CN105548607B - 一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头，包括光纤成像单元、热膜测速单元和光源传输单元，其中，所述光纤成像单元包括内窥镜物镜、反光罩、玻璃平片和石英光纤；所述热膜测速单元包括热膜传感器和微电路，所述热膜传感器设置于所述玻璃平片外围；所述微电路设置于预留管道中；所述光源传输单元包括激光出光口和玻璃光纤，其中，所述激光出光口布置在探头头端部的玻璃平片的外围；所述玻璃光纤均匀布置于所述不锈钢管外侧的壁面。本发明的探头集光纤成像、热膜测速和光源传输三大主要部分于一体，能够同时测量气固两相流中气体速度和颗粒速度大小，利用气体速度和颗粒速度差值得到颗粒滑移速度。

Description

一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头及测量方法
技术领域
本发明属于材料加工领域，具体涉及一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头及测量方法。
背景技术
流态化是一个适用于大规模生产的高效气固、液固或气液固三相操作过程，它的应用范围十分广泛，在化工、石化、冶金、能源、材料、生化、环保、制药等领域中，均有流态化的应用。与传统的反应器设备相比，流化床具有生产能力大、传热传质效率高、床温易控制、易于床料的加入和卸除，以流化床方式的焚烧技术则是开发时间相对较短、焚烧特性佳、仍在发展之中的先进焚烧技术。为了研究气固两相流动内部流场的情况，研究者通过对流场的实验测量和数值模拟等方法来了解流化床内的流动情况，取得了一些关于流场的相关数据，这为研究气固两相流动内部流场运动特性，调控流化床参数，指导流化床设计等都用非常重要的实际意义。
目前尽管通过实验测量和数值模拟的方法得到了一些流场内流动参数，但在应用过程中仍存在一些问题：(1)通过数值模拟得到的流场运动情况中，虽然得到了大致流场运动特征，但还是无法很好地与实际气固两相内流场匹配，模型没有很好的普适性，只能对特定流场和特定操作条件下进行模拟预测；(2)目前通过实验方法对流化床进行测量的方法比较多，但是也有很多弊端，对于稠密气固两相流中气体速度和颗粒速度的测量方法比较匮乏；(3)滑移速度对研究气固两相流动内介尺度非均匀结构具有非常重要的价值，目前测量气固两相特性参数的方法一般是分别测量气相和固相的特性参数，还没有同时对气固两相特性参数进行测量的实验装置。目前还没有能够测量气固两相流动颗粒滑移速度的设备，大大影响了对气固两相流动内，特别是稠密相区域颗粒非均匀结构的实验研究；目前的光纤探头在流场内部无法拍摄得到清晰的图像。
发明内容
发明目的：针对当前气固两相流动中，特别是稠密相区域颗粒滑移速度测量中所存在的问题，本发明提供一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头及测量方法，能够同时测量某一局部区域气体速度和颗粒速度，利用气体速度和颗粒速度差值得到颗粒滑移速度。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明提出了一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头，包括光纤成像单元、热膜测速单元和光源传输单元，其中，
所述光纤成像单元包括内窥镜物镜、反光罩、玻璃平片和石英光纤，所述内窥镜物镜布置于探头头端部的中间，所述探头头端部位于整个探头的前端，所述反光罩安装于所述内窥镜物镜的前端，所述反光罩的前端用所述玻璃平片封口；所述石英光纤与所述内窥镜物镜的后端相连；所述内窥镜物镜和石英光纤的外侧套设有内不锈钢管；在内不锈钢管的外侧包围有像束外包层；
所述热膜测速单元包括热膜传感器和微电路，所述热膜传感器设置于所述玻璃平片外围；所述微电路设置于预留管道中，所述预留管道设置于探头内侧并布置于所述内不锈钢管外侧，优选地，所述预留管道选用橡胶材料制成；
所述光源传输单元包括激光出光口和玻璃光纤，其中，所述激光出光口布置在探头头端部的玻璃平片的外围；所述玻璃光纤均匀布置于所述内不锈钢管外侧的壁面；所述玻璃光纤和石英光纤构成探头的光纤传输段，所述光纤传输段由主软管包裹，所述探头头端部与所述光纤传输段通过端部接圈连接。
具体地，所述的内窥镜物镜主要由依次设置的前片、隔圈、孔径光阑、中片、后片构成，依次固定于物镜座中，物镜座外侧套有物镜壳，内窥镜物镜的直径d为8～10mm，反光罩高为0.8～1d，口径小的一段与内窥镜物镜连接，口径大的一侧由玻璃平片覆盖封口。
所述的热膜传感器由热膜、衬底、绝缘层和导线构成，所述的热膜传感器焊接在在探头头端部前端的玻璃平片外围1/4环形区域，环宽为0.25d，热膜宽度为0.5d；所述热膜是由喷溅在衬底上面的金属铂形成的，厚度约为1000-10000埃，工作电阻为20欧姆，所述衬底材料为石英；所述绝缘层设置于衬底下面。
优选地，探头头端部长度约为3～5cm左右。
所述玻璃光纤均匀布置在不锈钢管外侧的壁面，厚度约0.25d，采用固定胶牢牢固定，探头头端部的玻璃光纤外侧再套上外不锈钢管包裹。
所述的激光光源出光口布置在探头头端部前端平片外围3/4环形区域，与热膜传感器围成一个环形，9个直径为0.25d的出光口等距分布，激光发生器发出的激光通过玻璃光纤利用光的全反射特性从外侧将激光传输到探头头端部前端的激光光源出光口。
本发明进一步提出了上述测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头的测量方法，包括如下步骤：
(1)利用玻璃光纤将外侧激光发生器产生的激光传导到探头头端部的激光出光口对拍摄区域进行照明，将探头头端部伸入流化床内部，内窥镜物镜得到在玻璃平片外侧的颗粒运动图像通过石英光纤传输到内窥镜目镜端，与具有C型卡口的高速工业摄像机连接进行拍摄，保存至与高速工业摄像机相连的具有图像处理卡的计算机中，通过图像处理技术对颗粒运动图像处理，用互相关算法得到颗粒速度；
(2)热模传感器通过布置在预留管道中的电路导线进行通电加热，当气体流速变化时，热膜的温度相应变化，这种变化导致热膜阻值的变化产生电信号，利用电信号与流速之间建立对应关系，测得电信号就可得到所拍摄区域流速大小；
(3)利用所得到拍摄区域的颗粒速度和气体流速的差值，即是该拍摄区域颗粒滑移速度值，对流场不同区域测量统计，得到流场内颗粒滑移速度分布规律。
本发明的装置通过采用将光纤内窥镜物镜前端加装高度为1d左右的反光罩，并且在反光罩前端用玻璃平片封口，使物镜前端具有一定成像距离，保证所拍摄到的颗粒图像清晰，利用玻璃光纤将外部激光发生器产出的激光导入探头前端激光出光口来为拍摄提供光源的方法，充分满足光源要求，发挥高速工业相机拍摄速度快的优势；另外一方面，将环形热膜传感器焊接在探头头端部平片外围，在拍摄颗粒运动图像的同时，也可以得到该区域的气体速度大小，实现了流化床内气体速度和颗粒速度同时测量的要求，解决了滑移速度测量困难的问题，同时为研究气固两相流动中介尺度非均匀结构提供具有实际参考价值的数据。另外，通过玻璃光纤将外部激光发生器产生的激光导入探头前端的激光出光口，激光照射区域为一环形区域，因而拍摄得到的颗粒运动图像为一环形，减少了颗粒在图像中的数量，减轻计算负担，并且环形区域有利于颗粒识别。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下特色及优点：
(1)激光光源出光口布置于探头头端部前端环形区域，解决了稠密相区域拍摄光源强度不足的问题，满足拍摄所需光源，并且环形照射有利于颗粒判读识别；
(2)在内窥镜物镜前端加装反光罩并用玻璃平片覆盖，使物镜所得到的是平片外侧颗粒运动图像，保证颗粒成像清晰；
(3)探头前端布置环形热膜传感器，能够测量拍摄区域气体速度大小，且环形热膜具有不易磨损的特点，在稠密相区域工作稳定性好；
(4)本发明的探头集光纤成像、热膜测速和光源传输三大主要部分于一体，能够同时测量气固两相流中气体速度和颗粒速度大小，利用气体速度和颗粒速度差值得到颗粒滑移速度。
附图说明
图1A～图1B是本发明的一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头头端部结构示意图：1A：一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头剖面结构示意图；1B：一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头主视图。其中有内窥镜物镜1，热膜传感器2，激光出光口3，玻璃平片4，反光罩5，预留管道6，探头头端部7，物镜前片8，隔圈9，孔径光阑10，物镜中片11，物镜座12，物镜后片13，物镜壳14，石英光纤15，端部接圈16，主软管17，玻璃光纤18；；
图2A～2D是本发明探头结构示意图，其中，2A：探头剖面示意图；2B：探头前段结构示意图；2C：探头中段结构示意图；2D：探头末段结构示意图，其中有尼龙钢丝管19，塑料管20，物镜透镜21，内不锈钢管22，外不锈钢管23，固化胶层24，像束外包层25。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点描述得更加清楚，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
本实施例提供了一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头，由三部分组成，分别是光纤成像单元、热膜测速单元和光源传输单元。
其中，光纤成像单元包括内窥镜物镜1、反光罩5、玻璃平片4和石英光纤15，内窥镜物镜布置于探头头端部的中间，整个探头头端部长3cm左右，反光罩5安装于内窥镜物镜1的前端，反光罩5的前端用玻璃平片4封口；石英光纤15与内窥镜物镜1的后端相连。
如图2A～2D所示的探头结构示意图，探头前端的物镜透镜21通过石英像束15将物镜透过平片前的图像传输到外侧内窥镜目镜处，与具有C型卡口的高速工业摄像机进行拍摄并保存至与相机连接的具有图像处理卡的计算机中，物镜透镜21和石英像束15外侧由不锈钢管22紧紧包裹，再由像束外包层25包围，在不锈钢管22的外侧布置玻璃光纤18将外激光光源导入到流场内部进行照射，通过固化胶层24将玻璃光纤18固定，探头前端3cm长度用不锈钢管包裹，其余部分用尼龙钢丝管19包裹，探头后端由塑料管20包围。图2B是探头前段局部示意图，图2C是探头中段示意图，图2C是探头后段结构示意图，内窥镜物镜1主要由依次设置的前片、隔圈、孔径光阑、中片、后片构成(图未示)，并依次固定于物镜座中，物镜座外侧套有物镜壳，内窥镜物镜的直径d为8mm，反光罩5高为1d，口径小的一段与内窥镜物镜1连接，口径大的一侧由玻璃平片4覆盖封口，平片材料为普通玻璃。内窥镜物镜1所得到的是平片外侧壁面附近的颗粒运动图像，能够解决现有探头成像模糊的问题，保证所拍摄的颗粒图像清晰。
热膜测速单元包括热膜传感器和微电路，热膜传感器设置于所述玻璃平片外围；所述微电路设置于预留管道6中，所述预留管道设置于探头头端部的内侧。热膜传感器2由热膜、衬底、绝缘层和电路导线几部分构成，焊接在在探头头端部7前端玻璃平片4外围1/4环形区域，环宽为0.25d，热膜宽度为0.5d，导线布置在预留管道6内。热膜是由金属铂喷溅在衬底上面而形成的，厚度约为1000-10000埃，工作电阻为20欧姆，衬底材料为石英。热模传感器2通过布置在预留管道6中的电路导线进行通电加热，当流速变化时，热膜的温度相应变化，这种变化导致热膜阻值的变化产生电信号，利用电信号与流速之间建立对应关系，测得电信号就可得到所拍摄区域流速大小。通过介入式测量气固两相流中气体速度对热膜耐磨损要求较高，选用环形热膜布置能够减小流场内颗粒对热膜的磨损。
光源传输单元包括激光出光口和玻璃光纤，其中，激光光源出光口3布置在探头头端部7前端的玻璃平片4外围另外余下的3/4环形区域，9个直径为0.25d的出光口等距分布，激光发生器发出的激光通过玻璃光纤18利用光的全反射特性从外侧将激光传输到传感器前端出光口3，玻璃光纤18均匀布置在不锈钢管外侧壁面，厚度约0.25d，采用固定胶牢牢固定，头端部的玻璃光纤外侧再套上不锈钢管包裹。玻璃光纤18将外部激光发生器产生的激光导入探头前端激光出光口3，激光照射区域为一环形区域，因而拍摄得到的颗粒运动图像为一环形，减少了颗粒在图像中的数量，减轻计算负担，并且环形区域有利于颗粒识别。玻璃光纤和石英光纤构成探头的光纤传输段，整个光纤传输段由主软管17包裹，探头头端部与光纤传输段通过端部接圈16连接。
下面将详细描述本实施例中测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头及测量方法的工作过程：
激光发生器产生的激光经玻璃光纤18传输到探头头端部前端所布置的环形激光出光口，内窥镜物镜1得到的平片4外侧的颗粒运动图像经石英光纤15传输到内窥镜目镜端，与具有C型卡口的高速工业摄像机连接并进行拍摄，保存至与相机连接的具有图像处理卡的计算机中，通过图像处理软件对拍摄的到的颗粒运动图像进行处理，利用互相关法计算颗粒速度。同时，在探头头端部4平片外侧焊接热模传感器2，利用布置在预留管道6的电路导线对热膜进行加热，当流速变化时，热膜的温度相应变化，这种变化导致热膜阻值的变化产生电信号，利用电信号与流速之间建立对应关系，测得电信号就可得到所拍摄区域流速大小。通过拍摄颗粒运动图像得到局部颗粒速度的同时，得到该区域的气体速度大小，从而得到了局部气固滑移速度大小。对流场不同区域进行测量统计，可得到气固滑移速度分布规律，从而可研究流化床内介尺度非均匀结构分布与气固滑移速度分布的关系。
本发明不限于上述实施例，实施例的目的是让本领域的普通技术人员能够更好的理解本发明，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，并不能以此限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头，其特征在于，包括光纤成像单元、热膜测速单元和光源传输单元，其中，
所述光纤成像单元包括内窥镜物镜、反光罩、玻璃平片和石英光纤，所述内窥镜物镜布置于探头头端部的中间，所述探头头端部位于整个探头的前端，所述反光罩安装于所述内窥镜物镜的前端，所述反光罩的前端用所述玻璃平片封口；所述石英光纤与所述内窥镜物镜的后端相连；所述内窥镜物镜和石英光纤的外侧套设有内不锈钢管；在内不锈钢管的外侧包围有像束外包层；
所述热膜测速单元包括热膜传感器和微电路，所述热膜传感器设置于所述玻璃平片外围；所述微电路设置于预留管道中，所述预留管道设置于探头内侧并布置于所述内不锈钢管外侧；
所述光源传输单元包括激光出光口和玻璃光纤，其中，所述激光出光口布置在探头头端部的玻璃平片的外围；所述玻璃光纤均匀布置于所述内不锈钢管外侧的壁面；所述玻璃光纤和石英光纤构成探头的光纤传输段，所述光纤传输段由主软管包裹，所述探头头端部与所述光纤传输段通过端部接圈连接。
2.根据权利要求1所述的测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头，其特征在于，所述的内窥镜物镜由依次设置的前片、隔圈、孔径光阑、中片、后片构成，并依次固定于物镜座中，物镜座外侧套有物镜壳，内窥镜物镜的直径d为8~10mm，反光罩高为0.8~1d，口径小的一段与内窥镜物镜连接，口径大的一侧由玻璃平片覆盖封口。
3.根据权利要求1所述的测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头，其特征在于，所述的热膜传感器由热膜、衬底、绝缘层和导线构成，所述的热膜传感器焊接在在探头头端部前端的玻璃平片外围1/4环形区域，环宽为0.25d，热膜宽度为0.5d；所述热膜是由喷溅在衬底上面的金属铂形成的，厚度为1000-10000埃，工作电阻为20欧姆，所述衬底材料为石英；所述绝缘层设置于衬底下面。
4.根据权利要求1所述的测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头，其特征在于，探头头端部长度为3~5cm。
5.根据权利要求1所述的测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头，其特征在于，所述玻璃光纤均匀布置在不锈钢管外侧的壁面，厚度0.25d，采用固定胶牢牢固定，探头头端部的玻璃光纤外侧再套上外不锈钢管包裹。
6.根据权利要求1所述的测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头，其特征在于，所述的激光光源出光口布置在探头头端部前端平片外围3/4环形区域，与热膜传感器围成一个环形，9个直径为0.25d的出光口等距分布，激光发生器发出的激光通过玻璃光纤利用光的全反射特性从外侧将激光传输到探头头端部前端的激光光源出光口。
7.权利要求1所述的测量气固两相流动颗粒滑移速度的探头的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用玻璃光纤将外侧激光发生器产生的激光传导到探头头端部的激光出光口对拍摄区域进行照明，将探头头端部伸入流化床内部，内窥镜物镜得到在玻璃平片外侧的颗粒运动图像通过石英光纤传输到内窥镜目镜端，与具有C型卡口的高速工业摄像机连接进行拍摄，保存至与高速工业摄像机相连的具有图像处理卡的计算机中，通过图像处理技术对颗粒运动图像处理，用互相关算法得到颗粒速度；
（2）热模传感器通过布置在预留管道中的电路导线进行通电加热，当气体流速变化时，热膜的温度相应变化，这种变化导致热膜阻值的变化产生电信号，利用电信号与流速之间建立对应关系，测得电信号就可得到所拍摄区域流速大小；
（3）利用所得到拍摄区域的颗粒速度和气体流速的差值，即是该拍摄区域颗粒滑移速度值，对流场不同区域测量统计，得到流场内颗粒滑移速度分布规律。
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