CN110044278B - 一种非接触式流体薄膜厚度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式流体薄膜厚度测量装置及使用该装置测量流体薄膜厚度的方法；所述测量装置包括储液槽、升降机、溢流堰、液体流道、回收箱、可调角度载重平台、LIF系统；储液槽提供所需流体，通过泵和管路将流体输送到溢流堰，经过液体流道流入回收箱，再流入储液槽；通过LIF系统进行流体薄膜厚度的测量；在储液槽中加入已配制好的含一定浓度染色剂的流体，可通过LIF系统对流体在流动中形成薄膜的厚度进行三维测量；本发明所述测量装置既可以实现对流体薄膜厚度进行实时的非接触式流场三维测量，又可以避免破坏流体在流动过程中的流态以保持流场的空间结构，保证测量结果的真实性和可靠性。

Description

一种非接触式流体薄膜厚度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流体测量技术的研究领域，特别涉及一种非接触式流体薄膜厚度测量装置及方法。

背景技术

在工业领域中，液体薄膜因其小热阻、大热流密度的特点而被广泛应用在制冷、电子和能源领域，如表面式凝汽器、电路的薄膜冷却和安全壳冷却液膜等。对流体薄膜的厚度进行准确的定量测量，同时包含对流体薄膜的形成过程和流动过程状态的观测，有助于了解流体薄膜流体动力学行为，还可以此为基础优化流体薄膜在具体工业生产中的应用。于是，流体薄膜厚度的测量备受国内外学者的关注。目前测量液体薄膜的方法主要分为直接法和间接法，间接法主要有：(1)苗润才，朱峰等基于激光衍射方法建立了一种非接触的测量不溶性液体薄膜厚度的方法(苗润才，朱峰.激光衍射法测量液体薄膜厚度的研究。《激光技术》.2007，第31卷第5期，第486-488页.)，但是其测量的是一层不溶性液体在另外一层液体上均匀展开时的液膜厚度，并非是在固体表面上形成的液膜。同时其测量是在水槽中进行，液膜并非处于流动状态；(2)王文武等利用电导法测量金属表面流动液膜的厚度(王文武等.金属表面流动液膜厚度的电导法测量技术研究。《东方汽轮机》.2010，第1期.)。但是，该测量流动液膜厚度的方法仅限于金属板上的流体，对于非金属板则无法测量；(3)张峰等利用电容法测量降膜厚度(张峰等.利用电容法测量降膜厚度。《计量技术》.2005，第4卷.)，该方法需要设置两块平行金属电极以形成电容，且需要搭建电路回路，实验装置复杂；(4)上海理工大学发明的结合激光吸收光谱法与图像法对纯水液膜厚度进行测量的测量系统及测量方法，专利号为CN107084669。该专利只能获取二维图像并得到相应的二维液膜厚度，无法提供液膜厚度的三维信息分布，并且局限于非透射固体表面，无法测量如玻璃等透射固体表面上的液膜厚度；(5)苏明旭等最近提出的一种方法是采用超声脉冲反射法测量流动液膜厚度(苏明旭等.超声脉冲反射法和激光吸收光谱法同步测量流动液膜厚度。《化工学报》.2018，第69卷，第7期.)。直接法有：NosokoT等通过在螺旋测微器上安装电子探针，使电子探针接触液体获得膜厚，主要用于波峰高度的测量(Nosoko T,etal.Characteristics of two-dimensional waves on a falling liquid film[J].Chemical Engineering Science,1996,51(5):725-732.)，该测量方法会干扰和破坏流体流场，对测量产生较大误差。

鉴于上述测量方法，有必要提出一种非接触式流体薄膜厚度测量装置及方法，既可保持流体液膜流动过程中的原始流态，又可准确测量流体流动过程中形成薄膜的厚度。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，既可以对流体薄膜厚度进行三维测量，又可以避免破坏流体在流动过程中的流态以保持流场的空间结构，保证测量结果的真实性和可靠性。

本发明的另一目的在于提供一种非接触式流体薄膜厚度测量方法。

本发明的主要目的通过以下的技术方案实现：

一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，其特征在于，包括储液槽、升降机、溢流堰、液体流道、回收箱、可调角度载重平台、LIF系统；

所述储液槽通过抽水管路依次连接水泵、流量计、阀门、溢流堰；

所述升降机设置在储液槽内，溢流堰设置在升降机上；

所述回收箱设置在储液槽内，溢流堰通过液体流道连接回收箱；

所述可调角度载重平台包括载重机和分别与载重机连接的同步电机、电源模块、解码器模块；所述可调角度载重平台承载激光发生器、通过同步电机调节俯仰角度和水平角度，并通过解码模块控制可调角度载重平台进行俯仰动作和水平动作；

所述LIF系统包括PC机和与PC机连接的同步器，以及分别连接同步器的CCD相机、激光发生器；所述PC机用于给同步器发出控制指令，用于控制各设备协同工作；所述CCD相机设置在液体流道上方，用于拍摄流体薄膜；所述激光发生器位于液体流道斜上方。

进一步地，所述溢流堰为矩形槽。

进一步地，所述矩形槽的四个侧壁设置有同深度、不同宽度的U型开口，液体流道与U型开口连接，所述储液槽用于同时提供和接收实验流体。

进一步地，所述溢流堰的入口处还设置有海绵和定标装置，所述海绵用于去除流体在管路流动过程中产生的气泡。

进一步地，所述液体流道旁侧设置有定标装置，定标装置为一楔形小槽，小槽内部为一线性变化的倾斜面，用于测量流体薄膜厚度前的定标实验。

进一步地，所述液体流道与水平面呈角度α放置；回收箱设置于液体流道出口处。

进一步地，所述液体流道采用三种以上不同材料制成，具体为透明亚克力板、玻璃、不锈钢板。

进一步地，溢流堰、海绵、实验流道及定标装置组成实验段，用于含荧光流体的流动以形成液膜。

进一步地，所述回收箱位于液体流道出口处，用于接收实验流体；所述回收箱侧面设有开孔，能与储液槽连通。

进一步地，所述同步电机为永磁同步电机。

进一步地，所述载重云台用于承载激光发生器，可通过永磁同步电机在垂直方向上-10°～70°的范围内调节俯仰角度，在水平方向上360°的范围内调节水平角度。

进一步地，所述解码器采用RS485控制，所述RS485用于通过计算机语言控制可调角度载重平台进行俯仰动作和水平动作。

进一步地，所述升降台用于调节激光发生器和溢流堰在垂直方向上的高度。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：

一种非接触式流体薄膜厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在储液槽加入已经配置好的含一定浓度染色剂的流体，CCD相机在液体流道正上方选取拍摄角度，与液体流道的相对位置呈90°-α角度，采用长通滤波片，将LIF系统的激光发生器放置在液体流道的斜上方，与液体流道的相对位置呈90°；

S2、调整相机位置及参数，确保可观察并获得清晰的流场；

S3、在定标装置内倾斜面的横向方向上取十条等距线，往定标装置楔形小槽中加入已配制好的含一定浓度染色剂的流体，开启LIF系统；

S4、对定标装置中厚度为一个单位的恒定流体薄膜进行拍摄，得到并提取十条等距线上的像素强度，去掉偏差值大的像素强度，对其余像素强度进行平均后，将其与已知恒定流体薄膜厚度进行组合得到一一对应的数据点，由所得数据点组成的数据组绘制成第一像素强度-膜厚曲线，并拟合成第一关系式；再对定标装置中厚度呈线性变化的流体薄膜进行拍摄，得到并提取十条等距线上的像素强度，去掉偏差值大的像素强度，对其余像素强度进行平均后，将其与已知的线性变化的流体薄膜厚度进行分析，得到一一对应的数据点，由所得数据点组成的数据组绘制成第二像素强度-膜厚曲线，并拟合成第二关系式；将第一关系式和第二关系式相减，得到标准“像素强度—膜厚”方程式；

S5、开启水泵，将储液箱中配制好的含一定浓度染色剂的流体输送到溢流堰；

S6、使用LIF系统对液体流道进行标定，当含有一定浓度荧光剂的流体流经液体流道时，对流动进行拍摄，获取清晰的流场图像，得到图像中流体在各位置处的像素强度；

S7、将得到的流体在液体流道上各位置处的像素强度代入标准“像素强度—膜厚”方程式，得到流场中不同位置处流体薄膜厚度，进而得到流动过程中流体薄膜的三维厚度，重现整个流场中的液膜厚度情况；这里说的液膜三维厚度是指在(x,y,z)坐标系下，重现整个流场中的液膜厚度情况。

进一步地，从液体流道流出的流体流回至回收箱，再从回收箱流入储液槽，可循环进行上述测量流体薄膜厚度的操作。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明在对流体薄膜的测量上克服了单点测量、二维测量、破坏流场完整性和无法获得整个三维空间流场等缺陷；

2、本发明所述测量装置简单方便，绘制了“像素强度—膜厚”曲线，可方便准确地根据像素强度获得流体薄膜厚度；

3、本发明所述测量装置具有良好的通用性和灵活性，可对不同固体材料、不同流量大小、常见流体的膜厚进行测量。

附图说明

图1是本发明所述一种非接触式薄膜厚度测量装置的结构示意图；

图2是本发明所述实施例中测量装置的测量部分局部放大图；

图3是本发明所述实施例中溢流堰结构侧视图；

图4是本发明所述实施例中回收箱结构右视图；

图5是本发明所述实施例中液体流道结构侧视图；

图6是本发明所述实施例中定标装置结构侧视图；

图7是本发明所述一种非接触式薄膜厚度测量方法的方法流程图。

图中，1-储液槽，201-溢流堰，202-液体流道，3-回收箱，401-载重机，402-24V电源，501-第一升降机，502-第二升降机，601-CCD相机，602-同步器，603-激光发生器，604-计算机，7-水泵，8-流量计，9-阀门。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，如图1所示，包括储液槽1、升降机、溢流堰201、液体流道202、回收箱3、可调角度载重平台4、LIF系统6；

所述储液槽通过抽水管路依次连接水泵7、流量计8、阀门9、溢流堰201；

储液槽1与液体流道202通过溢流堰侧壁上的U型出口连接，流经液体流道202的流体流入回收箱3后，再重新流入储液槽1中；即储液槽1用于提供和接收实验流体；图2是测量装置的测量部分局部放大图；图3是溢流堰结构侧视图；图4是回收箱结构右视图；图5是液体流道结构侧视图；图6是定标装置结构侧视图；

所述溢流堰201的入口处还设置有海绵，所述海绵用于去除流体在管路流动过程中产生的气泡；所述液体流道旁侧设置有定标装置，定标装置为一楔形小槽，小槽内部为一线性变化的倾斜面，用于测量流体薄膜厚度前的定标实验；溢流堰、海绵、实验流道及定标装置组成实验段，用于含荧光流体的流动以形成液膜。

所述液体流道202采用三种及三种以上不同材料制成，这里的液体流道202材料采用了透明亚克力板、玻璃、不锈钢板；液体流道202与水平面呈角度α放置；

所述升降机包含第一升降机501、第二升降机502；第一升降机501设置在储液槽1内，溢流堰201设置在第一升降机501上，用于调节溢流堰201在垂直方向上的高度；第二升降机502承载激光发生器603，用于调节激光发生器603在垂直方向上的高度；

所述回收箱3设置在储液槽1内，位于液体流道202出口处，用于接收实验流体，溢流堰201通过液体流道202连接回收箱3；回收箱3侧壁设有开孔，能与储液槽1连通；

所述可调角度载重平台4包括载重机401和分别与载重机连接的永磁同步电机、24V电源模块402、解码器模块；所述可调角度载重平台4承载激光发生器603、通过同步电机调节俯仰角度和水平角度，并通过解码模块控制载重机401进行俯仰动作和水平动作；载重机401用于承载激光发生器603，可通过永磁同步电机在垂直方向上-10°～70°的范围内调节俯仰角度，在水平方向上360°的范围内调节水平角度；所述24V电源402为直流电；解码器模块采用RS485控制，所述RS485用于通过计算机语言控制载重云台4进行俯仰或水平动作；

所述LIF系统6包括PC机604和与PC机连接的同步器602，以及分别连接同步器602的CCD相机601、激光发生器603；所述PC机604用于给同步器602发出控制指令，用于控制各设备协同工作；所述CCD相机601设置在液体流道202上方，用于拍摄流体薄膜；所述激光发生器603位于液体流道202斜上方。

实施例2：

一种非接触式流体薄膜厚度测量方法，如图7所示，包括以下步骤：

S1、在储液槽1加入已经配置好的含一定浓度染色剂的流体，所述含一定浓度染色剂的流体为罗丹明B水溶液，其浓度为0.2g/L，最大吸收光强为545nm，最大荧光强度为580nm；

在液体流道202上方选取拍摄视角度，将LIF系统6的激光发生器603放置在液体流道202的斜上方与液体流道202的相对位置呈90度；将LIF系统6的CCD相机601放置在液体流道202的上方与液体流道202的相对位置呈90°-α角度，采用长通滤波片；

S2、在定标装置内倾斜面的横向方向上取十条等距线，往定标装置楔形小槽中加入已配制好的含一定浓度染色剂的流体，开启LIF系统6；

S3、对定标装置中厚度为一个单位的恒定流体薄膜进行拍摄，得到并提取十条等距线上的像素强度，去掉偏差值大的像素强度，对其余像素强度进行平均后，将其与已知恒定流体薄膜厚度进行分析，得到一一对应的数据点，由所得数据点组成的数据组绘制成第一像素强度-膜厚曲线，并拟合成第一关系式；再对定标装置中厚度呈线性变化的流体薄膜进行拍摄，得到并提取十条等距线上的像素强度，去掉偏差值大的像素强度，对其余像素强度进行平均后，将其与已知的线性变化的流体薄膜厚度进行分析，得到一一对应的数据点，由所得数据点组成的数据组绘制成第二像素强度-膜厚曲线，并拟合成第二关系式；将第一关系式和第二关系式相减，得到标准“像素强度—膜厚”方程式；以此排除激光不均匀的影响；

S4、开启水泵7，将储液槽1中配制好的含一定浓度染色剂的流体输送到溢流堰201，即调节阀门9开闭大小将水泵7的输出流量调到7L/min-10L/min，将储液槽1中配制好的含一定浓度染色剂的流体输送到溢流堰201；

S5、使用LIF系统6对液体流道202进行标定，调整CCD相机601光圈的大小、CCD相机601的焦距、两帧相片之间的时间间隔等参数从而得到清晰的流体图像；当含有一定浓度染色剂的流体流经溢流堰201时，对流动进行拍摄，获取流动数据并传回PC机604，利用PC机604中的Dynamic Studio软件对所获得的数据进行分析，从而得到流体在流动过程中在液体流道各位置处的像素强度；

S6、将得到的流体在液体流道202上各个位置处的像素强度代入标准“像素强度-膜厚”方程式，得到流场中不同位置处流体薄膜厚度，进而得到流动过程中流体薄膜的三维厚度，重现整个流场中的液膜厚度情况。这里说的液膜三维厚度是指在(x,y,z)坐标系下，重现整个流场中的液膜厚度情况。

进一步地，从液体流道202流出的流体流回至回收箱3，再从回收箱3流入储液槽1，可循环进行上述测量流体薄膜厚度的操作。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，其特征在于，包括储液槽、升降机、溢流堰、液体流道、回收箱、可调角度载重平台、LIF系统；

所述储液槽通过抽水管路依次连接水泵、流量计、阀门、溢流堰；

所述升降机设置在储液槽内，溢流堰设置在升降机上；

所述回收箱设置在储液槽内，溢流堰通过液体流道连接回收箱；所述液体流道与水平面呈角度α放置；所述液体流道旁侧设置有定标装置，所述定标装置用于确定一定荧光强度下的液膜厚度；

所述可调角度载重平台包括载重机和分别与载重机连接的同步电机、电源模块、解码器模块；所述可调角度载重平台承载激光发生器、通过同步电机调节俯仰角度和水平角度，并通过解码模块控制可调角度载重平台进行俯仰动作和水平动作；

所述LIF系统包括PC机和与PC机连接的同步器，以及分别连接同步器的CCD相机、激光发生器；所述PC机用于对测量数据进行收集和处理；所述CCD相机设置在液体流道上方，用于拍摄流体薄膜；所述激光发生器位于液体流道斜上方。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述溢流堰为矩形槽。

3.根据权利要求2所述的一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述矩形槽的侧壁设置有同深度不同宽度的U型开口，液体流道与U型开口连接。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述溢流堰的入口处还设置有海绵，所述海绵用于去除流体在管路流动过程中产生的气泡。

5.根据权利要求1所述的一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述液体流道采用三种或三种以上不同材料制成。

6.根据权利要求5所述的一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述液体流道采用的材料为透明亚克力板、玻璃、不锈钢板。

7.根据权利要求1所述的一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述回收箱侧面设有开孔，能与储液槽连通，回收箱设置于液体流道出口处。

8.根据权利要求1所述的一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述同步电机为永磁同步电机。

9.根据权利要求1所述的一种非接触式流体薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述解码器采用RS485控制，所述RS485用于通过计算机语言控制可调角度载重平台进行俯仰动作和水平动作。

10.一种非接触式流体薄膜厚度测量方法，通过权利要求1-9任一权利要求所述的非接触式流体薄膜厚度测量装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在储液槽加入已经配置好的含一定浓度染色剂的流体，CCD相机在液体流道正上方选取拍摄角度，与液体流道的相对位置呈90°-α角度，所述液体流道与水平面呈角度α放置，采用长通滤波片，将LIF系统的激光发生器放置在液体流道的斜上方，与液体流道的相对位置呈90°；

S2、调整相机位置及参数，确保可观察并获得清晰的流场；

S3、在定标装置内倾斜面的横向方向上取十条等距线，往定标装置楔形小槽中加入已配制好的含一定浓度染色剂的流体，开启LIF系统；

S4、对定标装置中厚度为一个单位的恒定流体薄膜进行拍摄，得到并提取十条等距线上的像素强度，去掉偏差值大的像素强度，对其余像素强度进行平均后，将其与已知恒定流体薄膜厚度进行组合得到一一对应的数据点，由所得数据点组成的数据组绘制成第一像素强度-膜厚曲线，并拟合成第一关系式；再对定标装置中厚度呈线性变化的流体薄膜进行拍摄，得到并提取十条等距线上的像素强度，去掉偏差值大的像素强度，对其余像素强度进行平均后，将其与已知的线性变化的流体薄膜厚度进行分析，得到一一对应的数据点，由所得数据点组成的数据组绘制成第二像素强度-膜厚曲线，并拟合成第二关系式；将第一关系式和第二关系式相减，得到标准“像素强度—膜厚”方程式；

S5、开启水泵，将储液箱中配制好的含一定浓度染色剂的流体输送到溢流堰；

S6、使用LIF系统对液体流道进行标定，当含有一定浓度荧光剂的流体流经液体流道时，对流动进行拍摄，获取清晰的流场图像，得到图像中流体在各位置处的像素强度；

S7、将得到的流体在液体流道上各位置处的像素强度代入标准“像素强度—膜厚”方程式，得到流场中不同位置处流体薄膜厚度，进而得到流动过程中流体薄膜的三维厚度，重现整个流场中的液膜厚度情况。

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