CN104089928A - 一种基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，包括真空箱以及设置在真空箱内的测试管，测试管具有两个内光窗玻璃，真空箱具有两个外光窗玻璃，还包括光学测量系统，光学测量系统包括：激光发射器、扩束镜、准直透镜、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、幕布、以及摄像机。本发明通过激光干涉法获得低温流体面浓度分布，能准确地实时可视化监测低温流体的行为特性；通过设置四个光窗玻璃使得光线能够穿过低温流体，通过设置第二反射镜，能使光线在低温流体中传播两次，能够加强干涉效果；本装置的光学测量系统设置在真空箱外侧，真空箱的体积较小，且试验时能够随时对光学测量系统各部件进行调整，实验更方便。

Description

一种基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置

技术领域

本发明涉及低温流体流动实验装置，具体涉及一种基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置。

背景技术

低温液体(比如液氧、液氮等)是非常重要的商品，被广泛应用于钢铁工业、化学工业、食品工业以及航天军工等领域。目前对低温流体的研究，由于涉及到密封、绝热等关键问题，尚缺乏实时监测流体行为的有效方法。

非接触式的低温流体可视化监测装置对于研究低温流体流动状态、干扰影响以及传热传质过程有着重要意义。借助该实验装置，可以利用激光干涉法获得流体面浓度分布而对流体本身没有任何影响，从而准确地实时可视化监测其行为特性。对于低温流体实验装置，其绝热性能极其重要，而真空是唯一满足绝热要求的方法。该装置不仅要选择合适的耐低温透明材料与装置主体良好密封，还得达到定量监测流体行为的目的，这些都给设计带来挑战。尤其是透明有机玻璃与流道主体金属材料热膨胀系数相差较大，在同时接触低温流体时，收缩不同可能使密封性能变差；而当有机玻璃内表面与流道不能持平时，可能造成湍流混淆测量结果。目前对于低温流体的浓度测量,多采用取样法,不仅会对流体本身产生一定的干扰,而且无法获取大范围的面信息。因此，需要一种适用于低温环境、能够保证绝热性能且对流体本身没有影响的可视化监测装置。

现有的技术中，已有针对低温流体的可视化实验装置。申请公布号为CN102333186A的专利文献公开了一种耐高低温的摄像监视装置，包括：外筒、波纹管内筒、外视镜法兰、内视镜法兰、固定端盖焊接法兰、第一真空双层玻璃视镜、电加热丝、LED照明灯、摄像头、进气管、回气管、真空管、环形散流圈、气密性航空接插件、第一KF接头、第二KF接头、第三KF接头、绝热支撑，第一无氧铜密封圈、第二无氧铜密封圈、第三无氧铜密封圈、螺栓和第二真空双层玻璃视镜，外筒与内筒之间采用真空多层绝热的保温措施，当外部环境工况为高温工况时采用氮气冷却，当外部环境工况为低温工况时采用主动加热补偿，实现在高低温环境下摄像监视及照明设备正常工作。但是该装置仅适合于观察静态的低温介质，并不能满足观察低温流体流态变化的要求。

申请公布号为CN103728193A的专利文献公开了一种可视化小型流体汽蚀测试装置，包括可视化测试单元以及向该可视化测试单元提供测试介质的供液单元；所述可视化测试单元包括：真空箱；位于真空箱内的汽蚀部件；位于真空箱内用于采集汽蚀部件实时图像的摄像机；位于真空箱内用于采集测试介质流量的流量计。所述供液单元包括：测试介质储罐；压力源；连通在测试介质储罐和压力源之间的导气管；连通在测试介质储罐和汽蚀部件之间的输液管。该专利文献绝热效果好，性能稳定，可供实验人员在普通实验室使用。但是该专利文献公开的装置，摄像机设置在真空箱的内部，导致整个真空箱体积较大，且在实验时，摄像机在真空箱内，不能很好的对摄像机的位置姿势等进行调节。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置。解决了现有技术不能满足观察低温流体流态变化的问题，以及摄像机设置在真空箱内导致真空箱体积较大，且试验时不能对摄像机的位置、姿势等进行调节的问题。

本发明采取的技术方案如下：

一种基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，包括真空箱以及布置在真空箱内用于通过低温流体的测试管，所述测试管具有两个用于观察测试管内部低温流体的内光窗玻璃，两个内光窗玻璃关于测试管轴线对称布置，所述真空箱与两个内光窗玻璃对应位置处分别设有一观察口，各观察口上均安装有外光窗玻璃，所述装置还包括设置在真空箱外侧的光学测量系统，所述光学测量系统包括：

激光发射器，用于发射激光；

扩束镜，用于将来自激光发射器的激光变为扩束光；

准直透镜，用于将扩束镜出来的扩束光变为平行光；

分光镜，用于将所述平行光分为第一光线和第二光线；

第一反射镜；用于接收第一光线，形成第一反射光线；

第二反射镜；与分光镜分处在真空箱两侧，用于接收贯穿各内、外光窗玻璃后的第二光线，形成第二反射光线，该第二反射光线与所述第一反射光线在分光镜处形成干涉光；

幕布，用于接收所述干涉光；

摄像机，用于拍摄所述干涉光在幕布上的成像。

本发明所述的低温流体没有具体温度限制，既可以理解为普通低温流体，也可以理解为深低温流体，即温度非常低的液体，如液氮、液氧、液氦等。

本装置通过激光干涉法获得低温流体面浓度分布，对低温流体本身没有任何影响，没有产生扰动，从而准确地实时可视化监测低温流体的行为特性；通过设置四个光窗玻璃使得光线能够穿过低温流体，且通过设置第二反射镜，能使光线在低温流体中传播两次，能够加强干涉效果；本装置的光学测量系统设置在真空箱外侧，真空箱的体积较小，且试验时能够随时对光学测量系统各部件进行调整，实验更方便。

作为优选，所述激光发射器为氦氖激光器。

作为优选，所述摄像机为CCD高速摄像仪。

所述真空箱包括真空罩以及与真空罩固定的密封盘，所述测试管包括相互连通的集液段和测试段，且集液段一端穿出所述密封盘，所述内光窗玻璃设置在测试段上，所述测试段上远离集液整流段的一端具有分别穿出所述密封盘的回液管和出气管。

低温流体通过集液段流入测试段，在测试段气化后的气体通过出气管排至真空箱外侧，低温流体通过回液管流出至真空箱外，本装置能够观察低温流体流态变化。

作为优选，所述集液段包括：

进液管，固定在密封盘上，一端为进液口，另一端伸入真空罩；

流量计，设置在真空罩内，与所述进液管连接；

扩流管，一端与流量计连通，另一端与测试段连通。

作为优选，所述扩流管内填有导流丝网。

通过流量计测量低温流体的流量，通过导流丝网对流入测试段的低温流体进行导流和整流。

作为优选，所述测试段包括通过法兰与扩流管连接的管体，所述内光窗玻璃设置在管体上，所述管体上设有温度传感器。

通过温度传感器能够测得管体内低温流体的实时温度。

作为优选，所述出气管与管体连通，管体远离扩流管的一端具有整流管，整流管与所述回液管连通。

作为优选，所述整流管固定有环氧导向套，所述真空罩的内壁具有与所述环氧导向套配合的导向孔。

环氧导向套的导热系数低，通过环氧导向套和导向孔的配合能够对测试管进行支撑，保证真空罩内各部件的稳定性。

为了防止内光窗玻璃对管体内低温流体造成湍流，混淆测量结果，作为优选，所述内光窗玻璃靠近低温流体的一侧与所述管体的内表面平齐。

本发明的有益效果是：本装置通过激光干涉法获得低温流体面浓度分布，对低温流体本身没有任何影响，能实现定量测量，能观察动态的低温流体，并能精确获得低温流体的面浓度分布，从而准确地实时可视化监测低温流体的行为特性；通过设置四个光窗玻璃使得光线能够穿过低温流体，通过设置第二反射镜，能使光线在低温流体中传播两次，能够加强干涉效果；本装置的光学测量系统设置在真空箱外侧，真空箱的体积较小，且试验时能够随时对光学测量系统各部件进行调整，实验更方便；内光窗玻璃靠近低温流体的一侧与所述管体的内表面平齐，能够防止内光窗玻璃对管体内低温流体造成湍流，混淆测量结果。

附图说明：

图1是本发明基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置除去真空罩后的结构示意图；

图2是真空罩的主视图；

图3是真空罩右视图；

图4是真空罩的俯视图；

图5是内光窗玻璃的主视图；

图6是图5的A-A剖面图；

图7是光学测量系统结构示意图。

图中各附图标记为：

1.密封盘，2.密封接头，3.装置扶手，4.进液管，5.出液口，6.出气口，7.备用压力传感器接管，8.安全阀，9.压力表，11.出气管，12.回液管，13.环氧导向套，14.整流管，15.管体，16.温度传感器，17.内光窗玻璃，18.内光窗玻璃压块法兰，19.扩流管，20.流量计，21.真空罩，22.支架，23.外光窗玻璃，24.外光窗玻璃压块法兰，25.凸柱，26.KF40管接头，27.观察口，37.激光发射器，38.扩束镜，39.准直透镜，40.摄像机，41.幕布，42.第二反射镜，43.分光镜，44.第一反射镜。

具体实施方式：

下面结合各附图，对本发明基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置做详细描述。

如图1～6所示，一种基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，包括由密封盘1和真空罩21构成的真空箱。

如图1所示，密封盘上还设有密封接头2，装置扶手3。如图2、3、4真空罩21的侧壁还设有支架22和KF40管接头26。

真空罩21内具有一测试管，该测试管包括集液段和测试段，测试段的末端还具有分别穿出密封盘的回液管12和出气管11，其中，回液管12穿出密封盘的一端具有出液口5，出气管11穿出密封盘的一端具有出气口6，出气口与密封盘之间管路中还设有备用压力传感器接管7，安全阀8，以及压力表9。

集液段包括：

进液管4，固定在密封盘上，一端为进液口，另一端伸入真空罩；

流量计20，设置在真空罩内，与进液管4连接；

扩流管19，一端与流量计连通，另一端与测试段连通，扩流管内填有导流丝网。

测试段包括通过法兰与扩流管连接的管体15。

管体15设有温度传感器16以及两个用于观察测试管内部低温流体的内光窗玻璃17，两个内光窗玻璃关于管体的轴线对称布置，内光窗玻璃17通过内光窗玻璃压块法兰18固定在管体上，且内光窗玻璃靠近低温流体的一侧与管体的内表面平齐。

出气管11与管体的上壁面连通，管体远离扩流管的一端具有整流管14，整流管与回液管12连通。整流管14固定有环氧导向套13，相应的真空罩的内壁具有一凸柱25，凸柱25上设有与环氧导向套配合的导向孔。

真空罩与两个内光窗玻璃对应位置处分别设有一观察口27，各观察口上均通过外光窗玻璃压块法兰24固定有外光窗玻璃23。

通过四个光窗玻璃的设计使得光线能够穿过低温流体。

如图7所示，本发明的装置还包括设置在真空箱外侧的光学测量系统，光学测量系统包括：

激光发射器37，用于发射激光，本实施例为氦氖激光器；

扩束镜38，用于将来自激光发射器的激光变为扩束光；

准直透镜39，用于将扩束镜出来的扩束光变为平行光，平行光垂直与各光窗玻璃；

分光镜43，用于将平行光分为第一光线和第二光线，分光镜正对其中一个外光窗玻璃，且分光镜与平行光成45°布置，第一光线垂直于平行光，第二光线与平行光平行且射向各光窗玻璃；

第一反射镜44；用于接收第一光线，形成第一反射光线，第一光线与第一反射光线平行；

第二反射镜42；与分光镜分处在真空箱两侧，用于接收贯穿各内、外光窗玻璃后的第二光线，形成第二反射光线，第二光线与第二反射光线平行，该第二反射光线与第一反射光线在分光镜处形成干涉光；

幕布41，用于接收干涉光；

摄像机40，用于拍摄干涉光在幕布上的成像，本实施例为摄像机为CCD高速摄像仪。

本发明通过激光干涉法获得低温流体面浓度分布，对低温流体本身没有任何影响，能实现定量测量，能观察动态的低温流体，并能精确获得低温流体的面浓度分布，从而准确地实时可视化监测低温流体的行为特性；通过设置四个光窗玻璃使得光线能够穿过低温流体，通过设置第二反射镜，能使光线在低温流体中传播两次，能够加强干涉效果；本装置的光学测量系统设置在真空箱外侧，真空箱的体积较小，且试验时能够随时对光学测量系统各部件进行调整，实验更方便；内光窗玻璃靠近低温流体的一侧与所述管体的内表面平齐，能够防止内光窗玻璃对管体内低温流体造成湍流，混淆测量结果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，包括真空箱以及布置在真空箱内用于通过低温流体的测试管，其特征在于，所述测试管具有两个用于观察测试管内部低温流体的内光窗玻璃，两个内光窗玻璃关于测试管轴线对称布置，所述真空箱与两个内光窗玻璃对应位置处分别设有一观察口，各观察口上均安装有外光窗玻璃，所述装置还包括设置在真空箱外侧的光学测量系统，所述光学测量系统包括：

激光发射器，用于发射激光；

扩束镜，用于将来自激光发射器的激光变为扩束光；

准直透镜，用于将扩束镜出来的扩束光变为平行光；

分光镜，用于将所述平行光分为第一光线和第二光线；

第一反射镜；用于接收第一光线，形成第一反射光线；

第二反射镜；与分光镜分处在真空箱两侧，用于接收贯穿各内、外光窗玻璃后的第二光线，形成第二反射光线，该第二反射光线与所述第一反射光线在分光镜处形成干涉光；

幕布，用于接收所述干涉光；

摄像机，用于拍摄所述干涉光在幕布上的成像。

2.如权利要求1所述的基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，其特征在于，所述激光发射器为氦氖激光器。

3.如权利要求1所述的基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，其特征在于，所述摄像机为CCD高速摄像仪。

4.如权利要求1所述的基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，其特征在于，所述真空箱包括真空罩以及与真空罩固定的密封盘，所述测试管包括相互连通的集液段和测试段，且集液段一端穿出所述密封盘，所述内光窗玻璃设置在测试段上，所述测试段上远离集液整流段的一端具有分别穿出所述密封盘的回液管和出气管。

5.如权利要求4所述的基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，其特征在于，所述集液段包括：

进液管，固定在密封盘上，一端为进液口，另一端伸入真空罩；

流量计，设置在真空罩内，与所述进液管连接；

扩流管，一端与流量计连通，另一端与测试段连通。

6.如权利要求5所述的基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，其特征在于，所述扩流管内填有导流丝网。

7.如权利要求5所述的基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，其特征在于，所述测试段包括通过法兰与扩流管连接的管体，所述内光窗玻璃设置在管体上，所述管体上设有温度传感器。

8.如权利要求7所述的基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，其特征在于，所述出气管与管体连通，管体远离扩流管的一端具有整流管，整流管与所述回液管连通。

9.如权利要求8所述的基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，其特征在于，所述整流管固定有环氧导向套，所述真空罩的内壁具有与所述环氧导向套配合的导向孔。

10.如权利要求7所述的基于激光干涉法的低温流体可视化监测装置，其特征在于，所述内光窗玻璃靠近低温流体的一侧与所述管体的内表面平齐。