CN101103275A - 渡越时间型光学测速仪 - Google Patents
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Abstract
一种L2F测速仪包括插入流体中的探头，所述探头中具有允许流体流过的开口区。所述探头包括：照明系统，其引导彼此以一分隔距离间隔开的一对光束穿过所述开口区；和收集系统，其收集来自流体中的颗粒散射的向前散射的光。所述收集系统具有和所述照明系统共同的光轴。所述测速仪还包括光电组件，其与所述探头相连，以便为所述照明系统提供光，接收由所述收集系统收集的光，测量由穿过所述一对光束的颗粒引起的向前散射的光中波动的经历时间，以及基于经历时间和分隔距离计算流体的速度。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于测量流动流体速度的测速仪。更具体地说，本发明涉及通过测量颗粒穿过两个聚焦光束之间的测试区的渡越时间来确定携带颗粒的流体速度的光学测速仪。
背景技术
本领域公知的一种测量流体速度的光学方法是“双焦点激光”(L2F)测速仪。L2F测速仪基于检测由穿过两束聚焦激光束的颗粒产生的光脉冲，并确定颗粒随着流体从一个聚焦光束移动到另一个聚焦光束所用的平均经历时间。通过两束激光束之间的间距除以经历时间来计算流速。在准确的光束聚焦和快速数字信号处理的前提下，利用L2F测速仪测量流速可达0.01％以内的准确度。由于这一原因，L2F测速仪尤其适用于研究气体和透明液体的复杂流动。其它应用包括测量管道中的极低(低于0.1m/s)到极高(高于100m/s)速度的气体。这种大范围对于测量波动气体例如大管道中的火焰气体是必要的。
已经存在用于测量小管道和通道中的复杂流体流动的L2F测速仪，诸如用在透平机械中的L2F测速仪(例如属于Schodl的美国专利No.3,941,477和属于Hofmann等人的美国专利No.4,707,130)。这些系统包括具有光学照明系统和光学收集系统的外壳，其中，光学照明系统被构造成引导两束激光片状光穿过流动体，光学收集系统收集流动体中的颗粒向后散射的光并将所收集的光聚焦到两台光电检测器中。收集系统的光轴与片状光平行。照明系统发出穿过收集系统的中央区域的光，收集系统收集在外围区域接收的来自颗粒向后散射的光。
参考Hofmann等人的专利，其公开了第一种类型的现有技术的示例性光学布置，该光学布置包括：激光器和分束器，它们产生两束平行光束；以及透镜和两面镜子，它们被构造成引导光束穿过具有凸透镜和凹透镜的光学单元，所述凸透镜和凹透镜将光束聚焦在两个测试点上。来自两束光束的光从测试点向后散射穿过光学单元和其它透镜，并通过光闸被引导到光电倍增器上。
这种系统的一个缺点在于向后散射光的强度比向前散射光的强度弱得多。这使信噪比降低到这种系统通常需要引入颗粒(particle seeding，即将颗粒加入到流动体)来操作的程度。然而，在诸如天然气管道、火炬烟囱和通风管道等许多石油化学应用中不受允许引入颗粒。
这种系统也不允许对将要用在大管道中的小型测速仪进行成本有效性设计，这是因为如果将测试区设置在远离外壳的地方，则光学收集系统的孔的大小必须成比例地增大。大光学系统增加了测速仪的成本。
另一类型的现有技术的基于L2F测速仪的光学气流仪包括刚性安装到板上的外壳，该板使得可以直接接触管道中的流动流体(例如属于Kiel等人的美国专利No.6,128,072)。该光学收集系统检测向前散射的光，但是为了避免捕捉到未散射的光，该光学收集系统与照明系统的光轴偏离一定角度。
参考Kiel等人的专利，其公开了第二种类型的现有技术的示例性光学布置，该光学布置基于具有中心孔的板，该中心孔优选地与流体流过的管道的内径相匹配。安装在板上的光纤终止在准直仪处，以便将来自光纤的光引导到将光分成两束光束的棱镜上。该光束通过镜子反射和通过柱面透镜聚焦以便形成穿过测量体积的两束平行光束。来自光束的光被穿过测量体积的颗粒散射，并且一部分散射光由双胶合透镜收集并聚焦到成像点。优选的是，与平行光束的方向成5度至25度范围的角度收集光。
该第二种类型的现有技术测速仪的一个缺点在于，其不适用于各种直径的管道，因为必须为每种尺寸的管道单独设计板和光学系统。并且，光学收集系统的离轴位置降低了收集系统的收集效率，这是因为光学收集系统仅仅接收有限立体角内的散射光。此外，将该第二种类型的现有技术测速仪插入非常大的管道是不实际的。
第二种类型的现有技术系统的另一个缺点在于，安装在管道中的光学仪器可能受到窗口污脏的影响。因此，有必要提供外壳，其允许在不降低管道压力的前提下取下光学器件以便清洁。取下根据上述技术的板需要复杂的机械装置，其与复杂的高压光纤馈通器组合而导致仪器比较昂贵。
现有技术的L2F测速仪可能比较准确。然而，它们趋向于在激光束聚焦的有限测试区内确定流体速度。这使得它们对流动体断面上速度的不同比较敏感。Kiel等人公开了多点L2F测速仪，其中，一个测试区位于管道的中央，多个测试区位于离壁四分之一半径处。根据流体动力学计算，四分之一半径的位置较少地受流动体断面的影响。然而，多点L2F测速仪需要复杂的光学系统，以便在流动体断面上形成多个测试区。
因此，需要如下光学测速仪，即，其不需要引入颗粒并且适合于在不同直径的管道中测量流体速度。还需要具有外壳的测速仪，并且该外壳容易从流体输送管道移走以便清洁和维护。
发明内容
本发明的一个实施方式提供了一种L2F测速仪，其包括可以插入流动流体中的探头。该探头具有同轴的光学照明系统和光学收集系统。该照明系统引导光穿过流体，该收集系统收集穿过流体的向前散射的光。
下面将描述本发明的其它方面和具体实施方式的特征。
附图说明
在下列图中示出了本发明的非限定性实施方式：
图1示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的L2F测速仪；
图2是图1所示光学系统的局部放大图；
图3是散射在小颗粒(0.5μm至1.5μm)上的单色光(650μm)的计算强度的图形表示；
图4是散射在大颗粒(2μm至10μm)上的单色光(650μm)的计算强度的图形表示；
图5示意性地示出了图2所示的光学系统在测量区形成的光点的位置；
图6示出了图2所示的光学系统在不透光平面中形成的光点的位置；
图7示出根据本发明另一个实施方式的具有位于凹面镜中的基准光纤的L2F测速仪；
图8示出根据本发明另一个实施方式的进行多点速度测量的L2F测速仪；
图9示出根据本发明另一个实施方式的具有插入装置的L2F测速仪，该插入装置用于在流动体的各个位置插入探头。
具体实施方式
在下面的整个说明中提出了一些具体细节以便更透彻地理解本发明。然而，没有这些细节也可以实施本发明。另外，没有详细地显示或者说明众所周知的元件以避免不必要地使本发明重点不突出。因此，说明和附图均是作为示例而不是作为限制。
本发明的一个实施方式提供了一种L2F测速仪，其包括可以插入流动流体中的探头。该探头具有同轴的光学照明系统和光学收集系统。光学照明系统引导一对片状光穿过探头的开口区，流体将经由该开口区流动。片状光与流动方向垂直，并且沿着与流动方向平行的方向以预定距离间隔开。流动体中的穿过两个片状光的颗粒对光进行散射，从而导致散射光中出现波动(fluctuations)。光学收集系统收集穿过流体的向前散射的光。光电组件接收收集的光，并通过监控波动而确定由颗粒引起的波动之间的经历时间。光学收集系统可以包括镜子，以便可以减小探头的长度，从而减小流动紊乱并允许测量更小直径的管道内的流速。
图1示出了根据本发明的一个实施方式的L2F测速仪。该测速仪包括探头60，探头60具有插入流体中的远端62和机械支撑探头且安装缆线66的近端64。缆线66将探头60和光电组件68相连。探头60的远端具有流体能够穿过的开口区70。光学照明系统(图1中未示出)接收来自光电组件68的光，并且在开口区70的中央形成两个片状光(light sheet)72和74，颗粒由流体携带穿过这两个片状光。与光学照明系统同轴的光学收集系统将经过颗粒散射的光收集并反射给光电组件68。
图2示出图1所示测速仪的光学照明系统和光学收集系统。光学照明系统包括照明套圈80、耦合透镜81和柱面透镜82。光学照明系统位于聚焦组件86的中心孔84中。聚焦组件86包括第一透镜109和第二透镜110。光学收集系统包括镜子88和聚焦组件86，镜子88在中央具有黑暗化体(obscuration)90。镜子88与耦合透镜81、柱面透镜82、聚焦组件86的第一透镜109和第二透镜110的光轴92同轴。集中套圈94沿着光轴92设置，且在聚焦组件86形成的像平面(image plane)中位于照明套圈80之后。两根照明光纤96和98与照明套圈80相连，而两根收集光纤100和102与集中套圈94相连。光纤96、98、100和102在如图1所示的缆线66中结合。优选的是，窗口104位于耦合透镜81和开口区70之间以保护透镜系统和光纤不受环境的影响。柱面透镜82可以位于窗口104中央的孔中。镜子可以由另一窗口(未示出)保护。
柱面透镜82将来自光纤96和98的光传至开口区70中的明亮片状光106和108中，这两个片状光对应于图1中的片状光72和74。对黑暗化体90的大小进行选择以吸收所有直接来自光纤96和98的光。随着流体流动而穿过片状光的颗粒所散射的光由镜子88收集。镜子88将该散射光反射至聚焦组件86并使该散射光准直。第一透镜109的外围区域接收镜子88所反射的光并将其聚焦到第二透镜110的外围区域，第二透镜110转而将准直光聚焦到收集光纤100、102的接收孔中。
图3示出基于Mie近似对直径从0.5μm至1.5μm的颗粒计算的理论光分布。这种颗粒通常位于天然气管道中，且多数位于火炬烟囱中。该计算是为波长为0.650μm的单色光执行的，这种单色光通常用于适合于L2F测速仪的微型激光器。在0度附近散射的光(向前散射的光)的相对强度为Ff＝512.9，在180度附近散射的光(向后散射的光)的相对强度为Fb＝3.0。因此，收集向前散射的光的光学收集系统(例如根据本发明的光学收集系统)可以比收集向后散射的光的光学收集系统的效率高170倍。
收集向前散射的光与收集向后散射的光之间的效率的差别随着颗粒大小的增大而增大，这是由于更多的平行光散射的缘故。图4示出对于由直径为2μm至10μm的颗粒散射的光，图3所示类型的角度分布。对于这种更大的颗粒，向前散射强度与向后散射强度的比值为Ff/Fb＝126251.0/152.5＝827。
这解释了上述提供以相同比率减小的探测率的第一种类型的现有技术的主要缺陷。收集向后散射的光的光学收集系统仅仅当颗粒被加入到流动体中才可以有效地检测到颗粒(向后散射的光通量Fb随着颗粒直径的增大而增大)。然而，在工业流动体测量中通常不允许引入颗粒。
同样，第二种类型的现有技术的效率受到光学系统的不同轴设计的影响。根据第二种类型的现有技术的光学收集系统的接收角比图2所示实施方式的接收角小，这是由于接收系统相对光束的方向成角度设置的缘故。
图5示出了来自照明光纤96和98的光束在图2所示的片状光106和108的平面中的形状。椭圆形点112和114表示片状光106和108在垂直于光轴的平面中的横截面。圆形点113和115表示照明光纤96和98的纤芯在所述相同平面中的投影。点112和114偏移距离d，距离d取决于光纤96和98在照明套圈80中的间距以及透镜81和82的放大率。距离d是用于计算速度的两个参数之一：v＝d/τ，其中τ是颗粒在点112和114之间移动所用的平均时间。
图6示出来自照明光纤96和98的光束在图2所示镜子88上的黑暗化体90的平面中的形状。由于柱面透镜82的作用，点120和122通常沿着与图5所示的点112和114的方向垂直的方向伸展。
优选的是，照明光纤96和98是单模光纤，根据所采用的光的波长具有4μm至9μm的纤芯直径。这种光纤可以产生小于15μm宽的片状光，从而在测量区实现高亮度聚焦。波长越短散射效率越高，并且耦合到光纤中的光总量在细纤维中更少，可以根据这些方面来选择纤芯。优选的是，收集光纤100和102是多模光纤，具有50μm至500μm的纤芯直径和大数值孔径。虽然通常优选更粗的收集光纤，但是收集光纤100和102的最佳直径取决于光学收集系统(镜子88和聚焦组件86)的放大率和距离d。
距离d的优选值取决于多个因素，在这些因素中，预期准确度、待测量的速度范围和紊流水平是主要的。距离d的值越大，则对穿过点112和114的颗粒引起的两脉冲之间的时间进行测量的准确度越高。然而，由于紊流的作用，单个颗粒穿过点112和114的可能性随着距离d的增大而降低。大约为1.0mm的片状光间距d非常适用于多数具有0.1m/s到100m/s的速度和小于5％的紊流水平的工业流动体应用。
图2所示的光学系统收集向前散射的光时具有较高效率。由黑暗化体90吸收的散射光部分取决于黑暗化体90的大小和片状光106、108所在位置与镜子88之间的距离。在示例性实施方式中，对于3/4英寸(19.1mm)的探头直径，上述这些尺寸限定3度的典型不透光角和12度的收集角。在Hofmann等人公开的具有大致相同几何体的该类型现有技术系统收集大约168度到177度的散射光。该示例性实施方式对比Hofmann等人的该类型现有技术系统的相对收集效率(Eff)可以通过如下方式计算，即，在3至12度和168至177度的立体角内求图3和图4所示光分布的积分来获得收集光的强度(分别为F3-12和F168-177)，并获得光强度的比值：Eff＝F3-12/F168-177。可以发现，与现有技术相比，该示例性实施方式的收集效率对于小颗粒而言增大5.4×106，而对于大颗粒而言增大1.3×106。
根据本发明的另一实施方式，如图7所示，基准光纤130放在黑暗化体90中。基准光纤130收集到达黑暗化体90的那部分光。这使得可以控制总的光强度，总的光强度可能由于窗口污脏、光源的退化和热不稳定性等而随着时间改变。
根据本发明的另一实施方式，探头的近端可以具有多个开口区，以测量流动体内不同点处的流体速度。图8示出了三个开口区140、142和144。各个开口区140、142和144与图2或图7所示的同轴的光学照明系统和收集系统相关联。这种布置使得可以在多个点测量速度，这被期望用在许多应用场合，例如大烟囱和管道中的气流测量。
如图9所示，可以通过在流动体中移动测量区来实现速度分布的测量。插入装置154将探头60插入大管道152中。插入装置154将探头60放在管道152中的某一深度处，从而具有测量区的开口区70可以测量不同位置处的速度。插入装置与光电组件68相连以将最终测量的速度作为探头位置的函数。
根据上述公开的内容本领域的技术人员可以认识到，在实施本发明时可以在不偏离本发明的精髓或范围的前提下进行许多变更和修改。因此，本发明的范围将根据下述权利要求所限定的内容来解释。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
根据PCT条约第19(1)条的声明
权利要求1被修改为包含“反射元件被构造成将所述向前散射的光沿着朝向照明系统的方向反射回去”。在修改后的权利要求1的情况下，上述特征没有被所引用的对比文件教导或充分启示。
权利要求2、3、6被修改为与修改后的权利要求1相适应。
权利要求5被修改为引用权利要求1至4中的任何一项。
权利要求9被修改以克服打印缺陷。
权利要求16(原权利要求17)被修改为包含步骤“将已收集的向前散射的光沿着朝向照明系统的方向反射回去以到达一对光电检测器”。在修改后的权利要求16的情况下，上述特征没有被所引用的对比文件教导或充分启示。
权利要求17-19(分别为原权利要求18、20和21)被修改为与修改后的权利要求16相适应。
国际局2006年6月7日收到的修改后的权利要求以及声明。
1、一种用于测量流动流体速度的装置，所述装置包括：
探头，其插入流体中，所述探头中具有开口区，所述开口区被构造成允许流体流过，所述探头包括：
照明系统，其被构造成引导彼此以一分隔距离间隔开的一对光束穿过所述开口区；和
收集系统，其被构造成收集由流体中的穿过所述一对光束的颗粒向前散射的光，并且具有和所述照明系统共同的光轴，所述收集系统包括反射元件，所述反射元件被构造成将所述向前散射的光沿着朝向照明系统的方向反射回去；以及
光电组件，其与所述探头相连，并且被构造成为所述照明系统提供光和接收由所述收集系统收集的光，以测量由穿过所述一对光束的颗粒引起的向前散射的光中波动的经历时间，并且基于所述经历时间和分隔距离计算流体的速度。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射元件包括凹面镜，其具有与所述收集系统和所述照明系统共同的光轴。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述收集系统包括位于光轴上的黑暗化体，所述黑暗化体用于吸收来自光束的未散射的光。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述收集系统包括基准光纤，所述基准光纤被定位成接收入射在黑暗化体上的光。
5、根据权利要求1至4中任一所述的装置，其特征在于，所述收集系统包括聚焦组件，所述聚焦组件被构造成将已反射的向前散射的光聚焦在与光电组件相连的一对光纤上。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述反射元件和聚焦组件位于开口区的相反两侧。
7、根据权利要求5或者6所述的装置，其特征在于，所述聚焦组件在其中央部分具有孔，所述照明系统通过所述孔将光射出。
8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述照明系统包括一对光纤，所述光纤与光电组件相连，并且由安置在所述聚焦组件孔中的照明套圈保持彼此分开预定的距离。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述收集系统包括一对光纤，所述光纤安置在所述聚焦组件的像平面中，所述像平面和所述开口区位于照明套圈的相反两侧。
10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述一对光纤由集中套圈保持就位。
11、根据权利要求1至10中任一所述的装置，其特征在于，所述一对光束包括一对片状光。
12、根据权利要求1至11中任一所述的装置，其特征在于，所述照明系统包括沿着所述光轴安置的柱面透镜。
13、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述探头包括安置在所述聚焦组件和开口区之间的窗口。
14、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述探头包括安置在所述镜子和开口区之间的窗口。
15、根据权利要求1至14中任一所述的装置，其特征在于，所述探头包括多个开口区，每个开口区具有与其相关联的照明系统和收集系统。
16、一种测量流动流体速度的方法，所述方法包括：
利用照明系统引导彼此以一分隔距离间隔开的一对光束穿过流体；
利用收集系统收集由流体中的颗粒散射的向前散射的光，所述收集系统具有与所述照明系统共同的光轴；
将已收集的向前散射的光沿着朝向照明系统的方向反射回去以到达一对光电检测器；
确定已收集的向前散射的光中由穿过所述一对光束的颗粒引起的波动之间的经历时间；以及
基于所述分隔距离和经历时间计算流体的速度。
17、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述照明系统和收集系统定位在探头中，所述探头中具有开口区；以及
将所述探头插入流体中，以使得流体流过所述开口区。
18、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，反射向前散射的光包括利用镜子上的黑暗化体吸收未散射的光，所述黑暗化体安置在所述光轴上。
19、根据权利要求19所述的方法，其特征在于，反射向前散射的光包括在镜子的中央收集和测量未散射的光以实现信号规范化。
Claims (21)
1、一种用于测量流动流体速度的装置，所述装置包括：
探头，其插入流体中，所述探头中具有开口区，所述开口区被构造成允许流体流过，所述探头包括：
照明系统，其被构造成引导彼此以一分隔距离间隔开的一对光束穿过所述开口区；和
收集系统，其被构造成收集由流体中的穿过所述一对光束的颗粒向前散射的光，并且具有和所述照明系统共同的光轴；以及
光电组件，其与所述探头相连，并且被构造成为所述照明系统提供光和接收由所述收集系统收集的光，以测量由穿过所述一对光束的颗粒引起的向前散射的光中波动的经历时间，并且基于所述经历时间和分隔距离计算流体的速度。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收集系统包括镜子，所述镜子被构造成将所述向前散射的光沿着朝向所述照明系统的方向反射回去。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述镜子包括凹面镜，其具有与所述收集系统和所述照明系统共同的光轴，所述镜子上具有围绕所述光轴的黑暗化体，所述黑暗化体用于吸收来自光束的未散射的光。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述收集系统包括基准光纤，所述基准光纤被定位成接收入射在黑暗化体上的光。
5、根据权利要求2至4中任一所述的装置，其特征在于，所述收集系统包括聚焦组件，所述聚焦组件被构造成将已反射的向前散射的光聚焦在与光电组件相连的一对光纤上。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述镜子和聚焦组件位于开口区的相反两侧。
7、根据权利要求5或者6所述的装置，其特征在于，所述聚焦组件在其中央部分具有孔，所述照明系统通过所述孔将光射出。
8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述照明系统包括一对光纤，所述光纤与光电组件相连，并且由安置在所述聚焦组件孔中的照明套圈保持彼此分开预定的距离。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述收集系统包括一对光纤，所述光纤安置在所述聚焦组件的像平面中，所述像平面、所述开口区位于照明套圈的相反两侧。
10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述一对光纤由集中套圈保持就位。
11、根据权利要求1至10中任一所述的装置，其特征在于，所述一对光束包括一对片状光。
12、根据权利要求1至11中任一所述的装置，其特征在于，所述照明系统包括沿着所述光轴安置的柱面透镜。
13、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述探头包括安置在所述聚焦组件和开口区之间的窗口。
14、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述探头包括安置在所述镜子和开口区之间的窗口。
15、根据权利要求1至14中任一所述的装置，其特征在于，所述探头包括多个开口区，每个开口区具有与其相关联的照明系统和收集系统。
16、根据权利要求1至15中任一所述的装置，其特征在于，所述装置包括插入装置，所述插入装置与探头相连以便于将探头设置在流动体的不同位置处。
17、一种测量流动流体速度的方法，所述方法包括：
利用照明系统引导彼此以一分隔距离间隔开的一对光束穿过流体；
利用收集系统收集由流体中的颗粒散射的向前散射的光，所述收集系统具有与所述照明系统共同的光轴；
将已收集的向前散射的光引导到一对光电检测器；
确定已收集的向前散射的光中由穿过所述一对光束的颗粒引起的波动之间的经历时间；以及
基于所述分隔距离和经历时间计算流体的速度。
18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述照明系统和收集系统定位在探头中，所述探头中具有开口区；以及
将所述探头插入流体中，以使得流体流过所述开口区。
19、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，收集向前散射的光包括利用镜子将所述向前散射的光沿着朝向所述照明系统的方向反射回去。
20、根据权利要求19所述的方法，其特征在于，反射向前散射的光包括利用镜子上的黑暗化体吸收未散射的光，所述黑暗化体安置在所述光轴上。
21、根据权利要求19所述的方法，其特征在于，反射向前散射的光包括在镜子的中央收集和测量未散射的光以实现信号规范化。
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