1 基于光纤传感器的持气率测量系统

　　随着我国各大油田纷纷进入中晚期开发阶段，多数油井由自喷转向机械采油。根据抽油机井工艺要求，测井仪器只能通过油管和套管之间的环形空间进入需要测试的目的产层，此时要求仪器的外径不能超过28mm。根据该要求，设计了集流型光纤探针持气率测量仪，主要由伞式集流器、光纤探针传感器及装有传感器驱动电路的电路筒组成，结构如图1所示。油井套管内径为125mm，而传感器内径仅为20mm，如果不使用集流器，仅有少量的油气水三相流体从电导传感器内部流过，传感器内的流体会趋于静止，此时持气率测量的结果不具有代表性。为了增大传感器内部流过流体的流量，通常采用集流的测量方式，即在光纤探针传感器底部安装伞式集流器。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

　　安装在旋转构件上的电阻应变计和测量仪器之间，用来传递旋转构件的应变信号的器件，又称引电器。它分为接触式集流器和非接触式集流器两类。接触式集流器是用接触电阻较低的材料制成和构件一起旋转的动环和固定不动的定环，利用它们之间的滑动接触来传递信号。常用的接触式集流器有：拉线式集流器、水银集流器和炭刷集流器三种。非接触式集流器是用线圈通过电磁感应传递信号，又称为感应式集流器。

　　2 光纤探针持气率测量原理

　　光纤探针法的测量原理基于气相和液相对光的折射率不同，如图2所示，当光纤探针与气相接触时，入射光在棱镜上发生全反射，经反射光纤投射到光电转换器上，光电转换器输出高电平；当光纤探针和水或油相接触时，入射光在棱镜上被折射出去，无足够强度的光投射到光电转换器上，光电转换器输出低电平。随着油气水三相流体交替流过光纤探针，光电转换器输出随时问连续变化的电压信号，将此信号经过处理，便可得到光纤探针所在位置的局部截面含气率。

　　以i表示探针头曲面上任一点（r，θ，z）处的入射光，当油气水三相流交替流过探针时，点（r，θ，z）处的瞬时局部含气率α（t，r，θ，z）为：

　　油气水三相流是一种非定常流动，因此α（t，r，θ，z）将随时间而发生变化。实验表明，油气水三相流一般具有平稳随机特性，有：

　　式中，T为积分时间长度，为平均局部含气率。定义瞬时截面含气率和平均截面含气率分别为：

　　对于油气水三相管道流动，瞬时容积含气率αv（t）和平均容积含气率可分别定义为：

　　若在管长区间（O，L）内，气体沿流动方向的体积膨胀可以忽略，因此，工程上一般认为平均容积含气率与平均截面含气率等价，可得：

　　此式表明，采用光纤探针法测量管道内油气水三相流的截而含气率是可行的。

　　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。分光镜是一个可以将一束光分成两束的光学装置，是光学干涉仪中间的重要零件。通常是一个立体型的光学玻璃镀膜而成。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。分路器 英文名称：splitter 定义：在有线电视网络中，将信号由主干电缆引入配线电缆的无源器件。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：

　　折射定律定义refraction，law of光线通过两介质的界面折射时，确定入射光线与折射光线传播方向间关系的定律，几何光学基本定律之一。入射光线与通过入射点的界面法线所构成的平面称为入射面，入射光线和折射光线与法线的夹角分别称为入射角和折射角，以θi和θt表示。折射定律为：①折射光线在入射面内。②入射角和折射角的正弦之比为一常数，用n21表示，即 式中n21称为第二介质对介质的相对折射率。

　　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°<β<110. 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。

　　光探测器又名“光检测器”，是光接收机的首要部分，光探测器是光纤传感器构成的一个重要部分，它的性能指标将直接影响传感器的性能。能检测出入射到其面上的光功率，并把这个光功率的变化转化为相应的电流。由于光信号在光纤中有损耗和失真所以对光探测器的性能要求很高。其中重要的要求是在所用的光源的波长范围内有较高的灵敏度、较小的噪声，响应速度快以适应速率传输。

　　4.1 光源及光发射模块

　　光纤传感系统中，将电信号转换成光信号是由光源及以之为主体的光发射模块来完成的。半导体光源是光纤系统中常用的也是重要的光源，主要特点是体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、亮度高、供电电源简单等；且它与光纤容易耦合。经过综合考虑，由于油井井下工作环境温度变化较大，所以系统选择红外LED 作为光源。图5为LED恒功率自动控制电路。

　　4.2 光探测器及光接收模块

　　在光纤传感器中，光探测器是光探测接收模块的基础，它的灵敏度、带宽等特性参数直接影响光纤传感器的总体性能。本文选用光电探测器探测反射光强度。

　　光电检测电路如图6所示。PIN光电二极管将反射光转换成电信号，受光照时光电管根据光强变化转换成电流的变化；IC1构成I／V变换器，IC2为电压放大器。由于反射光强太小，IC1输出电压信号幅度很小，因此需要用IC2进行二级放大。IC2后接一个低通RC滤波，以滤除噪声等不需要的高频分量。低通滤波是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序（目的）而改变。它有的时候也被叫做高频去除过滤（high-cut filter）或者去除过滤（treble-cut filter)。低通过滤是高通过滤的对立。

　　5 结论

　　针对油气水三相流的含气率的测量问题，本文设计了集流型光纤探针含气率测井仪器，对光纤探针测量含气率的可行性做了分析，并且设计了光纤传感器测量含气率的探头角度和驱动电路，实验表明此系统可有效测量汕气水三相流含气率。