheten (3)

6. Elektrooptisk sensorsystem (6,3) med en elektrooptisk konverteringsenhet (3) innrettet for kalibrering av skalafaktoren for konverteringsenheten (3) omfattende - i konverteringsenheten (3) et konverteringselement (14) og tilknyttede elektriske ledere (5,25) for å danne elektriske og magnetiske felter, - en optisk fiber (4) tilknyttet konverteringselementet (14), - en elektrooptisk utlesingsenhet (2) innrettet til å sende et optisk signal in i fiberen (4), - der konverteringselementet (14) i det minste delvis omfatter materiale(r) som endrer form eller fysiske dimensjoner ved påvirkning av nevnte elektriske eller magnetiske felt, for eksempel magnetostriktive, elektrostriktive eller piezoelektriske materialer, for derved å mekanisk deformere fiberen (4) og gi fase- og/eller intensitetsmodulasjon av det optiske signalet i fiberen, - der det optiske signalet er detekterbart i den elektrooptiske utlesingsenheten (2), karakterisert ved at - sensorenheten (6) er innrettet for å danne elektriske signaler og påtrykke nevnte signaler på de elektriske lederne i konverteringsenheten (3), for derved å danne nevnte elektriske og magnetiske felter, - en elektrisk forsyningsenhet (1) innrettet for å danne et valgt elektrisk kalibreringssignal og påtrykke nevnte kalibreringssignal på de elektriske lederne i konverteringselementet (14), for derved også å danne nevnte elektriske og magnetiske felter, - utlesingsenheten (2) er innrettet, for eksempel med datamaskininnretninger, for å bruke de resulterende mottatte optiske signaler til å beregne en kalibrerings (scale factor) for konverteringselementet (3).

7. System ifølge krav 6, karakterisert ved at den elektriske forsyningsenheten (1) og sensorenheten (6) er tilknyttet en bryter' (9) for alternerende kopling av f orsyningsenheten (1) og sensorenheten (6) til konverteringsenheten (3), der utlesingsenheten (2) derved måler kalibreringssignalet og sensorsignalet i alternerende tidsperioder.

8. System ifølge krav 6, karakterisert ved å omfatte et frekvens-selektivt nettverk (10,15) koplet til forsyningsenheten (1) og sensorenheten (6) for å tilveiebringe samtidige respektive kalibrerings- og sensorsignaler for konverteringsenheten (3), og at utlesingsenheten (2) omfatter filtreringsmidler for å skille kalibrerings- og sensorsignalet.

9. System ifølge krav 6, karakterisert ved at den elektriske forsyningsenheten (1) er tilknyttet sensorenheten for stimulering av sensorenheten (6) i valgte tidsperioder for derved å frembringe et kontrollert, målt signal og dermed oppnå et kalibreringssignal fra sensorenheten (6) og konverteringsenheten (3) samtidig.

10. System ifølge krav 6-9, for resistivitetsmålinger ved olje- og gassutvinning, karakterisert vedå omfatte minst to optiske multipleksede sensorer (3,6) som hver har en konverteringsenhet (3) og en sensorenhet (6), der hver er forsynt med kalibreringsmidler for å påtrykke en valgt elektrisk energi på sensoren for deteksjon av de resulterende endringer i det optiske signalet og for utførelse av kalibreringen av skaleringsfaktoren for konverteringsenheten.