光纤传感干度测量仪研制

　　1　引　　言

　　水是最常用的传热介质,既安全可靠,又容易获得。从火力、核能发电到宾馆、食堂,无一例外都用到蒸汽传热。一方面是出于安全的考虑,不能将水全部烧成过热蒸汽,另一方面是管线输送过程中的热损必然会使部分蒸汽凝结,所以在热能输送和利用的过程中,不可避免地存在着水和汽的两种相态。在水、汽的两相中,由于汽相具有更多的热能,因此人们迫切希望知道从产生、输送到应用的各个环节中干蒸汽的含量,即干度值。虽经几十年的努力,双相流干度的测量仍有很多困难,不仅没有广泛应用的仪表,就连特定范围的测量仪器也不能令人满意[1]。造成困难的原因很多,包括两相流型复杂,两相间存在相变;测量手段如取样、节流等对原始状态的破坏等。尤为困难的是,许多场合下干度的测量都需要在高温、高压和狭小的封闭环境中进行。油田注汽热采是目前运用得最多也是最有效的稠油开采方法,注汽过程中井口和井下各层的干度值对开采效率以及成败是至关重要的,至今缺乏有效的井下干度测量仪器。

　　运用光纤传感技术可以实现多种参量的测试,安全,轻便,抗干扰,耐腐蚀,基于干涉原理制成的光纤传感井下测温测压工作已有报道[2]。我们运用光纤传感技术研制的干度测量仪,可以对干度实现直接、实时、在线的测量,结构简单可靠,体积小,准确度高。使用了高温高压封装和保温技术后,测量仪可以在360℃和25Mpa的恶劣条件下独立工作。

　　2　组成及原理

　　光纤传感干度测量仪由传感器系统、电气系统和结构部分组成,图1为其原理框图。

　　2.1　干度传感器

　　传感器系统由干度传感器、压力传感器和温度传感器组成。适应于不同的用途,压力传感器可以采用不同形式的器件。温度传感器采用热电偶。图2为干度传感器的示意图,发光二极管(LED)发出的辐射经传导光纤耦合到蓝宝石传感头上,反射回来的光线由传导光纤提供给光电二极管(PD)转换为电信号。

　　蓝宝石传感头与流体接触的界面上,反射光线遵从菲涅耳定律。反射光中垂直分量的反射率ρs:

　　当入射角很小时,反射率可以简单表示为[3]:

　　图3为入射角与反射率的关系,中间带方块的直线表示(3)式正入射时的计算值,取蓝宝石的折射率n1=1.76,水的折射率n2=1.33。圆形标志的向上曲线为(1)式垂直分量的结果,用三角形标志的向下一支为(2)式的平行分量结果。从中可以看出,随入射角的增大,与正入射理想情形的偏离发展很快,5℃时约为2%,而10℃时则为10%左右了。图2中传感器的入射角可以限制到一定范围内,最大入射角由设计制作确定。