基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測(cè)井儀

3 光纖探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在光纖的一端熔接一具有適當(dāng)角度的光學(xué)棱鏡，并套上套管，就構(gòu)成了一根光纖探針。單光纖探頭有一根光纖，入射光和反射光均用同一根光纖，采用分光鏡或分路器來(lái)檢測(cè)反射光。單纖探針頭部尺寸小，容易刺破氣泡，且能夠檢測(cè)較小的氣泡，對(duì)流場(chǎng)干擾小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好。本文選用單：蒼錐形探針測(cè)量含氣率。單芯錐形探針的結(jié)構(gòu)如圖3所示，一單位面積光強(qiáng)度為ip、總光強(qiáng)度為Ip的平行光束I入射到探針頭的錐面上，θ0為入射角，θf(wàn)為折射角，n0為探針頭部棱鏡的折射率，nf為被測(cè)介質(zhì)的折射率。β為光纖探針棱鏡的角度，該角度是一個(gè)十分重要的指標(biāo)，它的大小決定著能否將氣相和液相區(qū)分開(kāi)來(lái)，其確定主要取決于棱鏡的折射率n0和被測(cè)介質(zhì)的折射率nf。

根據(jù)光的折射定律有：

顯然，區(qū)分氣相和液相的臨界折射角θf(wàn)r=90°，此時(shí)入射光線在棱鏡中發(fā)生全反射的臨界折射率nfr為：

式中，ng和nl分別為氣相和液相的折射率，單芯光纖探針棱鏡角度β須滿足：

標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣的折射率ng=1．000，油的折射率n0=1.48～1.50，水的折射率nw=1．333，取nl=nw=1. 333。光纖探針棱鏡選用折射率為1．76的藍(lán)寶石材料，根據(jù)式(14)，光纖探針棱鏡的角度β應(yīng)滿足：81. 5°β110. 8°。因此，對(duì)光纖探針?biāo){寶石棱鏡而言，將其角度確定為β=90°是一個(gè)合適的選擇。此時(shí)它對(duì)應(yīng)的臨界折射率nfr=1．24。此時(shí)：

故β=90°的藍(lán)寶石棱鏡可有效識(shí)別氣相和液相。

4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
光纖傳感系統(tǒng)中，將光波作為載波，在輸入端使用光源將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，在輸出端使用光電檢測(cè)器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。本系統(tǒng)光纖探針傳感器驅(qū)動(dòng)電路主要包括光發(fā)射模塊和光接收模塊。光發(fā)射模塊的主要組成部分是LED發(fā)光管、光源驅(qū)動(dòng)電路和自動(dòng)功率控制電路；光接收模塊的主要組成部分是光探測(cè)器和光電檢測(cè)電路。