CN101334357A - 油雾浓度测量仪 - Google Patents

Abstract

一种油雾浓度测量仪，属于多相流离散相浓度测量技术领域，它包括光源发射器、起偏器、防护镜、雾室、检偏器和光源接收器，光源发射器发出的平行光经过起偏器形成平面偏振光，平面偏振光在雾室内与微小的油雾颗粒作用，其振动面发生偏转，通过检偏器的透射光由光源接收器接收，光源接收器检测出不同油雾浓度情况下的平面偏振光光强变化，实现光/电转换，输出直流电压，通过电压－浓度兑换表直接得出油雾浓度。本发明的油雾浓度测量仪可以进行在线测量、定量测量，且操作简单，测量结果准确。

Description

油雾浓度测量仪

技术领域

本发明属于多相流离散相浓度测量技术领域，特别涉及一种油雾浓度测量仪。

背景技术

目前多相流离散相浓度的测量方法按原理可以分为直接法和间接法。直接法是通过敏感元件直接获取多相流离散相的浓度信息，使用的仪器主要有船舶主机曲拐箱油雾探测器、红外测油仪、粉尘监测仪、煤粉浓度传感器、气象卫星等；间接法是先使油雾中的微小颗粒吸附，再使用称重、荧光激发等方法进行二次分析，使用的设备包括滤膜、天平、分光光度计等。现有产品存在的四点不足：1.测量介质不同，此处的测量介质为以液体为离散相的气液两相流，油雾颗粒径为1～3μm，浓度范围3～12g/m³；2.无法进行在线监测；3.无法进行定量测量；4.操作复杂，设备昂贵。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种油雾浓度测量仪，该测量仪利用了平面偏振光的旋光特性，实现了油雾浓度测量。1811年，人们发现当偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，其振动面会发生旋转，后来在许多其它晶体如氯酸纳(NaCLO₃)和溴酸纳(NaBrO₃)以及某些液体，如松节油、糖的水溶液及酒石酸溶液中也发现了这种现象，具有这种现象的物质被称为旋光物质。通过实验发现当平面偏振光穿过润滑油雾时，其光波矢量的振动面也发生旋转，不同浓度油雾使光波矢量振动面旋转角度不同。根据这一现象利用光探测器检测通过检偏器的透射平面偏振光强度可以实现油雾浓度直接定量测量。依据马吕斯定律，接收端光强度变化满足

I——透射光强度；

I₀——入射光强度；

波长为λ的平面偏振光通过油雾后旋转角度

(如图1)可以表示为

式中，a——旋光率；

ρ——油雾浓度，g/m³；

l——油雾区间长度，m。

式(2)反映了平面偏振光的旋光现象，将式(2)带入式(1)得

$I\left(\mathrm{\ρ}\right)=I_0{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{al\ρ})$

本发明的油雾浓度测量仪包括光源发射器、起偏器、防护镜、雾室、检偏器和光源接收器，左端端盖螺母与前支架联接，光源发射器固定在前支架上，前支架与雾室前调节套筒联接，雾室前调节套筒和雾室后调节套筒用雾室调节螺栓副联接，雾室后调节套筒与后支架联接，雾室两侧设有油雾入口和出口，后防护镜和检偏器用镜片固定套固定在后支架上，光源接收器固定在后支架上，油雾出口快换接头与集油盒相连，油雾入口快换接头与油雾发生器相连，在装配时，一定要使光源发射器、起偏器、防护镜、雾室、检偏器和光源接收器的中心在同一光轴上，以保证整个设备的光路畅通，将系统装入封闭不透光外壳中，外壳采用金属加工，内外表面采取发黑处理。其中光源发射器(图5)采用直流+12V电压供电，采用集成稳压芯片LM2575，并在其反馈端接入一个电位器，使得光源的输出光强度可以调节，以满足不同浓度油雾的测量要求；雾室设计为圆筒型，内径30mm；防护镜安装在雾室两端，避免油雾颗粒污染起偏器和检偏器；检偏器设计为可360度旋转结构，用以调整油雾浓度测量装置的测量初始点；光源接收器(图6)由电源、光探测器、电压调理单元、输出显示四部分组成，电源为直流+12v，光探测器采用通用型硅光电池，作为光电转换元件，电压调理单元的作用是放大光探测器输出的直流电压，使其与下一级电路匹配；为避免杂散光对测量的影响，将系统装入封闭不透光外壳中，外壳采用金属加工，内外表面采取发黑处理。

光源发射器发出的平行光经过起偏器形成平面偏振光，平面偏振光在雾室内与微小的油雾颗粒作用，其振动面发生偏转，通过检偏器的透射光由光源接收器接收，光源接收器检测出不同油雾浓度情况下的平面偏振光光强变化，实现光/电转换，图2，输出直流电压，通过电压-浓度兑换表直接得出油雾浓度，电压-浓度兑换表如下：

在实验环境温度20℃，相对湿度65％的室内环境进行，实验时气源压力0.5MPa，气温、油温50℃，通过调节系统风量与耗油量使实验台产生不同浓度油雾，实验测得油雾浓度与实验装置输出电压之间的关系表。本发明的油雾浓度测量仪可以进行在线测量、定量测量，且操作简单，测量结果准确。

附图说明

图1平面偏振光穿过油雾示意图

图2为本发明的油雾浓度测量仪原理图；

图3为本发明的油雾浓度测量仪结构半剖示意图；

图4为本发明的油雾浓度测量仪结构左视图；

图5为本发明的油雾浓度测量仪的光源发射器电气原理图；

图6为本发明的油雾浓度测量仪的光源接收器电气原理图；

图7为本发明的油雾浓度测量仪的电压-浓度兑换表图；

图8为LM2575引脚示意图。

在图3中，1左端端盖螺母，2前支架，3雾室前调节套筒，4雾室后调节套筒，5雾室调节螺栓副，6第一O型橡胶圈，7紧定螺钉，8镜片固定套，9第二O型橡胶圈，10后支架，11右端端盖螺母，12光源发射器，13起偏器，14前防护镜，15后防护镜，16检偏器，17光源接收器，18油雾出口快换接头，19油雾入口快换接头，20雾室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。本实施例设立工况条件是在油雾润滑条件下，油雾颗粒径为1～3μm，浓度范围3～12g/m³条件下进行。

本发明由光源发射器、起偏器、防护镜、雾室、检偏器及光源接收器组成。其中光源发射器采用直流+12V电压供电，为使得到稳定的发光功率，采用了由美国国家半导体公司生产的新一代集成稳压芯片LM2575，其内部集成振荡器，并具有电流限制、热关断等完善的保护电路，所以只需少量的外围元件便可以构成高效的稳压电路，结构简单，抗干扰能力强，在多数情况下不需要单独散热。LM2575的引脚及功能，图8，其中

V_in：电压输入端；

Output：开关电压输出；

Ground：接地公共端；

Feedback：反馈输入端；

On/Off：控制输入端(接地时，电路正常工作)。

其主要性能参数

最大输出电流：1A；最大输入电压：45V；振荡频率：54kHz；最大稳压误差：4％；

工作温度范围：-40℃～+125℃。

从图5中可以看出，LM2575由2脚输出稳幅电压，保证红外发光管D1，D2，D3正常工作。在LM2575的反馈端接入一个电位器，使得光源的输出光强度可以调节，以满足不同浓度油雾的测量要求；雾室设计为圆筒型，内径30mm；防护镜采用普通UV镜片，安装在雾室两端，避免油雾颗粒污染起偏器和检偏器；起偏器和检偏器采用PLΦ55mm平面偏光片，双面0.7mm玻璃基板，总厚度1.7mm，单体透过率≥40％，偏光度≥97％(采用JIS-Z-8701标准)；检偏器设计为可360度旋转结构，用以调整油雾浓度测量装置的测量初始点；光源接收器由电源、光探测器、电压调理单元、输出显示四部分组成，电源为直流+12v，光探测器采用通用型硅光电池，作为光电转换元件，电压调理单元的作用是去掉接收信号中的噪声干扰，放大光探测器输出的微弱直流电压，使其与下一级电路匹配，图6；为避免杂散光对测量的影响，将系统装入封闭不透光外壳中，外壳采用金属加工，内外表面采取发黑处理。

本发明的具体连接关系是左端端盖螺母1与前支架2用螺纹联接，用于保护光源发射器12，光源发射器12用螺钉固定在前支架2上；前支架2与雾室前调节套筒3用螺纹联接，用于固定起偏器13、前防护镜14；雾室前调节套筒3和雾室后调节套筒4用雾室调节螺栓副5联接，可以调节雾室的长度，并用第一O型橡胶圈6进行密封；雾室后调节套筒5与后支架10用紧定螺钉7联接，后支架10采用可旋转结构，并用第二O型橡胶圈9进行密封；后防护镜15和检偏器16用镜片固定套8固定在后支架10上，光源接收器17用螺钉固定在后支架10上，右端端盖螺母11与后支架10用螺纹联接用于保护光源接收器17；油雾出口快换接头18与集油盒相连，油雾入口快换接头19与油雾发生器相连。见图3、4。

光源发射器发出的平行光经过起偏器形成平面偏振光，平面偏振光在雾室内与微小的油雾颗粒作用，其振动面发生偏转，通过检偏器的透射光由光源接收器接收，光源接收器检测出不同油雾浓度情况下的平面偏振光光强变化，实现光/电转换，输出直流电压，通过电压-浓度兑换表图7直接得出油雾浓度。本发明的油雾浓度测量仪操作步骤是：

1.检测仪入口用快换接头与油雾发生器联接，出口用快换接头与集油盒联接；

2.打开检测仪电源；

3.旋转电路支架，找到仪器零点；

4.接通油雾入口快换接头，并测量检测仪输出电压；

5.由电压-浓度兑换表图7查出油雾的浓度值。

Claims (5)

1、一种油雾浓度测量仪，其特征是它包括光源发射器、起偏器、防护镜、雾室、检偏器和光源接收器，左端端盖螺母与前支架联接，光源发射器固定在前支架上，前支架与雾室前调节套筒联接，雾室前调节套筒和雾室后调节套筒用雾室调节螺栓副联接，雾室后调节套筒与后支架联接，后防护镜和检偏器用镜片固定套固定在后支架上，光源接收器固定在后支架上，将系统装入封闭不透光外壳中，外壳采用金属加工，内外表面采取发黑处理。

2、根据权利要求1所述的油雾浓度测量仪，其特征在于所说的雾室为圆筒型，雾室的两侧设有油雾入口和出口；防护镜安装在雾室两端。

3、根据权利要求1所述的油雾浓度测量仪，其特征在于所说的后支架采用可旋转结构，检偏器为可360°旋转结构。

4、根据权利要求1所述的油雾浓度测量仪，其特征在于所说的雾室前调节套筒和雾室后调节套筒之间的连接、雾室后调节套筒与后支架的连接均采用密封圈密封。

5、根据权利要求1所述的油雾浓度测量仪，其特征在于所说的光源发射器、起偏器、防护镜、雾室、检偏器和光源接收器的中心在同一光轴上。

Images