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CN103592103A - 基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量装置及方法 - Google Patents

基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量装置及方法 Download PDF

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CN103592103A CN201310557090.XA CN201310557090A CN103592103A CN 103592103 A CN103592103 A CN 103592103A CN 201310557090 A CN201310557090 A CN 201310557090A CN 103592103 A CN103592103 A CN 103592103A
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integral ball
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laser
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毛德健
冀海峰
黄志尧
王保良
李海青
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Zhejiang University ZJU
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Zhejiang University ZJU
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Abstract

本发明公开了一种基于激光消光法测量小管道液固两相流截面浓度和颗粒平均流速的检测装置和方法。在液固小管径透明测试管段的一侧设有相连接的分光棱镜、反光镜，在液固小管径透明测试管段的另一侧设有与分光棱镜、反光镜相对应的第一积分球装置、第二积分球装置，第一积分球装置通过第一光电池传感器与光电转换电路板相连，第二积分球装置通过第二光电池传感器与光电转换电路板相连，光电转换电路板、数据采集模块、微型计算机顺次相连，激光器、扩束镜、狭缝、分光棱镜顺次相连。本发明具有结构简单、成本低、非接触测量、正确率高等优点，为小通道液固两相流参数测量新技术的研究和发展提供了有益借鉴。

Description

基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量装置及方法
技术领域
本发明涉及多相流测量领域，尤其涉及一种基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量装置及方法。
背景技术
小通道液固两相流广泛存在于医药、化工、材料制备等领域，对其流动特性和参数的检测具有重要的理论意义和实用价值。在常规管径下对于液固两相流的流动参数和特性的检测方法主要有显微镜法、沉降法、超声波法、电感应法等。但是，现有文献中对于不同的颗粒大小、尺寸分布、浓度等参数下的液固两相流在小通道中流动特性和参数测量方法的研究鲜有报道。显微镜法是一种最基本最实际的测量方法，常被用来作为对其他测量方法的一种标定，但由于通过人眼直接观察，人为误差较大，且测量时间长；沉降法是基于颗粒沉降原理，测量的仪器和种类多，但对于做布朗运动的细微颗粒测量精度不高；超声法利用超声波强穿透力，对高浓度颗粒的测量特点突出，但实验条件影响因素多，机理复杂；电感应法有很高的测量速度和精度，重复性好，但是该方法属于接触式测量方法，且当测试颗粒有较宽的粒径分布时，测量孔口极易被堵塞。然而，激光的方法以其快速、准确、便捷以及对流体的非接触的优点受到重视和迅速发展，并推广应用，其中，通过透射光强来测试颗粒参数的方法主要有消光法，光脉动法，消光起伏频谱法。本发明将激光消光法引入到小通道液固两相流参数检测中，搭建一套基于激光消光法与相关法测量技术相结合的毫米级管径液固两相流中细微颗粒流动参数检测的实验装置，可以对颗粒的浓度和平均流速进行实验研究，因此该方法和装置对于小通道液固两相流参数的测量具有相当的参考价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有小通道中液固两相流参数检测技术的不足，提供一种基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量装置及方法。
基于激光消光法测量小通道液固两相流参数的测量系统包括激光器、扩束镜、狭缝、分光棱镜、反光镜、液固小管径透明测试管段、第一光电池传感器、第二光电池传感器、光电转换电路板、数据采集模块、微型计算机、第一积分球装置、第二积分球装置；在液固小管径透明测试管段的一侧设有相连接的分光棱镜、反光镜，在液固小管径透明测试管段的另一侧设有与分光棱镜、反光镜相对应的第一积分球装置、第二积分球装置，第一积分球装置通过第一光电池传感器与光电转换电路板相连，第二积分球装置通过第二光电池传感器与光电转换电路板相连，光电转换电路板、数据采集模块、微型计算机顺次相连，激光器、扩束镜、狭缝、分光棱镜顺次相连。
基于激光消光法测量小通道液固两相流参数的测量方法包括两相流颗粒截面浓度的测量方法和两相流颗粒平均流速的测量方法：
1)两相流颗粒截面浓度的测量方法为：
激光器发出的激光通过扩束镜、狭缝、分光棱镜、反光镜获得两束光强为I0的平行激光光束，由第一积分球装置、第二积分球装置收集两束平行激光光束经过测试管道衰减后的出射光束，使出射光分别均匀分布在第一积分球装置、第二积分球装置上，通过第一光电池传感器、第二光电池传感器分别检测第一积分球装置、第二积分球装置出射口处的光强，即可得到两束平行激光光束经过测试管道衰减后光束的光强I，测试管道的管径为毫米级，检测第一积分球装置、第二积分球装置的直径为1厘米，
混合均匀的液固两相流在小通道中颗粒的截面浓度
Figure BDA0000411960130000021
其中L为介质颗粒的厚度即管径大小，K为消光系数可表示为K(λ，m，D)，其中λ为激光波长，m为颗粒的复数折射率，D为颗粒的直径大小，首先在已知N的情况下，根据上式测得颗粒浓度N与光强I之间的关系曲线,即可依据实验测得的实际情况来反演求出消光系数K；在测得消光系数K之后，将每种粒径的颗粒分别配成不同浓度的混合液，通过实验测得衰减后光束的光强I，即可计算出颗粒的截面浓度(N)；
2）两相流颗粒平均流速的测量方法为：
激光器发出的激光通过扩束镜、狭缝、分光棱镜、反光镜获得两束光强为I0的平行激光光束，由第一积分球装置、第二积分球装置收集两束平行激光光束经过测试管道衰减后的出射光束，使出射光分别均匀分布在第一积分球装置、第二积分球装置上，通过第一光电池传感器、第二光电池传感器分别检测第一积分球装置、第二积分球装置出射口处的光强，即可得到两束平行激光光束经过测试管道衰减后光束的光强随时间t变化相互独立的信号x(t1)和y(t2),将该信号进行互相关计算得到液固两相流中颗粒流经上下游传感器的时间τ0；最后由于上下游光束之间的距离(d)是固定的，则按下式计算出颗粒在液固两相流中的平均流速
Figure BDA0000411960130000032
本发明针对小通道液固两相流参数检测手段缺乏的现状，利用激光消光法，以及互相关技术进行数据处理，提出了一种基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量装置及方法。相应装置具有结构简单、成本低、非接触测量、测量灵敏度高等优点，为小通道液固两相流参数测量新技术的研究和发展提供了有益借鉴。
附图说明
图1是基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量装置结构示意图；
图2是基于激光消光法的小通道液固两相流参数测量方法原理图；
图3是颗粒浓度N与光强I之间的关系曲线；
图中：激光器1、扩束镜2、狭缝3、分光棱镜4、反光镜5、液固小管径透明测试管段6、相互独立的上下游光电池传感器7、光电转换电路板8、数据采集模块9、微型计算机10、积分球装置11。
具体实施方式
如图1所示，基于激光消光法测量小通道液固两相流参数的测量系统包括激光器1、扩束镜2、狭缝3、分光棱镜4、反光镜5、液固小管径透明测试管段6、第一光电池传感器7.1、第二光电池传感器7.2、光电转换电路板8、数据采集模块9、微型计算机10、第一积分球装置11.1、第二积分球装置11.2；在液固小管径透明测试管段6的一侧设有相连接的分光棱镜4、反光镜5，在液固小管径透明测试管段6的另一侧设有与分光棱镜4、反光镜5相对应的第一积分球装置11.1、第二积分球装置11.2，第一积分球装置11.1通过第一光电池传感器7.1与光电转换电路板8相连，第二积分球装置11.2通过第二光电池传感器7.2与光电转换电路板8相连，光电转换电路板8、数据采集模块9、微型计算机10顺次相连，激光器1、扩束镜2、狭缝3、分光棱镜4顺次相连。
如图2所示，基于激光消光法测量小通道液固两相流参数的测量方法包括两相流颗粒截面浓度的测量方法和两相流颗粒平均流速的测量方法：
1)两相流颗粒截面浓度的测量方法为：
激光器1发出的激光通过扩束镜2、狭缝3、分光棱镜4、反光镜5获得两束光强为I0的平行激光光束，由第一积分球装置11.1、第二积分球装置11.2收集两束平行激光光束经过测试管道6衰减后的出射光束，使出射光分别均匀分布在第一积分球装置11.1、第二积分球装置11.2上，通过第一光电池传感器7.1、第二光电池传感器7.2分别检测第一积分球装置11.1、第二积分球装置11.2出射口处的光强，即可得到两束平行激光光束经过测试管道6衰减后光束的光强I，测试管道6的管径为毫米级，检测第一积分球装置11.1、第二积分球装置11.2的直径为1厘米。
混合均匀的液固两相流在小通道中颗粒的截面浓度
Figure BDA0000411960130000041
其中L为介质颗粒的厚度即管径大小，
K为消光系数可表示为K(λ，m，D)，其中λ为激光波长，m为颗粒的复数折射率，D为颗粒的直径大小，首先在已知N的情况下，根据上式测得颗粒浓度N与光强I之间的关系曲线如图3所示,即可依据实验测得的实际情况来反演求出消光系数K；在测得消光系数K之后，将每种粒径的颗粒分别配成不同浓度的混合液，
通过实验测得衰减后光束的光强I，即可计算出颗粒的截面浓度(N)；
细微颗粒截面浓度测量原理：
由Lambert-Beer光透射定律可知，出射光强于入射光强的关系为
I＝I0exp(-σL)
式中σ为浊度，L为颗粒介质的厚度。在最简单的但分散系中，若介质是N个粒径为D的球形颗粒，则总的浊度为
σ＝NKε(π/4)D2KN
式中ε为颗粒的迎光面积，K为消光系数。按Mie理论，其表达式为
K = ( 2 / α 2 ) Σ n = 0 ∞ ( 2 n + 1 ) ( | a n | + | b n | )
式中α＝(π/λ)D,为无因次尺寸参数，an，bn为Mie系数，可表示为K(λ，m，D)，其中λ为激光波长，m为颗粒的复数折射率，D为颗粒粒径。若为已知粒径的单分散系，则用同一波长激光光束照射颗粒时消光系数K(λ，m，D)为常数。因此浊度σ只与球形颗粒数N有关。
由于入射光强和出射光强都可以通过积分球检测装置测量得到，所以细微颗粒截面浓度可表示为如下关系式：
N＝f(λ,m,D,L,I)
式中λ和m在同一测量条件下时，为已知的常量，L为颗粒介质厚度，混合均匀的液固两相流在小通道中的颗粒介质厚度即为管径大小，因此可以建立浓度与颗粒粒径(D)和管径(L)的关系式：
N＝f(D,L,I)
细微颗粒截面浓度测量步骤如下：
1）将积分球检测紧贴着测试管道的外壁放置，确保出射光能全部进入积分球中。装置都放置好了之后，打开激光器，让其预热40分钟。
2）激光器稳定了之后，先测量空管时的激光强度I0
3）打开液固两相流驱动装置，待两相流流体稳定流过测试管道时测量激光照射两相流的出射光强度I
4）在确定了激光波长，颗粒折射率，颗粒直径，管径大小之后介质的首先在已知N的情况下，根据上式测得颗粒浓度N与光强I之间的关系曲线如图3所示,即可依据实验测得的实际情况来反演求出消光系数K；在测得消光系数K之后，将每种粒径的颗粒分别配成不同浓度的混合液，通过实验测得衰减后光束的光强I，则可以根据
N = - 4 π LD 2 K ( ln I - ln I 0 ) 计算出颗粒截面浓度N。
2）两相流颗粒平均流速的测量方法为：
激光器1发出的激光通过扩束镜2、狭缝3、分光棱镜4、反光镜5获得两束光强为I0的平行激光光束，由第一积分球装置11.1、第二积分球装置11.2收集两束平行激光光束经过测试管道6衰减后的出射光束，使出射光分别均匀分布在第一积分球装置11.1、第二积分球装置11.2上，通过第一光电池传感器7.1、第二光电池传感器7.2分别检测第一积分球装置11.1、第二积分球装置11.2出射口处的光强，即可得到两束平行激光光束经过测试管道6衰减后光束的光强随时间t变化相互独立的信号x(t1)和y(t2),将该信号进行互相关计算
Figure BDA0000411960130000052
得到液固两相流中颗粒流经上下游传感器的时间τ0；最后由于上下游两光束之间的距离(d)是固定的，则按下式计算出颗粒在液固两相流中的平均流速
Figure BDA0000411960130000061
细微颗粒液固两相流混合液由微米级颗粒和纯水均匀混合而成，因此颗粒在两相流动过程中会有沉降运动，所以为了尽量减少沉降作用造成的影响，需要合理设置上两束平行激光光束的距离，一般合理范围为10mm-18mm。
细微颗粒截面浓度测量步骤如下：
1）将积分球检测紧贴着测试管道的外壁放置，确保出射光能全部进入积分球中。装置都放置好了之后，打开激光器，让其预热40分钟；
2）激光器稳定了之后，先测量空管时的激光强度；
3）打开液固两相流驱动装置，待两相流流体稳定流过测试管道时测量激光照射两相流的出射光强度随时间t变化相互独立的信号x(t1)和y(t2)；
4）将信号x(t1)和y(t2)发送到微型计算机（10）中，将该信号进行互相关计算 R xy ( τ 0 ) = lim T → ∞ 1 T ∫ - T 2 T 2 x ( t ) y ( t - ι 0 ) dt dt得到时间τ0；
4）按下式计算出颗粒在液固两相流中的平均流速
Figure BDA0000411960130000063
其中d为两束平行激光光束的距离。

Claims (2)

1.一种基于激光消光法测量小通道液固两相流参数的测量系统，其特征在于包括激光器（1）、扩束镜（2）、狭缝（3）、分光棱镜（4）、反光镜（5）、液固小管径透明测试管段（6）、第一光电池传感器（7.1）、第二光电池传感器（7.2）、光电转换电路板（8）、数据采集模块（9）、微型计算机（10）、第一积分球装置（11.1）、第二积分球装置（11.2）；在液固小管径透明测试管段（6）的一侧设有相连接的分光棱镜（4）、反光镜（5），在液固小管径透明测试管段（6）的另一侧设有与分光棱镜（4）、反光镜（5）相对应的第一积分球装置（11.1）、第二积分球装置（11.2），第一积分球装置（11.1）通过第一光电池传感器（7.1）与光电转换电路板（8）相连，第二积分球装置（11.2）通过第二光电池传感器（7.2）与光电转换电路板（8）相连，光电转换电路板（8）、数据采集模块（9）、微型计算机（10）顺次相连，激光器（1）、扩束镜（2）、狭缝（3）、分光棱镜（4）顺次相连。
2.一种使用权利要求1所述系统的基于激光消光法测量小通道液固两相流参数的测量方法，其特征在于包括两相流颗粒截面浓度的测量方法和两相流颗粒平均流速的测量方法：
1)两相流颗粒截面浓度的测量方法为：
激光器（1）发出的激光通过扩束镜（2）、狭缝（3）、分光棱镜（4）、反光镜（5）获得两束光强为I0的平行激光光束，由第一积分球装置（11.1）、第二积分球装置（11.2）收集两束平行激光光束经过测试管道（6）衰减后的出射光束，使出射光分别均匀分布在第一积分球装置（11.1、第二积分球装置（11.2）上，通过第一光电池传感器（7.1）、第二光电池传感器（7.2）分别检测第一积分球装置（11.1）、第二积分球装置（11.2）出射口处的光强，即可得到两束平行激光光束经过测试管道（6）衰减后光束的光强I，测试管道（6）的管径为毫米级，检测第一积分球装置（11.1）、第二积分球装置（11.2）的直径为1厘米。
混合均匀的液固两相流在小通道中颗粒的截面浓度其中L为介质颗粒的厚度即管径大小，K为消光系数可表示为K(λ，m，D)，其中λ为激光波长，m为颗粒的复数折射率，D为颗粒的直径大小，首先在已知N的情况下，根据上式测得颗粒浓度N与光强I之间的关系曲线,即可依据实验测得的实际情况来反演求出消光系数K；在测得消光系数K之后，将每种粒径的颗粒分别配成不同浓度的混合液，通过实验测得衰减后光束的光强I，即可计算出颗粒的截面浓度(N)；
2）两相流颗粒平均流速的测量方法为：
激光器（1）发出的激光通过扩束镜（2）、狭缝（3）、分光棱镜（4）、反光镜（5）获得两束光强为I0的平行激光光束，由第一积分球装置（11.1）、第二积分球装置（11.2）收集两束平行激光光束经过测试管道（6）衰减后的出射光束，使出射光分别均匀分布在第一积分球装置（11.1）、第二积分球装置（11.2）上，通过第一光电池传感器（7.1）、第二光电池传感器（7.2）分别检测第一积分球装置（11.1）、第二积分球装置（11.2）出射口处的光强，即可得到两束平行激光光束经过测试管道（6）衰减后光束的光强随时间t变化相互独立的信号x(t1)和y(t2),将该信号进行互相关计算得到液固两相流中颗粒流经上下游传感器的时间τ0；最后由于上下游光束之间的距离(d)是固定的，则按下式计算出颗粒在液固两相流中的平均流速
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