CN107401981A - 非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置及使用方法 - Google Patents

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杨洛鹏
李红有
杨悦艺
孙相群
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material

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Abstract

本发明所述的测量装置，利用光学全反射技术(TIR)进行可视化测量。适用于在不扰动液膜流动的条件下，将微小的基底液膜厚度放大为光圈半径信号，实现对动态基底液膜厚度的微细定量观测。包括：外接电脑、透明管、LED灯、相机及支撑架。支撑架为框架结构，下部设置有相机安装位，放置有CCD相机；中部设置有LED灯的安装横梁，安装有LED灯；顶部设置有透明管安装位，放置有透明管。透明管测试段的外壁上涂有一层薄薄的涂层，相机和LED灯的中心保持在一条直线上且与透明管的轴线保持垂直状态，相机和外接电脑通过数据线相连接，实现数据的传输，LED灯发出的光线为红光，波长范围为622‑760nm。本发明的特点是：不需接触液体；实现微小液膜可视化；不间断测量；测量精度高。

Description

非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置及使用方法
技术领域
本发明所述的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置及使用方法，利用光学全反射技术(TIR)进行可视化测量。适用于在不扰动液膜流动的条件下，将微小的基底液膜厚度放大为光圈半径信号，实现对动态基底液膜厚度的微细定量观测。
背景技术
在降膜蒸发器领域中，为了更有效的指导降膜蒸发器的设计，提高对能源的利用效率，迫切需要发展降膜蒸发器的传热机理。液膜基底膜厚不仅是降膜蒸发器基底研究领域里关注的焦点，也是设计计算降膜蒸发器各种参数的重要依据。已有的测量方法如：
1、侵入探针接触法：此方法不仅局限于导电液体，而且测量仪器侵入液膜内部，破坏液膜原来的流动状态；
2、电容法：此方法虽然可以用于测量非导电液体，但是能够测量的液膜厚度范围有限，而且电容法易受温度影响进而影响测量精度；
3、微波吸收法：此方法测量精度虽高，但由于特殊的测试段是半永久性的，所以其操作灵活性低；
4、激光诱导荧光法：此方法将荧光染料添加到液体中，会影响液体的物理特性。
以上这些现有的测量方法不能兼顾测量范围广、测量精度高、操作灵活方便、不扰动液膜流动等特点。针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置及使用方法，实现对波动液膜基底厚度的精准测量。
发明内容
为了克服现有技术中所存在的问题，本发明提出了一种非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置及使用方法，该装置适用于在不扰动液膜流动的条件下实现对动态基底液膜厚度的微细定量观测。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
本发明所述的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置，其特征在于所述的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置包括：外接电脑、透明管、LED灯、相机及支撑架；
本发明所述的支撑架为框架结构，下部设置有相机安装位，中部设置有LED灯的安装横梁，顶部设置有透明管安装位；
本发明所述的相机为CCD相机，放置于支撑架的相机安装位上；
本发明所述的LED灯固定安装于安装横梁上；
本发明所述的透明管放置于透明管安装位上，透明管测试段的外壁上涂有一层薄薄的涂层；
本发明所述的相机和LED灯的中心保持在一条直线上且与透明管的轴线保持垂直状态；
本发明所述的相机和外接电脑通过数据线相连接，实现数据的传输；
本发明所述的LED灯发出的光线为红光，波长范围为622-760nm。
本发明所述的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置的使用方法；其特征在于所述的使用方法为：
1)、装置组装：将LED灯(5)与相机(6)装于支撑架上，并将相机(6)和外接电脑通过数据线相连接；
2)、管壁涂装：将涂料涂在透明管(2)测试段外壁上，使其形成一层薄薄的半透明涂层(7)；
3)、装置安装：将装配有LED灯(5)和相机(6)的支撑架装于涂装好的透明管(2)上；
4)、装置调整：调节支撑架上LED灯(5)与相机(6)的相对位置，使其中心保持在一条直线上并与透明管(2)轴线方向垂直；
5)、装置调试：在管内不通水的情况下通电记录图像并分析得出光圈半径大小，进而计算出该光圈半径对应的厚度是否与圆管壁厚相等，若相等则固定LED灯(5)与相机(6)的位置，若不相等则需调整LED灯(5)与相机(6)的相对位置直至相等；
6)、通水测试：在涂装好的透明管(2)内通水即可进行透明管(2)内液膜基底膜厚的测量；
7)、数据采集：相机拍照，记录下一系列图像；
8)、数据分析：将相机(2)拍摄到的图像传送给外接电脑(1)，通过安装在外接电脑(1)上的专用软件LabVIEW进行分析，获得光圈半径，进而计算出液膜基底膜厚。
本发明所述的涂层为半透明涂料，既能使反射回来的光线在涂层上形成明显的图像，又能观测到管内液体的流动状况；
本发明所述的涂层为白色涂料喷涂，厚度为30-60μm；
本发明所述的涂层可用半透明白色胶带替换，厚度小于100μm。
测量数据的计算如下：
圆管、液体、以及气体的折射率已知，可得角度α与β，
测量光圈半径X；
用下式计算待测液膜的基底膜厚：
本发明的优点是显而易见的，主要表现在：
1、本发明所需的测量装置结构简单、操作方便；
2、本发明可以测量透明管内周向任意位置处液膜的基底膜厚；
3、本发明采用图像处理软件测量光圈半径，测量误差小；
4、本发明采用光学全反射技术，形成的光圈图像清晰、提高了测量精度；
5、本发明通过全反射技术，将管内液膜厚度转变为光圈半径大小，实现了液膜厚度的可视化；
6、本发明不扰动液体流动，实现了非接触测量。
本发明具有结构新颖、加工简便、使用方便、测量精度高、保证液膜的完整性等优点。
附图说明
本发明共有4幅附图,其中：
附图1为本发明结构示意图；
附图2为本发明支撑架、相机和LED灯安装结构俯视图；
附图3为采用本发明装置测量透明圆管内液膜的基底膜厚时的光线反射示意图；
附图4为采用本发明装置测量透明圆管内液膜的基底膜厚时的反射光圈图。
在图中：1、外接电脑 2、透明管 3、液膜 4、支撑架 41、相机安装位 42、安装横梁43、透明管安装位 5、LED灯 6、相机 7、涂层 A、基底 B、波峰 X、光圈半径
具体实施方式
具体实施方式1
本发明的具体实施例如附图所示，非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置包括：外接电脑(1)、透明管(2)、LED灯(5)、相机(6)及支撑架(4)；
支撑架(4)为框架结构，下部设置有相机安装位(41)，中部设置有LED灯(5)的安装横梁(42)，顶部设置有透明管安装位(43)；
相机(6)为CCD相机，放置于支撑架(4)的相机安装位(41)上；
LED灯(5)固定安装于安装横梁(42)上；
透明管(2)放置于透明管安装位(43)上；透明管(2)测试段的外壁上涂有一层薄薄的涂层(7)；
相机(6)和LED灯(5)的中心保持在一条直线上且与透明管(2)的轴线保持垂直状态；
相机(6)和外接电脑(1)通过数据线相连接，实现数据的传输。
LED灯(5)发出的光线为红光，波长范围为622-760nm。
非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置的使用方法为：
1)、装置组装：将LED灯(5)与相机(6)装于支撑架上，并将相机(6)和外接电脑通过数据线相连接；
2)、管壁涂装：将涂料涂在透明管(2)测试段外壁上，使其形成一层薄薄的半透明涂层(7)；涂层(7)为白色本透明涂料喷涂，厚度为30-60μm。既能使反射回来的光线在涂层上形成明显的图像，又能观测管内液体的流动状况；
3)、装置安装：将装配好的LED灯(5)和相机(6)的支撑架装于涂装好的透明管(2)上；
4)、装置调整：调节支撑架上LED灯(5)与相机(6)的相对位置，使其中心保持在一条直线上并与透明管(2)轴线方向垂直；
5)、装置调试：在管内不通水的情况下通电记录图像并分析得出光圈半径大小，进而计算出该光圈半径对应的厚度是否与圆管壁厚相等，若相等则固定LED灯(5)与相机(6)的位置，若不相等则需调整LED灯(5)与相机(6)的相对位置直至相等；
6)、通水测试：在涂装好的透明管(2)内通水即可进行透明管(2)内液膜基底膜厚的测量；
7)、数据采集：相机拍照，记录下一系列图像；
8)、数据分析：将相机(2)拍摄到的图像传送给外接电脑(1)，通过安装在外接电脑(1)上的专用软件LabVIEW进行分析，获得光圈半径，进而计算出液膜基底膜厚。
具体实施方式2
本发明的具体实施例如附图所示，非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置包括：外接电脑(1)、透明管(2)、LED灯(5)、相机(6)及支撑架(4)；
支撑架(4)为框架结构，下部设置有相机安装位(41)，中部设置有LED灯(5)的安装横梁(42)，顶部设置有透明管安装位(43)；
相机(6)为CCD相机，放置于支撑架(4)的相机安装位(41)上；
LED灯(5)固定安装于安装横梁(42)上；
透明管(2)放置于透明管安装位(43)上；透明管(2)测试段的外壁上涂有一层薄薄的涂层(7)；
相机(6)和LED灯(5)的中心保持在一条直线上且与透明管(2)的轴线保持垂直状态；
相机(6)和外接电脑(1)通过数据线相连接，实现数据的传输。
LED灯(5)发出的光线为红光，波长范围为622-760nm。
非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置的使用方法为：
1)、装置组装：将LED灯(5)与相机(6)装于支撑架上，并将相机(6)和外接电脑通过数据线相连接；
2)、管壁涂装：涂层(7)为半透明白色胶带粘贴于透明管管壁上，胶带厚度小于100μm；
3)、装置安装：将装配好的LED灯(5)和相机(6)的支撑架装于涂装好的透明管(2)上；
4)、装置调整：调节支撑架上LED灯(5)与相机(6)的相对位置，使其中心保持在一条直线上并与透明管(2)轴线方向垂直；
5)、装置调试：在管内不通水的情况下通电记录图像并分析得出光圈半径大小，进而计算出该光圈半径对应的厚度是否与圆管壁厚相等，若相等则固定LED灯(5)与相机(6)的位置，若不相等则需调整LED灯(5)与相机(6)的相对位置直至相等；
6)、通水测试：在涂装好的透明管(2)内通水即可进行透明管(2)内液膜基底膜厚的测量；
7)、数据采集：相机拍照，记录下一系列图像；
8)、数据分析：将相机(2)拍摄到的图像传送给外接电脑(1)，通过安装在外接电脑(1)上的专用软件LabVIEW进行分析，获得光圈半径，进而计算出液膜基底膜厚。
以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置，其特征在于所述的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置包括：外接电脑(1)、透明管(2)、LED灯(5)、相机(6)及支撑架(4)；
所述的支撑架(4)为框架结构，下部设置有相机安装位(41)，中部设置有LED灯(5)的安装横梁(42)，顶部设置有透明管安装位(43)；
所述的相机(6)为CCD相机，放置于支撑架(4)的相机安装位(41)上；
所述的LED灯(5)固定安装于安装横梁(42)上；
所述的透明管(2)放置于透明管安装位(43)上；透明管(2)测试段的外壁上涂有一层薄薄的涂层(7)；
所述的相机(6)和LED灯(5)的中心保持在一条直线上且与透明管(2)的轴线保持垂直状态；
所述的相机(6)和外接电脑(1)通过数据线相连接，实现数据的传输。
2.根据权利要求1所述的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置，其特征在于所述的LED灯(5)发出的光线为红光，波长范围为622-760nm。
3.一种利用权利要求1所述的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置的使用方法；其特征在于所述的使用方法为：
1)、装置组装：将LED灯(5)与相机(6)装于支撑架上，并将相机(6)和外接电脑通过数据线相连接；
2)、管壁涂装：将涂料涂在透明管(2)测试段外壁上，使其形成一层薄薄的半透明涂层(7)；
3)、装置安装：将装配有LED灯(5)和相机(6)的支撑架装于涂装好的透明管(2)上；
4)、装置调整：调节支撑架上LED灯(5)与相机(6)的相对位置，使其中心保持在一条直线上并与透明管(2)轴线方向垂直；
5)、装置调试：在管内不通水的情况下通电记录图像并分析得出光圈半径大小，进而计算出该光圈半径对应的厚度是否与圆管壁厚相等，若相等则固定LED灯(5)与相机(6)的位置，若不相等则需调整LED灯(5)与相机(6)的相对位置直至相等；
6)、通水测试：在涂装好的透明管(2)内通水即可进行透明管(2)内液膜基底膜厚的测量；
7)、数据采集：相机拍照，记录下一系列图像；
8)、数据分析：将相机(2)拍摄到的图像传送给外接电脑(1)，通过安装在外接电脑(1)上的专用软件LabVIEW进行分析，获得光圈半径，进而计算出液膜基底膜厚。
4.根据权利要求3所述的利用权利要求1所述的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置的使用方法，其特征在于所述的涂层(7)为半透明涂料，既能使反射回来的光线在涂层上形成明显的图像，又能观测管内液体的流动状况。
5.根据权利要求4所述的利用权利要求1所述的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置的使用方法，其特征在于所述的涂层(7)为白色涂料喷涂，厚度为30-60μm。
6.根据权利要求3所述的利用权利要求1所述的非接触测量管内波动液膜基底膜厚的装置的使用方法，其特征在于所述的涂层(7)可用半透明白色胶带替换，厚度小于100μm。
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