基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測井儀

3 光纖探頭結構設計
在光纖的一端熔接一具有適當角度的光學棱鏡，并套上套管，就構成了一根光纖探針。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檢測反射光。單纖探針頭部尺寸小，容易刺破氣泡，且能夠檢測較小的氣泡，對流場干擾小，動態響應能力好。本文選用單：蒼錐形探針測量含氣率。單芯錐形探針的結構如圖3所示，一單位面積光強度為ip、總光強度為Ip的平行光束I入射到探針頭的錐面上，θ0為入射角，θf為折射角，n0為探針頭部棱鏡的折射率，nf為被測介質的折射率。β為光纖探針棱鏡的角度，該角度是一個十分重要的指標，它的大小決定著能否將氣相和液相區分開來，其確定主要取決于棱鏡的折射率n0和被測介質的折射率nf。

根據光的折射定律有：

顯然，區分氣相和液相的臨界折射角θfr=90°，此時入射光線在棱鏡中發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：

標準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的藍寶石材料，根據式(14)，光纖探針棱鏡的角度β應滿足：81. 5°β110. 8°。因此，對光纖探針藍寶石棱鏡而言，將其角度確定為β=90°是一個合適的選擇。此時它對應的臨界折射率nfr=1．24。此時：

故β=90°的藍寶石棱鏡可有效識別氣相和液相。

4 驅動電路設計
光纖傳感系統中，將光波作為載波，在輸入端使用光源將電信號轉換為光信號，在輸出端使用光電檢測器件將光信號轉變成電信號。本系統光纖探針傳感器驅動電路主要包括光發射模塊和光接收模塊。光發射模塊的主要組成部分是LED發光管、光源驅動電路和自動功率控制電路；光接收模塊的主要組成部分是光探測器和光電檢測電路。