基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪
3光纤探头结构设计
在光纤的一端熔接一具有适当角度的光学棱镜,并套上套管,就构成了一根光纤探针。单光纤探头有一根光纤,入射光和反射光均用同一根光纤,采用分光镜或分路器来检测反射光。单纤探针头部尺寸小,容易刺破气泡,且能够检测较小的气泡,对流场干扰小,动态响应能力好。本文选用单:苍锥形探针测量含气率。单芯锥形探针的结构如图3所示,一单位面积光强度为ip、总光强度为Ip的平行光束I入射到探针头的锥面上,θ0为入射角,θf为折射角,n0为探针头部棱镜的折射率,nf为被测介质的折射率。β为光纤探针棱镜的角度,该角度是一个十分重要的指标,它的大小决定着能否将气相和液相区分开来,其确定主要取决于棱镜的折射率n0和被测介质的折射率nf。
根据光的折射定律有:
显然,区分气相和液相的临界折射角θfr=90°,此时入射光线在棱镜中发生全反射的临界折射率nfr为:
式中,ng和nl分别为气相和液相的折射率,单芯光纤探针棱镜角度β须满足:
标准条件下空气的折射率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。光纤探针棱镜选用折射率为1.76的蓝宝石材料,根据式(14),光纤探针棱镜的角度β应满足:81. 5°β110. 8°。因此,对光纤探针蓝宝石棱镜而言,将其角度确定为β=90°是一个合适的选择。此时它对应的临界折射率nfr=1.24。此时:
故β=90°的蓝宝石棱镜可有效识别气相和液相。
4 驱动电路设计
光纤传感系统中,将光波作为载波,在输入端使用光源将电信号转换为光信号,在输出端使用光电检测器件将光信号转变成电信号。本系统光纤探针传感器驱动电路主要包括光发射模块和光接收模块。光发射模块的主要组成部分是LED发光管、光源驱动电路和自动功率控制电路;光接收模块的主要组成部分是光探测器和光电检测电路。
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