三光纤干涉流量测量技术

    生产实践中常常需要在恶劣环境下对高粘度、低雷诺数的流体进行流量测量.例如,在油田的三次采油过程中,通过注水井向油层注入聚合物时,需要测量不同剖面的注入情况,以便提高采收率,科学、经济地开发好每一口油井^[1].由于井下的环境比较恶劣、湿度大、温度高、压力高、空间狭小,又要考虑安全性和远距离信号传输,传统的流量测量仪器存在着诸多的局限性,需要开发新型的流量测量仪器.光纤流量计具有分辨力高、体积小、电气绝缘性好、抗电磁干扰、安全性好、耐高温高压等优点,是一种潜力很大的流量测量仪器.现有的光纤流量计,多采用散斑干涉、文丘里管、多普勒等原理^[2~4],适合流速较高流体的流量;对高粘度、低雷诺数的流体进行测量时,存在较大的误差.作者在双光纤干涉流量测量技术基础上,又对三光纤干涉流量测量技术进行了研究,旨在开发出一种能在恶劣环境下对高粘度、低雷诺数的流体进行测量的光纤流量计.

    1　三光纤干涉仪原理

    三光纤干涉仪的原理见图1^[5]. He-Ne激光器发出的激光经过分光镜分别耦合进三根保偏光纤中;激光各自在三根光纤中传输一段距离后,从三根光纤的另一端输出.若三光束间的最大光程差小于激光器的相干长度时,则三束光在出射端汇合时产生干涉现象,构成三光束干涉仪.

    在图2的光纤布置和图3的偏振方向下,干涉仪干涉条纹的强度分布为

式中:Ii为三根光纤中的光强,i =1,2,3;θi为三根光纤的偏振方向与坐标轴的夹角;λ是激光器的波长; D是光纤出光面到CCD光敏面的距离;a和b、c和d分别是两根光纤的中心的坐标值;δ₂₁、

式中:l_i是三根光纤的长度,n_c是光纤纤芯的折射率,φ_i0是光波耦合进光纤时的初始相位差.不

    在三光束干涉仪中,当其中一根光纤的光程发生变化时,引起光波相位的变化,导致相邻干涉条纹的光强产生变化,而干涉条纹的位置不产生移动.这一原理可以用来测量流量.

    2　流量测量系统设计

    靶式光纤流量计的结构如图4(a)所示.它由靶盘、传力杆、悬臂梁、光纤和导流管组成.用环氧树脂将三光纤干涉仪的一个臂粘贴在靶式流量计的悬臂梁上,则靶盘受到流体的冲击时产生弯曲,引起传感光纤的光程和相位变化.应用式(2)就可以得到流体的速度和干涉仪输出光波相位的关系;知道了管道的截面积后,可以计算出流量.

    三光纤干涉仪的相位差与流体速度之间的函数关系式为