CN103185808A

CN103185808A - 一种基于光电技术的气泡测速系统

Info

Publication number: CN103185808A
Application number: CN2012100984020A
Authority: CN
Inventors: 胡万鹏; 谢亚杰; 王斌
Original assignee: Jiaxing University
Current assignee: Jiaxing University
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-07-03

Abstract

本发明公开了一种基于光电技术的气液两相流的气泡速度测量系统，它适用于研究微通道内的传热、传质以及化学反应过程中两相流的行为。这个系统包括进气管、进液管、储液缓冲器、微通道、激光二极管、稳恒直流电源、光电转换接收器、放大电路、USB数据采集器和计算机。本发明利用光电转换接收器感应由激光二极管发出的光信号，将光信号转换为电压信号，经放大电路放大后，通过数据采集器转变为数字信号输入到计算机。根据信号的时间坐标，计算出同一个气泡经历特定距离的速度。

Description

一种基于光电技术的气泡测速系统

技术领域

本发明属化学工程领域，涉及一种基于光电技术的气液两相流的气泡速度测量系统。

背景技术

气液两相流广泛存在于动力设备、核反应堆、石油化工、废热利用、节能装置、制冷等领域中。微尺度下受限空间内的气液两相流和沸腾传热广泛应用于高密热流器件的冷却，例微型换热器成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的“热障”问题。此外，高能X射线诊断设备，航天系统的高热流换热器和卫星的冷却系统都需要气液两相流微换热器。此外，气液两相流和气-液-固三相流在化工过程中也较为常见，而它们的流型强烈影响到反应器的质量传递和热量传递性能，最终影响反应体系的选择性和收率。

研究微通道内气液两相流的离不开对气泡行为的研究。前人的研究发现，微通道内的气液两相流可以形成泡状流(Bubbly flow)、弹状流(Slug flow)、搅拌流(Chum flow)、环状流(Annular flow)。研究毛细管或毫米级通道内的气液两相流是最近二十年来的热点，研究发现无论是垂直放置还是水平放置的管道，弹状流(Taylor flow)的传质效果最佳，由弹状流衍生的二次环流强化了径向传质。在研究弹状流的过程中，需要测定气泡和液弹的速度，这对判定弹状流发生的条件极为重要。

Bercic和Pintar于1997提出了估算单一微通道内液侧传质系数k_La的经验方程式：

k_{L} a = 0.111 \frac{{(U_{G} + U_{L})}^{119}}{{L_{Slug}}^{057}}

其中U_G、U_L为表观气速和液速，ε_G持气量，L_UC单元长度(气弹+液弹总长度)，L_Slug为液弹长度。

由此可见，测得气泡流中液弹的长度，能够利用上述公式估算该微通道的传质性能。

气液两相流的测量方法是，可见光染色法、光纤探针法、电导探针法。可见光染色法由于在工作液体中添加了染色剂，使流体的物理性质例如表面张力发生了一定程度的变化，造成测量结果的偏差。光纤探针法和电导探针法都是将探针安装在液体流经的通道中，导致探针附近微通道表面性质的改变，这将影响气泡的移动过程，最终将影响测量的准确性。因此，开发一种经济、便捷，又不影响流体物性及气泡运动的测速方法显得尤为重要。非接触式的光电测量法是一种很好的选择。

根据实际情况，本发明采取光电测量方法测算气泡流速和液弹长度。

根据气泡在某一个时间段的位移，算出气泡速度。已经采用的方法是，在低速阶段，用在气泡通道旁边平行设置的标尺记录气泡的起止位置，用秒表计算气泡移动的时间，计算出气泡速度。但是，实验发现，气泡流速度高于1.0m/s时，目视观测已经难以保证准确度和精度。如果使用普通的数字相机拍照测量，由于高速流过的气泡在CCD感光元件上形成拖影，而造成拍摄的照片丧失研究价值。于是采用高速摄影，方法、原理同上，只不过从每秒钟达数千张的照片中获得气泡的位移信息计算出气泡流速，相对精确。但是，高速摄影设备价格昂贵，调试过程繁琐，不适用于普通的研究者或研究机构。

本发明基于光电技术，把高速流过的气泡或液弹转变成为电信号，再经过USB数据采集器把气泡流动的模拟信号转变为可供计算机识别记录的数字信号，进行采集、分析和存储。

发明内容

基于光电技术的气液两相流的气泡速度测量系统，它包括进气管(1)、进液管(2)、储液缓冲器(3)、微通道(4)、激光二极管(5)、稳恒直流电源(6)、光电转换接收器(7)、放大电路(8)、USB数据采集器(9)和计算机(10)。

发射管发出的激光投射到气泡的必经通道上，由于气体和液体对光的吸收率不同，从而造成当气泡通过光点和液弹通过光点时光点转换接收器产生强弱不同的两种信号，光敏电阻会造成阻值大小变化，光电池和光电管会产生不同的电流和电压信号，由此可以检测到气泡流经的信号。电信号经过USB数据采集器转换为数字信号存储在计算机内，便于离线分析。

本系统测定气泡流速的方法是，将两组激光发射管分别设置在两相流通道的A、B两处，气泡通道的另一侧对应放置光电转换接收器。AB之间的长度准确测量，测得同一个气泡经历AB间距离所需的时间Δt，即可计算出气泡的流动速度u_b：

u_{b} = \frac{L_{AB}}{Δt}

应用上述测量装置，同一个气泡或液弹产生的波形信号是相同的，为了排除其他气泡的干扰，AB间距离可以视气泡的长短而随时随地调节。由于计算机软件采样可达每秒钟1000次甚至更高，由此可以测算同一个气泡产生的两个几乎相同的波形的时间，这个时间也是这个气泡流经A、B两观测点的时间，即Δt(秒)。由于使用计算机采集气泡流动的波形数据，Δt可以方便地从波形图的横坐标中读出，精确到毫秒。

有益效果

本发明基于光电技术的气泡测速系统，制作方法简单，元件材料易得。回避了高速摄影法设备昂贵，照片处理手段复杂的困难，普通数字相机拍摄高速运动的气泡，照片存在拖影的问题。由于本发明是非接触式测量，避免了染色法、探针法可能引起液面张力变化的问题。

附图说明

附图是基于光电技术的气液两相流的气泡速度测量系统示意图。

具体实施方式

如附图所示，基于光电技术的气液两相流的气泡速度测量系统，它包括进气管(1)、进液管(2)、储液缓冲器(3)、微通道(4)、激光二极管(5)、稳恒直流电源(6)、光电转换接收器(7)、放大电路(8)、USB数据采集器(9)和计算机(10)。实验气体经过进气管与来自储液缓冲器的实验液体接触，在微通道内形成气液两相流，透明微通道两侧分别设有激光二极管和光电转换接收器，激光二极管采用稳恒直流电源供电，光电转换接收器依次与放大电路、USB数据采集器和计算机相接。

测试过程中，气体来自于质量流量计经过进气管进入微通道的气体狭缝，液体经过计量泵流入液相狭缝，气液两相接触后形成气液两相流。当液相成为连续相，而气体是分散相时，此时为气泡流，当气泡成长度大于通道直径时，弹状气泡流(即Taylor flow)具有较高的传质性能。

由于表观气速和液速可以从流量计和计量泵读出，由此可见，测得气泡流中液弹的长度，能够估算该微通道的传质性能。

实验发现，气泡流速度高于1.0m/s时，目视观测已经难以保证准确度和精度。根据实际情况，本发明采取光电测量方法测算气泡流速和液弹长度。

激光二极管由直流稳恒电源供电。两组光电检测装置分别布置在微通道上，激光二极管和光电转换器被布置在微通道的两侧的对应位置，激光二极管的发出的光能够投射到光电转换器的感光面，以便将光信号转换为电压信号输出。光电转换器与放大电路相连，将采集的微弱电压信号放大后输出到数据采集器，从而减小背景信号对有效信号的干扰。

当气泡流通过激光二极管和光电转换器之间的，由于环绕气泡的液膜厚度小于液弹的厚度，造成两者对光信号的吸收强度不同，结果引起光电转换器接收到的信号强度也相应不同，造成转换输出电压信号出现差异，通过信号放大，数据采集器的模-数转换，变成波形图，通过计算机对采集到的波形信号进行分析，气泡和液弹分别被波形图表示为“峰”和“谷”，测量两“峰”或两“谷”之间的时间长度，可以计算出气泡的速度。

在使用本测量系统时，需注意两激光发射管位置的选择，保证两者之间的距离是一个气泡的长度。如果距离大于两个气泡的长度会造成误判，认为是一个气泡的长度，导致测量结果丧失使用价值。另外，如果光电转换器输出的电压信号波动不明显，造成对电压波形信号分析研判的困难，影响测量精度。这时，可以采取的办法是调试放大电路，使信号加强，也可以通过软件设置采样电压信号的范围，适当滤除背景干扰信号。

Claims

1.一种基于光电技术的气泡测速系统，其特征在于，它包括进气管(1)、进液管(2)、储液缓冲器(3)、微通道(4)、激光二极管(5)、稳恒直流电源(6)、光电转换接收器(7)、放大电路(8)、USB数据采集器(9)和计算机(10)。实验气体经过进气管与来自储液缓冲器的实验液体接触，在微通道内形成气液两相流，透明微通道两侧分别设有激光二极管和光电转换接收器，激光二极管采用稳恒直流电源供电，光电转换接收器依次与放大电路、USB数据采集器和计算机相接。

2.根据权利要求1所述的气泡测速系统，其特征在于，采用的光电转换接收器可以是光敏电阻，光电池，也可以是光敏二极管。

3.根据权利要求1所述的气泡测速系统，其特征在于，采用的稳恒直流电源具有很好的滤波性能，特别是减小50Hz的背景干扰的影响，提高对气泡的电压波形分析的正确性，进而保证气泡测速结果的准确性。

4.根据权利要求1所述的气泡测速系统，其特征在于，采用的USB数据采集器为多通道采集器，可以实时采集两路以上的数据。根据测量精度需要，可以通过软件设置采集频率。

5.根据权利要求1所述的气泡测速系统，其特征在于，测速采用的工作液体可以是水、乙醇水溶液或者是其他具有光吸收响应的物质的液体或溶液。

6.根据权利要求1所述的气泡测速系统，其特征在于，本发明适用于水平放置、竖直放置以及任意倾斜角度的透明管道中的气泡流。

7.根据权利要求1所述的气泡测速系统，其特征在于，微通道的截面可以是圆形、矩形、三角形。