JP3773900B2 - マルチパラメータ干渉型ファイバ光センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概してファイバ光センサに関し、ここに説明する実施の形態においては、より具体的には単一センサを使用して井戸中でマルチパラメータを感知する方法を提供する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
圧力信号は、長年に渡って地下井戸内で測定されてきている。これらの圧力信号は、例えば、産物搬出中にモニタされる圧力や、ドリルステム試験、井戸モニタ等のように、相対的に低い周波数である。これらの圧力は、比較的ゆっくり変化する。他の圧力信号は、例えば音響遠隔測定等に使用されるような数ヘルツ乃至数キロヘルツを有することがある、相対的に高い周波数である。
【０００３】
これらの圧力信号を測定するのに使用される本発明のセンサは、一般的には低周波数信号のみを又は高い周波数信号のみを測定するために設計されている。低周波数及び高周波数信号の両方を測定することが望まれるときは、少なくとも二つのセンサを使用しなければならない。例えば、この状況は、音響遠隔測定が通信のために使用され、同一操作において圧力トランスデューサが井戸圧力をモニタするのに使用されるような操作中に、発生する。
【０００４】
従って、単一センサを使用して低周波数及び高周波数圧力信号のような多数のパラメータを測定することができれば有利である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理の実行において、その実施の形態によれば、マルチパラメータを感知する方法は、当該技術における上述の問題を解決するものである。ファイバ光センサシステムも、この方法に使用するために提供される。
【０００６】
本発明の一つの態様においては、ファイバ光センサを通じて光源からの光を伝達することによって、相対的に低い周波数信号が測定される。光は、ある波長帯域に渡って掃引される。相対的に高い周波数信号も、光源からの光を一定波長でセンサを通じて伝達することによって測定される。
【０００７】
本発明の別の態様においては、光源は調整可能レーザであり、また、ファイバ光センサは、例えばマッハ−ツェンダー又はマイケルソン干渉計を使用する干渉型センサである。このセンサは、二つの光路を有している。光路のうちの一つは、センサに印加される圧力等の信号の変化に応じて長さが変化する。
【０００８】
本発明のさらなる観点においては、センサの光出力は、光電コンバータを介してコンピュータに入力される。コンピュータは、光源の波長出力を制御する。
【０００９】
本発明のさらに他の観点においては、多数のセンサが光源に接続されて、センサの各々における信号を測定する。
【００１０】
本発明のこれらの特徴と他の特徴、利点、利益及び目的は、以下の本発明の代表的な実施の形態の詳細な説明及び添付図面を注意深く考察すれば、当業者には明確に理解できるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に示した代表例は、本発明の原理を実施する方法１０を示す。方法１０並びにここに説明した他の装置及び方法についての以下の説明において、方向を表わす用語、例えば「の上方に」、「の下方に」、「上方の」、「下方の」等は、添付図面に関して便宜上のみの目的で使用される。さらに、ここに説明する本発明の種々の実施の形態は、本発明の原理から逸脱することなく、例えば、傾斜した、反転した、水平の、垂直の等の種々の方向で、及び、種々の形態で使用されることが理解される。
【００１２】
方法１０において、ファイバ光ライン１２は、地下井戸内に配置された干渉型センサ１４、１６に接続されている。センサの二つ１４、１６のみが管状ストリング１８の一部として井戸内に伝達されるように図１に示されているが、センサは別の方法で井戸内において伝達され、配置されることもできることは明白であり、また、本発明の原理から逸脱することなく多数のセンサを使用することもできる。
【００１３】
センサ１４、１６は、方法１０において使用され、マルチパラメータ、例えば相対的に低い周波数と相対的に高い周波数との圧力信号の両方が各センサで感知される。センサ１４、１６は、これらのパラメータの測定が望まれる、井戸内の任意の位置に配備することができる。しかしながら、本発明の原理は、圧力信号を測定することには限定されないことが明確に理解される。他の種類の信号が、干渉型センサを使用して測定され得る。ここで使用されるように、用語「信号」は、測定され得る任意の可変パラメータをも包含する。例えば、温度の変化は、本発明の原理を維持しながら、干渉型センサを使用して測定できる。
【００１４】
ここで、図２をさらに参照すると、本発明の原理を実施するファイバ光センサシステム２０が、概略的かつ代表的に示されている。このセンサシステム２０は、図１の方法１０において使用される。従って、これまでに説明した要素と同様のセンサシステム２０の要素は、同じ参照符号を使用して図２に示す。
【００１５】
一つのセンサ１４のみを、図示を明瞭にするために図２に示す。しかし、複数のセンサをセンサシステム２０に使用して、各センサにおいて相対的に低い圧力信号と相対的に高い圧力信号とを測定できることが理解される。
【００１６】
図２に示したセンサシステム２０のセンサ１４は、当業者に周知のマッハ−ツェンダー干渉計を含んでいる。センサ１４は、二つの光カプラ２６、２８間に延在する二つの光路２２、２４を有している。光路２２の光路長は、センサ１４に印加される圧力の変化に応じて変化する。例えば、光路２２は、圧力が印加されたときに張力を受けるシリンダ又は膜等の構造体に固定される。構造体中の張力の変化が光路２２の光路長の関連する変化を生成する。
【００１７】
光が調整可能レーザ３０のような光源によってセンサ１４に伝達され、レーザはこれに関連する絶縁体３２を備えている。レーザ３０からの光がファイバ光ライン１２の一つを通ってカプラ２８に伝達され、ここで二つの光路２２、２４間に分割される。光路２２、２４を通過後、光はカプラ２６内で再合成される。
【００１８】
カプラ２６からの光出力の振幅は、カプラ２６における光路２２、２４から受信された光の位相間の関係に依存する。光路２２、２４から受信された光の相対位相は、光路長の差に依存する。従って、カプラ２６からの光出力の振幅は、センサ１４に印加される圧力に関連する。
【００１９】
センサ１４の上述の説明は、マッハ−ツェンダー・センサとして提供されるセンサに基づいていることに注意しなければならない。しかし、他のタイプのセンサも利用できることが明確に理解される。センサ１４は、例えば、マイケルソン、ファブリ−ペロー又は他のタイプのセンサであってもよい。
【００２０】
カプラ２６からの光出力は、別の光路ライン１２を介してフォトダイオード又は光電デバイス等のような光電コンバータ３４に伝達される。コンバータ３４は、センサ１４からの光信号出力をコンピュータ３６への入力のための電気信号に変換する。コンピュータ３６は、センサ１４の出力を分析し、レーザ３０を制御するのに使用される。
【００２１】
センサ１４での相対的に低い周波数圧力信号の測定が望まれるときは、波長の掃引帯域を有する光をセンサに伝達するように、コンピュータ３６がレーザ３０に命令する。センサ１４の光出力の振幅は、センサを通る伝達された光の波長とセンサに印加された圧力とによって決まる。コンピュータ３６がセンサ１４の光出力と波長の掃引帯域との間の関係、即ち、波長の関数としての光出力の振幅を決定し、これによってセンサに印加された圧力の計算が可能になる。
【００２２】
センサ１４での相対的に高い周波数圧力信号の測定が望まれるときは、一定波長を有する光をセンサに伝達するように、コンピュータ３６がレーザ３０に命令する。センサ１４の光出力は、変化する周波数とセンサに印加された圧力信号の振幅とに応じて、周波数及び振幅において変化する。コンピュータ３６は、センサ出力の翻訳処理及び／又は記憶を行うように使用される。
【００２３】
低周波数及び高周波数圧力信号を交互に感知するために、波長掃引と一定波長とをセンサ１４を介して交互に伝達するように、コンピュータ３６は、レーザ３０に命令するために使用され得ることに留意されたい。しかし、波長掃引伝達が一定波長伝達に続いて又はその逆の順序で行われる必要はないことが明確に理解される。その理由は、低周波数圧力信号の測定が望まれるときはいつでも波長掃引伝達を実行することができ、また、高周波数圧力信号の測定が望まれるときはいつでも一定波長伝達を実行することができるからである。
【００２４】
ここで、さらに図３を参照すると、本発明の原理を実施するファイバ光センサシステム４０が概略的かつ典型的に示されている。センサシステム４０は、図１の方法１０に使用することができる。センサシステム４０は、上述したセンサシステム２０と多くの観点で類似しているが、少なくとも一つの観点において異なっている。即ち、マルチパラメータを測定するためにセンサ中にマイケルソン干渉計が利用されていることである。これまでに説明した要素と類似するセンサシステム４０の要素は、同じ参照番号を使用して図３に示す。
【００２５】
図示を明瞭にするために、一つのセンサ１４のみを図３に示す。しかし、任意の数のセンサをセンサシステム４０に使用して各センサにおいて相対的に低い圧力信号と相対的に高い圧力信号とを測定できることが理解される。
【００２６】
図３に示したセンサシステム４０のセンサ１４は、当業者に周知のマイケルソン干渉計を含んでいる。センサ１４は、二つの光カプラ４６とそれぞれ光路の端部にある鏡４８、５０間に延在する二つの光路４２、４４を有している。光路４２の光路長さはセンサ１４に印加される圧力の変化に応じて変化する。例えば、光路４２は、圧力が印加されたときに張力を受けるシリンダ又は膜等の構造体に固定される。構造体中の張力の変化が、光路４２の光路長の関連する変化を生成する。
【００２７】
光は、調整可能レーザ３０のような光源によってセンサ１４に伝達される。レーザは、これに関連する絶縁体３２を備えていてもよい。レーザ３０からの光がファイバ光ライン１２の一つを通ってカプラ４６に伝達され、ここで二つの光路４２、４４間に分割される。光路４２、４４を通過後、光は鏡４８、５０によって反射され、再度反対方向に光路を進行し、光はカプラ４６内で再合成される。
【００２８】
カプラ４６からの光出力の振幅は、カプラ４６における光路４２、４４から受信された光の位相間の関係に依存する。光路４２、４４から受信された光の相対位相は光路長の差に依存する。従って、カプラ４６からの光出力の振幅は、センサ１４に印加される圧力に関連する。
【００２９】
カプラ４６からの光出力は、ファイバ光ライン１２の別のラインを介して光電コンバータ３４に伝達され、ここでセンサ１４からの光信号出力が電気信号に変換され、コンピュータ３６へ入力される。コンピュータ３６は上述したように、相対的に低い周波数圧力信号及び相対的に高い周波数圧力信号を測定するためにセンサ１４の出力を分析し、レーザ３０を制御するために使用される。
【００３０】
本発明の代表的な実施の形態についての以上の説明を注意深く考察したときには、当業者は当然に、多くの変形例、付加例、代替、削除及び他の変更を特定の実施の形態に実行することができ、また、このような変更は、本発明の原理によって意図されたものであることが明確に理解できる。従って、これまでの詳細な説明は、例解及び例示としてのみ示されたものであることが明確に理解され、本発明の精神及び範囲は、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の原理を実施する方法の概略図。
【図２】 本発明の原理を実施し、図１の方法に使用され得るファイバ光センサシステムを示す概略ブロック図。
【図３】 本発明の原理を実施し、図１の方法に使用され得る別のファイバ光センサシステムを示す概略ブロック図。

Claims (25)

1. 干渉型ファイバ光センサを提供するステップと、
   可変波長光源を前記センサに接続するステップと、
   前記光源からの光出力をある波長帯域に渡って掃引し、前記センサを介して前記光源からの光を伝達することにより相対的に低い周波数信号を測定するステップと、
   前記光源からの光出力を比較的一定のある波長に維持し、前記センサを介して前記光源からの光を伝達することにより相対的に高い周波数信号を測定するステップと、
   を含むことを特徴とするマルチパラメータ感知方法。
2. 前記提供ステップにおいて、前記ファイバ光センサは、二つの光路を有する干渉型センサであり、それらの光路の一つは、前記センサにより感知されるパラメータにおける変化に応じて長さが変化することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記干渉型センサは、マッハ−ツェンダー干渉計及びマイケルソン干渉計から選択された一つを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記接続ステップにおいて、前記光源は、調整可能レーザであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記低い周波数信号測定ステップは、前記センサの光出力と波長の掃引帯域との間の関係を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記決定ステップは、波長の関数として前記光出力の振幅を決定することをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記高い周波数信号測定ステップは、前記センサの光出力の周波数を経時的に測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記接続ステップは、前記光源を多数のセンサに接続することをさらに含み、
   前記低い周波数信号測定ステップは、前記光源からの前記光出力を前記波長帯域に渡って掃引し、前記センサの各々を介して前記光源からの光を伝達することにより、前記センサの各々における相対的に低い周波数信号を測定することをさらに含み、
   前記高い周波数信号測定ステップは、前記光源からの光出力を比較的一定のある波長に維持し、前記センサの各々を介して前記光源からの光を伝達することにより前記センサの各々における相対的に高い周波数信号を測定することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記信号は、圧力信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 相対的に低い周波数信号及び相対的に高い周波数信号の測定に使用するファイバ光センサシステムであって、
    信号に対し曝露された少なくとも一つの干渉型ファイバ光センサと、
    前記センサに接続され、前記センサを介して光波長の掃引を伝達し、前記センサを介して比較的一定のある波長を伝達する可変波長光源と、
    を備えていることを特徴とするファイバ光センサシステム。
11. 前記光源は、前記センサを介して前記波長の掃引と前記比較的一定の波長とを交互に伝達することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記センサの光出力に接続された光電コンバータをさらに備えていることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
13. 前記コンバータの電気出力は、前記光源に接続されたコンピュータに入力され、前記コンピュータは、前記光源によって前記光出力の波長を制御することを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記センサは、二つの光路を有し且つそれらの光路の一つが前記センサにより感知されたパラメータにおける変化に応じて長さが変化する干渉計を含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
15. 前記干渉計は、マッハ−ツェンダー及びマイケルソン干渉計から選択された一つであることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. 前記光源は、調整可能レーザであることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
17. 多数のセンサをさらに備え、前記光源は、前記センサの各々を介して前記光波長の掃引を伝達し、前記センサの各々を介して前記比較的一定の波長を伝達することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
18. 相対的に低い周波数及び相対的に高い周波数圧力信号の測定に使用するファイバ光センサシステムであって、
    圧力信号に対し曝露された少なくとも一つの干渉型ファイバ光センサと、
    前記センサに接続され、前記センサを介して光波長の掃引を伝達し、前記センサを介して比較的一定のある波長を伝達する可変波長光源と、
    を備えていることを特徴とするファイバ光センサシステム。
19. 前記光源は、前記センサを介して前記波長の掃引と前記比較的一定の波長とを交互に伝達することを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
20. 前記センサの光出力に接続された光電コンバータをさらに備えていることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
21. 前記コンバータの電気出力は、前記光源に接続されたコンピュータに入力され、前記コンピュータは、前記光源によって前記光出力の波長を制御することを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
22. 前記センサは、二つの光路を有し且つそれらの光路の一つが前記センサに印加された圧力の変化に応じて長さが変化する干渉計を含むことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
23. 前記干渉計は、マッハ−ツェンダー及びマイケルソン干渉計から選択された一つであることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
24. 前記光源は、調整可能レーザであることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
25. 多数のセンサをさらに備え、前記光源は、前記センサの各々を介して前記光波長の掃引を伝達し、前記センサの各々を介して前記比較的一定の波長を伝達することを特徴とする請求項１８に記載のシステム。

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