(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210254047.5 (22)申请日 2022.03.15 (71)申请人 燕山大学 地址 066004 河北省秦皇岛市河北 大街西 段438号 (72)发明人 孔维航　郝虎　李贺　吴培良　 李雷　佟连刚　解娜　 (74)专利代理 机构 北京孚睿湾知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11474 专利代理师 韩燕 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/359(2014.01) G01N 21/84(2006.01) (54)发明名称 插入式组合光纤阵列传感器及气液两相流 参数测量方法 (57)摘要 本发明涉及一种插入式组合光纤阵列传感 器， 其包括外壳、 绝缘杆、 上游固定支架、 下游固 定支架、 光纤探针阵列模块、 近红外吸收式多探 测点光纤测量模块和电路控制系统终端， 所述光 纤探针阵列模块固定在所述绝缘杆的上游， 所述 近红外吸收式多探测点光纤测量模块固定在所 述绝缘杆的下游， 并基于此提出一种气液两相流 参数测量方法， 所述气液两相流参数包括持气率 和气相分布。 本发明解决了 现有垂直上升管内气 液两相流 持气率及气相分布特性测量困难、 测量 误差较大的问题， 结构精巧、 造价低、 无可动部件 和可靠性高， 实用性 好。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 114858707 A 2022.08.05 CN 114858707 A 1.一种插入式组合光纤阵列传感器， 其特征在于， 其包括外 壳、 绝缘杆、 上游固定支架、 下游固定支架、 光纤探针阵列模块、 近红外 吸收式多探测 点光纤测量模块和电路控制系统 终端， 所述绝缘杆上部固定有 所述上游固定支架， 下部固定有 所述下游固定支架， 所述上游 固定支架和下游固定支架外侧支撑固定有 所述外壳， 所述光纤探针阵列模块固定在所述绝 缘杆的上游且位于所述上游固定支架的下游， 所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块固 定在所述 绝缘杆的下游且位于所述下游固定支 架的上游， 所述光纤探针阵列模块设有若干光纤探针， 所述光纤探针布置在所述绝缘杆与所述外 壳之间的环形区域内， 且其末端测 量点均位于同一轴截面； 所述绝缘杆与外壳之间的该轴 截面环形区域划分为n(n≥1,n∈N*)层环状空间， 并以截面圆心为基点划分为m(m≥1,m∈ N*)个等面积的扇形区域， 所述扇形区域的圆心角均为360/m， 所述光纤探针均位于所述扇 形区域的分隔线上， 所述扇形区域的分 隔线上所述光纤探针的数量相等且均为n个， 其上每 层所述环形空间仅放置一 根所述光纤探针， 所述 光纤探针总数为m ×n； 所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块设有若干近红外吸收式光纤传感器， 所述近 红外吸收式光纤传感器分布在所述绝缘杆与外壳上且均匀分布在同一轴向截面上； 所述近 红外吸收式光纤传感器包括近红外发射装置和近红外接收装置， 所述近红外发射装置和近 红外接收装置 分别与所述绝缘杆或外壳通过螺纹密封连接， 相邻所述近红外吸收式光纤传 感器的所述近红外发射装置和近红外接 收装置的安装位置在所述绝缘杆或外壳间进行对 调； 所述电路控制系统终端包括多路程控开关、 光纤探针阵列模块电路、 近红外吸收式多 探测点光纤测量模块电路、 定时器模块、 可视化模块、 电源模块、 存储模块和主控制器模块， 所述光纤探针阵列模块电路包括探针发射模块、 探针接 收模块、 探针AD数据采集模块和探 针信号处理模块； 所述探针发射模块包括探针驱动电路、 红外光源和传输光纤， 所述探针驱 动电路为所述红外光源提供驱动电能并使其发光， 所述传输光纤传输出射光； 所述探针光 接收模块包括出射光纤和探针光电转化电路， 所述出射光纤传输经所述光纤探针返回的光 线； 所述探针AD数据采集模块采集探针数据； 所述近红外吸收式多探测点光纤测量模块电 路包括吸收式光纤光发射模块、 吸收式光纤光接收模块、 吸收式光纤AD数据采集模块和吸 收式光纤信号处理模块， 所述吸收式光纤光发射模块驱动电能转化为出射光线， 所述吸收 式光纤光接收模块为探测器将返回光能转化为反映持气率信息的电压信号， 所述吸收式光 纤AD数据采集模块采集近红外吸收式光纤传感器数据； 所述吸收式光纤光 发射模块包括光 纤驱动电路和近红外光源， 所述吸收式光纤光接收模块包括近红外接收探头和光纤光电转 化电路； 所述探针信号处理模块和吸收式光纤信号处理模块均包括差 分及功率放大电路和 模数转化电路， 并输出反映持气率信息的电压信号。 2.根据权利要求1所述的插入式组合光纤阵列传感器， 其特征在于， 所述多路程控开关 分别连接光纤探针阵列模块和近红外吸收式多探测点光纤测量模块， 所述定时器模块进 行 智能调控， 所述可视化模块提供可视化操作终端， 所述电源模块进 行供电， 所述存储模块对 输出电压信号进行本地存储， 所述主控制 器模块进行数据采集和数据 处理， 并依据所述光 纤探针阵列模块、 近红外吸收式多探测点光纤测量模块 获取的电压信号进一步获取截面持 气率信息及截面气相分布信息 。 3.根据权利要求1所述的插入式组合光纤阵列传感器， 其特征在于， 所述近红外吸收式权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114858707 A 2光纤传感器设有m组， 每组设有1个所述近红外发射装置和1个所述近红外接 收装置且均位 于所述扇形区域的分隔线上。 4.根据权利要求1所述的插入式组合光纤阵列传感器， 其特征在于， 所述上游固定支架 和下游固定支架空间垂 直布置支撑所述外壳； 所述光纤探针起于所述绝缘杆上游的一点并 发散至所述绝缘杆下游的某一轴截面上； 所述近红外发射装置和近红外接收装置连线的延 长线均过轴截面圆心， 且总体呈 “*”字形且沿周向交错方式排布。 5.根据权利要求1所述的插入式组合光纤阵列传感器， 其特征在于， 所述近红外发射装 置在光源前 方加载透 镜进行聚光， 所述近红外 接收装置 接收端适当外扩以更好接收光线。 6.一种利用权利要求1至5之一所述的插入式组合光纤阵列传感器的气液两相流参数 测量方法， 其特 征在于， 所述气液两相流 参数包括持气率和气相分布， 其包括以下步骤： S1、 采集光纤探针阵列模块、 近红外吸 收式多探测点 光纤测量模块的响应信号； S2、 基于所有光纤探针数据进行阈值处理得到二元符号化时间序列， 即0、 1时间序列， 计算高电平时间占比， 即为所有测量 点处持气率信息； S3、 基于近红外吸收式光纤传感器光强信号并结合气相浓度测量模型， 进行扇形分隔 线区域处含气率测量； S4、 将轴向截面光纤探针测量点进行插值， 增加至2m ×n个， 插值增加的测量点设为插 值点， 插值点信息依据扇形区域的分隔线区域含气率及径向探针测量点信息， 借助插值点 数据估计规则进行估计， 并根据插值点更正规则进行插值点信息更正， 确定最终插值点信 息； S5、 对光纤探测点进行插值成像， 光纤测量 点包括插值 点和实际测量 点； S6、 对成像的气相分布图进行区域识别， 进一 步获取截面持气率信息 。 7.根据权利要求6所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的气液两相流参 数测量方法， 其特征在于， 所述步骤S4中的所述插值点数据估计规则为依据靠近插值点距 离最近的实际测量 点， 借助多近邻插值 规则获取插值 点的电压信号Zi： Zi＝α1Z1+α2Z2+α3Z3+α4Z4    (1) 其中， Z1,Z2,Z3,Z4分别表示实际测量点的电压信号， 空白区域取0； α1, α2, α3, α4分别表示 对应于Z1,Z2,Z3,Z4的权重系数且均为常实数； 所述插值点更正规则为已知任意一条扇形分隔线 区域处的含气率参数为g1， 扇形分隔 线上测量 点相态状态分别为 n1、 n2、…、 nn， 则插值点信息满足： 8.根据权利要求6所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的气液两相流参 数测量方法， 其特征在于， 所述步骤S1 中光纤探针阵列模块的响应信号由流体介质确定， 若 光纤探针检测到气相介质， 则输出高电平电压信号； 若光纤探针检测到液相介质， 则输出低 电平电压信号。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114858707 A 3