CN101126701B - 基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法。检测装置包括：飞秒激光器、耦合传输光纤、光电导天线型太赫兹发射器、光学延迟装置、离轴抛物面镜、太赫兹探测器、锁相放大器、高频功率放大器和计算机控制的数据采集与处理系统。本发明利用离轴抛物面镜把太赫兹发射器发射的太赫兹波平行反射，穿过气固两相流流体后的太赫兹波用离轴抛物面镜会聚到太赫兹探测器上。根据测量获得的太赫兹时域信号应用不同的模型计算获得管道截面上气固两相流的颗粒浓度。本发明提出的基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度检测装置，结构简单，安装方便，测量精度高，使用安全，可用于石油、化工、能源、冶金和环境等诸多领域。

Description

基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法

技术领域

本发明属于两相流/多相流检测技术领域，尤其涉及一种基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法。

背景技术

太赫兹(1THz＝10¹²Hz)辐射通常是指频率范围在0.1THz到10THz的电磁波辐射，这一波段的电磁波正好处于微波与红外光之间。太赫兹波具有以下特点：(1)太赫兹辐射的光子能量很低，频率在1THz左右的光子能量大约为4meV，它是X射线的1/106，对人体没有任何辐射危害，因此是一种非常安全的射线。(2)THz波对于大多数的非极性物质具有很强的穿透能力，能够穿过包装材料对内部的物质进行检测。(3)利用太赫兹时域谱可以获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，而且通过取样测量技术，能够有效地除去背景辐射噪声的干扰，信噪比可以达到10¹⁰。

气固两相流广泛地存在于工业生产，环境保护，能源利用等诸多领域，但是由于气固两相流的流动非常复杂，气固两相流参数的准确检测仍然存在困难。其中，气固两相流颗粒浓度的检测是气固两相流参数检测中的一个重要问题，它是获得气固两相流的各相流体的体积流量和质量流量的关键，因此快速准确地获得气固两相流颗粒浓度的信息对于气固两相流流动过程的监测和控制具有重要的意义和作用。目前工业上使用较为普遍的检测气固两相流颗粒浓度的非接触的测量方法主要是基于辐射强度衰减的测量方法。传统的基于X射线、γ射线、β射线等辐射源的气固两相流颗粒浓度的检测仪表的原理是通过测量射线经过流体的辐射强度衰减来获得气固两相流中颗粒的浓度，但是它往往存在安全性的问题，而且对操作的要求也较高，并且需要定期标定射线源。基于激光的光学检测方法一般只适用于低浓度的气固两相流颗粒浓度的检测，而不适用于高浓度的颗粒浓度的检测。基于微波辐射源的检测装置存在安装和校准较为困难等缺点，且测量结果容易受流体中其他化学成份(如水，氨气等)的影响。因此，探索新的检测方法对气固两相流进行检测是工业中迫切需要解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法。

基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度检测装置具有测量管，测量管设置在待测管道两侧，在待测管道两侧的测量管上对称设有第一石英玻璃保护镜片、第二石英玻璃保护镜片、第一吹气法兰、第二吹气法兰、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜，在测量管的发射端设有光电导天线型太赫兹发射器，光电导天线型太赫兹发射器一端与高频功率放大器、锁相放大器、电脑相连接，光电导天线型太赫兹发射器另一端与光纤分束器的輸出光纤相连接，光纤分束器与飞秒激光器相连接，在测量管的接收端设有太赫兹探测器，太赫兹探测器一端与锁相放大器、电脑相连接，太赫兹探测器另一端与第二光纤耦合器的输出光纤相连接，第一光纤耦合器通过光纤与光纤分束器相连接，第一光纤耦合器的出射光线被第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后耦合进入第二光纤耦合器。

所述太赫兹探测器包括高阻硅超半球透镜与GaAs半导体基底连接，金属偶极天线在GaAs半导体基底上，金属偶极天线由电极导线与锁相放大器相连，光纤聚焦镜将光纤中的飞秒激光光束聚焦到金属偶极天线的中心位置。光纤聚焦透镜包括透镜、聚焦调整环、光纤适配器。

基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度检测方法包括如下步骤：

1)当测量得到的太赫兹时域信号相对原始信号衰减较弱时，利用基于辐射强度衰减的模型计算气固两相流颗粒浓度，首先对测量得到的太赫兹时域波形进行快速傅里叶变换分解，然后选取波长λ₁和λ₂的强度分量I₁和I₂，然后利用强度分量I₁和I₂的值计算出气固两相流颗粒的浓度为：

$n=L\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2}\ln \frac{I_{01}{I}_2}{I_{02}{I}_1}$

其中：

L——太赫兹波通过管道截面弦线上的距离

σ₁——波长为λ₁的颗粒的消光系数

σ₂——波长为λ₂的颗粒的消光系数

I₀₁——波长为λ₁的太赫兹波分量原始强度

I₀₂——波长为λ₂的太赫兹波分量原始强度

2)当测量得到的太赫兹时域信号相对原始信号衰减较强时，利用基于相位延迟的模型计算气固两相流颗粒浓度，颗粒的浓度与相位的延迟近似成线性关系：n＝Aτ₀，其中A在气固两相流颗粒浓度较大的时候近似为常数。

本发明的有益效果：

太赫兹波能够穿透颗粒浓度较高的气固两相流流体，因此能够适用于各种浓度下气固两相流颗粒浓度的测量，取样测量技术能够有效地除去背景辐射中噪声的干扰，测量信号的信噪比很高。此外，本发明的调节校准步骤简单，测量的分辨率较高，使用安全可靠，对人体无任何辐射威胁，可用于石油、化工、能源、冶金、环境和材料等诸多领域。

附图说明

图1是基于太赫兹波的气固两相流颗粒浓度的检测装置的结构示意图；

图2是太赫兹探测器的结构示意图；

图3为太赫兹时域信号在不同颗粒浓度下的衰减和相位延迟；

图4为太赫兹时域信号进行相关运算的结果；

图中：飞秒激光器1、光纤分束器2、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、光学延迟装置5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、光电导天线型太赫兹发射器8、第一离轴抛物面镜9、第一石英玻璃保护镜片10、第一吹气法兰11、第二吹气法兰12、第二石英玻璃保护镜片13、第二离轴抛物面镜14、太赫兹探测器15、锁相放大器16、高频功率放大器17、电脑18、输出耦合光纤19、待测管道20、测量管道21、高阻硅超半球透镜22、GaAs半导体基底23、金属偶极天线24、光纤聚焦镜28、电极导线29、透镜25、聚焦调整环26、光纤适配器27。

具体实施方式

图1所示，基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度检测装置具有测量管21，测量管21设置在待测管道20两侧，在待测管道20两侧的测量管上对称设有第一石英玻璃保护镜片10、第二石英玻璃保护镜片13、第一吹气法兰11、第二吹气法兰12、第一离轴抛物面镜9、第二离轴抛物面镜14，在测量管的发射端设有光电导天线型太赫兹发射器8，光电导天线型太赫兹发射器8一端与高频功率放大器17、锁相放大器16、电脑18相连接，光电导天线型太赫兹发射器8另一端与光纤分束器2的输出光纤19相连接，光纤分束器2与飞秒激光器1相连接，在测量管21的接收端设有太赫兹探测器15，太赫兹探测器15一端与锁相放大器16、电脑18相连接，太赫兹探测器15另一端与第二光纤耦合器4的输出光纤19相连接，第一光纤耦合器3通过光纤19与光纤分束器2相连接，第一光纤耦合器3的出射光线被第一平面反射镜6和第二平面反射镜7反射后耦合进入第二光纤耦合器4。

图2所示，太赫兹探测器15包括高阻硅超半球透镜22与GaAs半导体基底23连接，金属偶极天线24在GaAs半导体基底23上，金属偶极天线24由电极导线29与锁相放大器16相连，光纤聚焦镜28将光纤19中的飞秒激光光束聚焦到金属偶极天线24的中心位置。光纤聚焦透镜28包括透镜25、聚焦调整环26、光纤适配器27。

本发明的原理：

飞秒激光器1(光纤耦合输出)产生的脉冲激光通过光纤分束器2分成两路，一路为泵浦光路，一路为探测光路。泵浦路的飞秒激光脉冲激发光电导天线型太赫兹发射器8辐射出太赫兹波。光电导天线型发射器发射的太赫兹波经过离轴抛物面镜9反射成为平行的太赫兹波依次透过石英玻璃保护窗片10，吹气法兰11穿过待测管道20横截面。在接受端的离轴抛物面镜14将太赫兹波会聚在太赫兹探测器15上，同时探测路的飞秒激光脉冲也落在太赫兹探测器15上。太赫兹探测器15输出的电流信号输入锁相放大器16经过锁相、放大后进入计算机18。同时，锁相放大器16输出的正弦信号通过高频功率放大器17放大后加载在光电导天线型太赫兹发射器8上调制辐射出的太赫兹波。计算机控制光学延迟装置5中的步进电机的位移，通过不断改变参考光和探测光的光程差，扫描获得太赫兹波的时域信号。太赫兹波时域信号会随气固两相流流体的中颗粒浓度的变化而发生强度衰减和相位延迟，通过不同的模型可以计算获得不同的颗粒浓度(见图3)。

基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度检测方法包括如下步骤：

1)当气固两相流颗粒浓度较低，测量得到的太赫兹时域信号相对原始信号衰减较弱时，利用基于辐射强度衰减的模型计算气固两相流颗粒浓度。首先对测量得到的太赫兹时域波形进行快速傅里叶变换分解，然后选取水、氨、氯等吸收谱线范围外的波长λ₁和λ₂的强度分量I₁和I₂，假设气固两相流流体中颗粒直径为单一分布，对于第一个波长(λ₁)太赫兹波透过气固两相流流体时，其强度变化满足：

$I_1=I_{01}{e}^{-n{\mathrm{\σ}}_{1}L}---\left(1\right)$

对于第二个波长(λ₂)的太赫兹波，其强度变化满足：

$I_2=I_{02}{e}^{-n{\mathrm{\σ}}_{2}L}---\left(2\right)$

由等式(1)，(2)可得颗粒的浓度为：

$n=L\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2}\ln \frac{I_{01}{I}_2}{I_{02}{I}_1}---\left(3\right)$

其中：

L——太赫兹波通过管道截面弦线上的距离

σ₁——波长为λ₁的颗粒的消光系数

σ₂——波长为λ₂的颗粒的消光系数

I₀₁——波长为λ₁的太赫兹波分量原始强度

I₀₂——波长为λ₂的太赫兹波分量原始强度

2)当气固两相流颗粒浓度较高，测量得到的太赫兹时域信号相对原始信号衰减较强时，利用基于相位延迟的模型计算气固两相流颗粒浓度。为了获得不同浓度下太赫兹时域信号相对于空管状态下原始太赫兹时域信号的相位延迟，将测量得到的太赫兹时域信号与初始空管情况下的时域信号进行相关运算

$C(\mathrm{\τ},T)=\frac{1}{C_{0}T}{\∫}_0^T[E_0\left(t\right)\·W_T\left(t\right)]\·[E_1(t+\mathrm{\τ})\·W_T(t+\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}---\left(4\right)$

C₀——归一化系数

T——窗口函数W_T(t)的宽度，窗口的宽度一般取以满足频率的分辨率为基准

τ——延迟时间

E₀(t)——通过空管时的时域太赫兹波的原始信号

E₁(t)——管内有流体流动时的时域太赫兹波的信号

W_T(t)——为窗口函数，窗口函数的中心在T，在窗口内窗口函数W_T(t)取1，其余值取零。

当相关系数C达到最大值时对应的延迟时间τ₀为太赫兹时域信号的相位延迟(见图4)。颗粒的浓度与相位的延迟近似成线性关系：

n＝Aτ₀(5)

其中A是与太赫兹波在流体中的漫射强度，流体的流型，颗粒粒径的分布，颗粒表面的粗糙程度等因素相关的参数。当颗粒浓度较大时其值可以近似为常数。因此利用等式(5)可以准确地获得管道截面上的气固两相流的颗粒浓度。

Claims (3)

1.一种基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度检测装置，其特征在于具有测量管(21)，测量管(21)设置在待测管道(20)两侧，在待测管道(20)两侧的测量管(21)上对称设有第一石英玻璃保护镜片(10)、第二石英玻璃保护镜片(13)、第一吹气法兰(11)、第二吹气法兰(12)、第一离轴抛物面镜(9)、第二离轴抛物面镜(14)，在测量管的发射端设有光电导天线型太赫兹发射器(8)，光电导天线型太赫兹发射器(8)一端与高频功率放大器(17)、锁相放大器(16)、电脑(18)相连接，光电导天线型太赫兹发射器(8)另一端与光纤分束器(2)的一端输出光纤(19)相连接，光纤分束器(2)与飞秒激光器(1)相连接，在测量管(21)的接收端设有太赫兹探测器(15)，太赫兹探测器(15)一端与锁相放大器(16)、电脑(18)相连接，太赫兹探测器(15)另一端与第二光纤耦合器(4)的输出光纤(19)相连接，第一光纤耦合器(3)通过光纤(19)与光纤分束器(2)的另一端相连接，第一光纤耦合器(3)的出射光线被第一平面反射镜(6)和第二平面反射镜(7)反射后耦合进入第二光纤耦合器(4)。

2.根据权利1所述的基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度检测装置，其特征在于，所述太赫兹探测器(15)包括高阻硅超半球透镜(22)与GaAs半导体基底(23)连接，金属偶极天线(24)在GaAs半导体基底(23)上，金属偶极天线(24)由电极导线(29)与锁相放大器(16)相连，光纤聚焦镜(28)将光纤(19)中的飞秒激光光束聚焦到金属偶极天线(24)的中心位置。光纤聚焦透镜(28)包括透镜(25)、聚焦调整环(26)、光纤适配器(27)。

3.一种基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)当测量得到的太赫兹时域信号相对原始信号衰减弱时，利用基于辐射强度衰减的模型计算气固两相流颗粒浓度，首先对测量得到的太赫兹时域波形进行快速傅里叶变换分解，然后选取波长λ₁和λ₂的强度分量I₁和I₂，然后利用强度分量I₁和I₂的值计算出气固两相流颗粒的浓度为：

$n=L\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2}\ln \frac{I_{01}{I}_2}{I_{02}{I}_1}$

其中：

L——太赫兹波通过管道截面弦线上的距离

σ₁——波长为λ₁的颗粒的消光系数

σ₂——波长为λ₂的颗粒的消光系数

I₀₁——波长为λ₁的太赫兹波分量的原始强度

I₀₂——波长为λ₂的太赫兹波分量的原始强度

2)当测量得到的太赫兹时域信号相对原始信号衰减强时，利用基于相位延迟的模型计算气固两相流颗粒浓度，颗粒的浓度与相位的延迟近似成线性关系：n＝Aτ₀，其中A在颗粒浓度较大的时候近似为常数。

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