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基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測井儀

作者: 時間:2010-04-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

3 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計
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(tài)響應(yīng)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(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為折射角,n0為探針頭部棱鏡的折射率,nf為被測介質(zhì)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(biāo),它的大小決定著能否將氣相和液相區(qū)分開來,其確定主要取決于棱鏡的折射率n0和被測介質(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θfr=90°,此時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,對光纖探針?biāo){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(yīng)的臨界折射率nfr=1.24。此時:

故β=90°的藍(lán)寶石棱鏡可有效識別氣相和液相。

4 驅(qū)動電路設(shè)計
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轉(zhuǎn)換為光信號,在輸出端使用光電檢測器件將光信號轉(zhuǎn)變成電信號。本系統(tǒng)光纖探針驅(qū)動電路主要包括光發(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。

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