CN106290078A - 气固两相流颗粒团多参数同时测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气固两相流颗粒团多参数同时测量方法与装置，测量装置包括：激光光源单元，包含偶数个用于照射检测通道内的颗粒团的激光器和用于控制激光器的激光强度的激光控制器；光电信号采集处理单元，包含与激光器数量相等的光电探测器和与光电探测器相连的光电信号采集单元以及光电信号处理单元，其中，光电探测器用于将透过检测通道的激光强度信号转换为电信号，光电信号采集单元用于将光电探测器得到的电信号转换为激光强度数字信号，光电信号处理单元用于将光电信号采集单元采集的激光强度数字信号进行处理分析得到颗粒团运动速度、高度和体积浓度。本发明的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法与装置测量方法简单，灵敏度高。

Description

气固两相流颗粒团多参数同时测量方法与装置

技术领域

本发明属于化工测量领域，具体涉及一种气固两相流颗粒团多参数同时测量方法与装置。

背景技术

颗粒团的形态与运动等特性对气固两相流流动、反应及传热等有很大影响，颗粒团形态与运动参数是气固两相流颗粒团聚研究的重要表征参数之一。目前，针对气固两相流颗粒团的行为特性与运动参数测量方法主要有图像法，尽管图像法测量简便、直观，但仅得到颗粒团大小和运动速度参数，而对于颗粒团的运动速度、高度以及浓度等多参数同时测量还未见有相关测量方法与装置。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，以激光受颗粒团作用下前向光散射信号作为对象，通过互相关分析上下两束激光经颗粒团待测区域后的透射光强衰减信号获得颗粒团运动速度，通过透射光强衰减时间计算得到颗粒团高度，通过衰减程度计算颗粒团浓度，将多测量方法进行融合，提供一种气固两相流颗粒团多参数同时测量方法与装置。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种气固两相流颗粒团多参数同时测量装置，用于同时测量气固两相流中颗粒团的运动速度、高度以及体积浓度，其特征在于，包括：激光光源单元，包含偶数个用于照亮检测通道内的颗粒团的激光器和用于控制激光器的激光强度的激光控制器；以及光电信号采集处理单元，包含与激光器数量相等的光电探测器和与光电探测器相连的光电信号采集单元以及光电信号处理单元，其中，光电探测器用于将透过检测通道的激光强度信号转换为电信号，光电信号采集单元用于将光电探测器得到的电信号转换为激光强度数字信号，光电信号处理单元用于将光电信号采集单元采集的激光强度数字信号进行处理分析得到颗粒团运动速度、高度和体积浓度。

在本发明提供的气固两相流颗粒团多参数同时测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，光电信号采集处理单元还包括与光电探测器连接的光纤探头，该光纤探头用于接收激光器发出的激光强度信号。

在本发明提供的气固两相流颗粒团多参数同时测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，激光器与光电探测器处于相对的位置，用于透射光线从激光器传播到光电探测器。

在本发明提供的气固两相流颗粒团多参数同时测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，激光器与光电探测器水平设置且垂直于颗粒团的检测通道。

本发明还提供了一种气固两相流颗粒团多参数同时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，确定两个激光器的上下间距H、激光器初始强度I₀、光电探测器有效探测面积A；

步骤二，布置激光器的位置；

步骤三，布置光电探测器的位置；

步骤四，采集两个光电探测器接收的初始光强信号I₀₁和I₀₂；

步骤五，采集激光经检测通道的透射光强信号；

步骤六，对采集记录的透射光强信号处理分析得到颗粒团运动速度、高度以及浓度。

在本发明提供的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法中，还可以具有这样的特征：其中，颗粒团经过激光器激光照射后到光电探测器的透射光衰减量符合Beer-Lambert定律：

$\mathrm{\Γ}=\ln \left(\frac{I_t}{I_0}\right)=-LN({\mathrm{\πD}}^2/4)k_{ext}(\mathrm{\λ},m,D)=-({\mathrm{\πD}}^2/4)(n/A)k_{ext}(\mathrm{\λ},m,D)$

其中，Г为对数透射率，I_t为透射光强，L是测量光束在测量区内的光程，N是单位体积颗粒数浓度，A是有效探测面积，D是颗粒团的平均粒径，消光系数k_ext是关于入射光波长λ、颗粒团平均粒径D和颗粒相对折射率m的函数。

在本发明提供的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法中，还可以具有这样的特征：其中，颗粒团的体积浓度的计算方法为： $C_v=\frac{2Dln(I_0/I_t)}{3{\mathrm{Lk}}_{ext}}.$

在本发明提供的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法中，还可以具有这样的特征：其中，两个光电探测器接收到的透射光强波动信号x(t)和y(t)开展互相关分析：

$R_{xy}\left(t\right)=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})dt$

其中，T为积分平均时间，τ为时间变量，R_xy(τ)在τ＝τ₀达到

最大值，互相关信号的渡越时间为τ₀，从而求得信号渡越时间τ₀。

在本发明提供的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法中，还可以具有这样的特征：其中，颗粒团的流动速度的计算方法为：v＝H/τ₀。

在本发明提供的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法中，还可以具有这样的特征：其中，颗粒团的高度的计算方法为：对透射光强信号进行低通滤波，获得由颗粒团造成的低频衰减信号，从而确定各极值点间时间差Δt_i，基于该时间段的运动速度测量结果，计算得到各颗粒团高度h_i:h_i＝vΔt_i。

发明作用与效果

本发明提供了一种气固两相流颗粒团多参数同时测量装置与方法，因为测量装置包括激光光源单元和光电信号采集处理单元，激光光源单元包含偶数个用于照亮检测通道内的颗粒团的激光器和用于控制激光器的激光强度的激光控制器，光电信号采集处理单元包含与激光器数量相等的光电探测器和与光电探测器相连的光电信号采集单元以及光电信号处理单元，所以，本发明的测量装置具有结构简单、易于操作等优点。

由于本发明的测量方法是光电探测器将透过检测通道的激光强度信号转换为电信号，光电信号采集单元将光电探测器得到的电信号转换为激光强度数字信号，光电信号处理单元将光电信号采集单元采集的激光强度数字信号进行处理分析得到所述颗粒团运动速度、高度和体积浓度，所以，本发明实现了气固两相流颗粒团多参数同时测量，并且测量方法简单，灵敏度高，还可以在线测量。

附图说明

图1是本发明的实施例中气固两相流颗粒团多参数同时测量装置的结构示意图；以及

图2是本发明的实施例中气固两相流颗粒团多参数同时测量方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图具体本说明的具体实施方式。

图1是本发明的实施例中气固两相流颗粒团多参数同时测量装置的结构示意图。

如图1所示，气固两相流颗粒团多参数同时测量装置100用来同时测量气固两相流中颗粒团的运动速度、高度以及体积浓度，它包括激光光源单元10、光电信号采集处理单元20以及位于它们之间的检测通道30。

激光光源单元10包含偶数个用于照亮检测通道30内的颗粒团的激光器11和用于控制激光器11的激光强度的激光控制器12，在本实施例中，激光器11为两个，此外激光器11还可以为四个、六个、八个等。

两个激光器11用来照亮检测通道30内的颗粒团，并且两个激光器11之间的距离可调节。

激光控制器12分别与两个激光器11通过数据线连接，它用来控制两个激光器11，并调节激光器11发出的光强大小、光斑大小。

光电信号采集处理单元20用来记录颗粒团经检测通道30造成的激光透射光强衰减情况，它包括光电探测器21、光电信号采集单元22以及光电信号处理单元23。

光电探测器21用来将透过检测通道30的激光强度信号转换为电信号，光电探测器21与激光器11水平设置且垂直于检测通道30，光电探测器21与激光器11数量相等且处于相对位置，在本实施例中，光电探测器21有两个。

光电信号采集单元22与光电探测器21连接，它用来将光电探测器21得到的电信号转换为激光强度数字信号。

光电信号处理单元23与光电信号采集单元22连接，它用来将光电信号采集单元22采集得到的激光强度数字信号处理分析得到颗粒团运动速度、高度和体积浓度。

图2是本发明的实施例中气固两相流颗粒团多参数同时测量方法的流程图。

如图2所示，气固两相流颗粒团多参数同时测量方法包括以下步骤：

步骤一，根据待测颗粒团参数范围分析确定两个激光器11上下间距H，激光器11初始光强大小、光斑大小以及光电探测器21的有效探测面积A。

步骤二，打开激光光源单元10，利用激光控制器12调节激光器11初始光强，并根据测点要求布置激光器11的位置。

步骤三，根据激光器11的位置，布置光电探测器21的位置，打开光电信号采集处理单元20。

步骤四，利用光电信号采集单元22采集两个光电探测器21接收的初始光强I₀₁和I₀₂。

步骤五，开展测量，利用光电信号采集单元22采集两束激光经检测通道透射光强信号I_t1和I_t2，透射光强信号为波动信号，记作x(t)和y(t)。

步骤六，利用光电信号处理单元23对采集记录的透射光强信号进行处理分析得到颗粒团的运动速度、高度以及体积浓度。

对颗粒团浓度的计算

由于颗粒团经过透射后透射光的衰减量符合Beer-Lambert定律：

$\mathrm{\Γ}=\ln \left(\frac{I_t}{I_0}\right)=-LN({\mathrm{\πD}}^2/4)k_{ext}(\mathrm{\λ},m,D)=-({\mathrm{\πD}}^2/4)(n/A)k_{ext}(\mathrm{\λ},m,D)$

其中，Г为对数透射率，I_t为透射光强，L是测量光束在测量区内的光程，N是单位体积颗粒数浓度，A是有效探测面积，D是颗粒团的平均粒径，消光系数k_ext是关于入射光波长λ、颗粒团平均粒径D和颗粒相对折射率m的函数，可由米氏散射理论求得。

于是颗粒团的体积浓度为：

颗粒团的运动速度两个光电探测器接收到的透射光强波动信号x(t)和y(t)开展互相关分析：

$R_{xy}\left(t\right)=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})dt$

其中，T为积分平均时间，τ为时间变量，R_xy(τ)在τ＝τ₀达到最大值，互相关信号的渡越时间为τ₀，从而求得信号渡越时间τ₀。

因此，根据相关测速原理，颗粒团的流动速度为v＝H/τ₀

颗粒团的高度的计算

对透射光强信号进行低通滤波，获得由颗粒团造成的低频衰减信号，从而确定各极值点间时间差Δt_i，基于该时间段的运动速度测量结果，计算得到各颗粒团高度h_i:h_i＝vΔt_i。

变形例

此外，在两个光电探测器21与两个激光器11之间还可以设置光纤探头，光纤探头用来接收激光器11发出的激光强度信号，光纤探头将接收的激光强度信号光纤传输至两个光电探测器21。

实施例作用与效果

本实施例提供了一种气固两相流颗粒团多参数同时测量装置与方法，测量装置包括激光光源单元和光电信号采集处理单元，激光光源单元包含两个用于照亮检测通道内的颗粒团的激光器和用于控制激光器的激光强度的激光控制器，光电信号采集处理单元包含与激光器数量相等的光电探测器和与光电探测器相连的光电信号采集单元以及光电信号处理单元，所以，本实施例的测量装置具有结构简单、易于操作等优点。

由于本实施例的测量方法是光电探测器将透过检测通道的激光强度信号转换为电信号，光电信号采集单元将光电探测器得到的电信号转换为激光强度数字信号，光电信号处理单元将光电信号采集单元采集的激光强度数字信号进行处理分析得到所述颗粒团运动速度、高度和体积浓度，所以，本实施例实现了气固两相流颗粒团多参数同时测量，并且测量方法简单，灵敏度高，还可以在线测量。

本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所述的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种气固两相流颗粒团多参数同时测量装置，用于同时测量气固两相流中颗粒团的运动速度、高度以及体积浓度，其特征在于，包括：

激光光源单元，包含偶数个用于照射检测通道内的所述颗粒团的激光器和用于控制所述激光器的激光强度的激光控制器；以及

光电信号采集处理单元，包含与所述激光器数量相等的光电探测器和与所述光电探测器相连的光电信号采集单元以及光电信号处理单元，

其中，所述光电探测器用于将透过所述检测通道的激光强度信号转换为电信号，

所述光电信号采集单元用于将所述光电探测器得到的电信号转换为激光强度数字信号，

所述光电信号处理单元用于将所述光电信号采集单元采集的激光强度数字信号进行处理分析得到所述颗粒团的运动速度、高度和体积浓度。

2.根据权利要求1所述的气固两相流颗粒团多参数同时测量装置，其特征在于：

其中，所述光电信号采集处理单元还包括与所述光电探测器连接的光纤探头，该光纤探头用于接收所述激光器发出的激光强度信号。

3.根据权利要求1所述的气固两相流颗粒团多参数同时测量装置，其特征在于：

其中，所述激光器与所述光电探测器处于相对的位置，用于透射光线从所述激光器传播到所述光电探测器。

4.根据权利要求1所述的气固两相流颗粒团多参数同时测量装置，其特征在于：

其中，所述激光器与所述光电探测器水平设置且垂直于所述检测通道。

5.一种气固两相流颗粒团多参数同时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，确定两个激光器的上下间距H、激光器初始强度I₀、光电探测器有效探测面积A；

步骤二，布置激光器的位置；

步骤三，布置光电探测器的位置；

步骤四，采集光电探测器接收的初始光强信号I₀₁和I₀₂；

步骤五，采集激光经检测通道的透射光强信号；

步骤六，对采集记录的透射光强信号信号处理分析得到颗粒团运动速度、高度以及体积浓度。

6.根据权利要求5所述的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法，其特征在于：

其中，所述颗粒团经过所述激光器激光照射后到所述光电探测器的透射光衰减量符合Beer-Lambert定律：

其中，Г为对数透射率，I_t为透射光强，L是测量光束在测量区内的光程，N是单位体积颗粒数浓度，A是有效探测面积，D是颗粒团的平均粒径，消光系数k_ext是关于入射光波长λ、颗粒团平均粒径 D和颗粒相对折射率m的函数。

7.根据权利要求6所述的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法，其特征在于：

其中，所述颗粒团的体积浓度C_v的计算方法为：

8.根据权利要求6所述的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法，其特征在于：

其中，两个所述光电探测器接收到的透射光强波动信号x(t)和y(t)开展互相关分析：

其中，T为积分平均时间，τ为时间变量，R_xy(τ)在τ＝τ₀达到最大值，互相关信号的渡越时间为τ₀，从而求得信号渡越时间τ₀。

9.根据权利要求8所述的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法，其特征在于：

其中，所述颗粒团的流动速度的计算方法为v＝H/τ₀。

10.根据权利要求9所述的气固两相流颗粒团多参数同时测量方法，其特征在于：

其中，所述颗粒团的高度的计算方法为：对透射光强信号进行低通滤波，获得由颗粒团造成的低频衰减信号，从而确定各极值点间时间差Δt_i，基于该时间段的运动速度测量结果，计算得到各颗粒团高度h_i:h_i＝vΔt_i。