CN110346324B - 一种光程可调的管道截面相含率检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光程可调的管道截面相含率检测系统及方法，其系统包括管道装置、光路调节装置、光源发射器以及信号接收装置；管道装置包括位于中间的有机玻璃管道以及依次连接于有机玻璃管道两端的大口径管、过渡锥形管以及小口径管；所述光路调节装置包括设于有机玻璃管道前侧的第一导光镜、设于有机玻璃管道后侧的第二导光镜、设于有机玻璃管道下侧的第一自由曲面反射镜以及设于有机玻璃管道上侧的第二自由曲面反射镜；所述光源发射器位于第一导光镜的前侧，用于发射可见光和近红外光。本发明结构简单，实现了光路的自由调整，增加了光程，提高了信噪比，从而提高了测量精确度，可实现实时在线检测。
Description
技术领域
本发明涉及气液两相流检测技术领域，具体地说涉及一种光程可调的管道截面相含率检测系统及方法。
背景技术
气液两相流广泛应用在电力、煤炭、冶金、石油、化工等行业。相含率是气液两相流的重要参数之一，相含率的实时、在线测量对气液两相流系统的实时控制、安全运行、在线检测等均有重要作用。
当前常用的相含率测量方法主要归结为两种，一是在大量实验研究的基础上，通过理论知识和经验推导出计算模型；二是选用仪器仪表测量分相含率。目前主要测量方法有：快速启闭阀门法、直接测量法、射线吸收法、电学法和光学法。快速启闭阀门法准确有效，主要用于测量装置的标定和在实验室测量管道的平均截面含气率，但是采用该方法测量时会切断流体的正常流动，因此不能在线、实时测量管道相含率。直接测量法是人为或使用设备直接观察测量、简单便捷，但是需要计算机技术和摄像技术为其提供硬件支持，成本较高。射线吸收法是利用射线穿透混合流体时，信号被流体吸收后而出现指数衰减的现象，但是射线吸收法传感器造价昂贵，且在测量过程中存在与辐射操作有关的安全问题。电学法是通过测量各相分布和电阻抗的关系来确定相含率，是测量分相含率得到重要方法，但电学法易受流型影响，使得影响截面含气率的因素较多。此外，基于可见光的光学法对所测量的介质有一定的限制，要求使用场合清洁度高，被测介质能透过可见光，其发射和接收元件也容易受到污染，因而使其应用范围受到限制。
除了上述相含率的测量方法，还有基于红外检测技术的测量方法。例如红外水分测量装置、用于气液两相流分析的红外线检测装置、气体中油污含量的红外三点检测装置、用红外线检测气液两相流流型的装置。近红外光测量技术无需采样和样品预处理，在两相流检测领域已获得了初步探索研究，但目前鲜见关于光程可调的管道截面相含率实时在线测量的报道。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种光程可调的管道截面相含率检测系统，以解决现有系统不能精确的实时、动态对气液两相流的截面相含率进行测量的问题。
本发明的目的之二就是提供一种光程可调的管道截面相含率检测方法，以解决现有的测量方法精确度不高以及应用受限制的问题。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：一种光程可调的管道截面相含率检测系统，包括管道装置、光路调节装置、光源发射器以及信号接收装置；
所述管道装置用于流通待测流体，包括位于中间的有机玻璃管道以及各自依次连接于有机玻璃管道两端的大口径管、过渡锥形管以及小口径管，过渡锥形管的宽口端与对应的大口径管相连，过渡锥形管的窄口端与对应的小口径管相连；
所述光路调节装置包括设于有机玻璃管道下侧的第一自由曲面反射镜、设于有机玻璃管道上侧的第二自由曲面反射镜、设于有机玻璃管道前侧的第一导光镜以及设于有机玻璃管道后侧的第二导光镜，第一自由曲面反射镜与第二自由曲面反射镜的凹镜面正相对，所述第一导光镜用于将入射光导入第一自由曲面反射镜，所述第一自由曲面反射镜与第二自由曲面反射镜用于对信号光进行连续反射，从而使信号光若干次穿过有机玻璃管道，所述第二导光镜用于将出射光导入信号接收装置；
所述光源发射器位于第一导光镜的前侧，用于发射可见光和近红外光；
所述信号接收装置包括聚焦透镜和光电探测器，光电探测器用于接收经流体吸收后的光信号并将光信号转换为电信号。
所述第一导光镜和第二导光镜均为平面反射镜，且均通过可调节的支架设置在预定位置。
所述第一自由曲面反射镜与第二自由曲面反射镜通过可调节的支架设置在预定位置。
所述检测系统包括数据采集与处理装置，数据采集与处理装置包括数据采集卡和计算机，数据采集卡采集光电探测器的数据并传至计算机进行数据的处理与分析。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：一种光程可调的管道截面相含率检测方法，包括以下步骤：
a、设置上述检测系统；
b、光路调整：使光源发射器发射可见光，调整第一导光镜、第二导光镜、第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜的位置，使信号光能够在第一自由曲面反射镜与第二自由曲面反射镜之间进行连续反射，从而使信号光若干次经过有机玻璃管道的同一截面，同时，出射光能够被光电探测器接收；
c、截面相含率检测：向管道装置中通入待测流体，使光源发射器发射近红外光，近红外光沿已调整好的光路若干次经过有机玻璃管道的同一截面并被待测流体部分吸收，光电探测器接收经待测流体吸收后的近红外光信号，并将其转换为电信号；
d、经过数据处理与分析后即得到所述的管道截面相含率。
所述可见光为单色激光。
本发明首次将透明的有机玻璃管道、可见光、近红外光以及自由曲面反射镜相结合的方式对管道内的气液两相流的截面相含率进行测量，这种方法能够有效的增加光程，实现更加准确、可靠的测量，为测量管道内气液两相流的截面相含率提供了一种有效的技术手段。
相比于现有的测量系统以及测量方法，其优点具体表现在三个方面：一是使用聚焦透镜，进行光线会聚的作用，从而增大信号强度，提高信噪比，增大测量的精确度；二是利用可见光的可视化系统，能够观察到光路在管道内的传输情况，从而便于光路的调整，为近红外光测量气液两相流的截面相含率提供了依据和保证；三是自由曲面反射镜结构能够对入射光的角度进行调节，使光产生多次反射从而使光路覆盖整个管道截面，来达到增加光程、增大信噪比的效果，进而更准确的测量气液两相流的截面相含率。
本发明的测量方法实现了光路的自由调整，增加了光程，降低了检测限，增大了信号强度，提高了信噪比，从而提高了测量精度和准确度。而且本发明装置结构简单，在进行准确测量的同时也将对流形造成的影响降到了最小，与实际应用更为接近，提高了测量的可信度，可实现实时在线检测。
此外，这种光程可调的管道内气液两相流的截面相含率的检测系统能够研究可见光在气液中的衰减特性，并以此来为近红外光做一个辅助对比与参考，进一步推动近红外光谱技术的发展。
附图说明
图1为本发明检测系统的结构示意图。图中，箭头表示待测流体的流动方向，虚线表示光路截面的位置。
图2为本发明光路调节装置结构示意图。
图中：1—小口径管；2—过渡锥形管；3—大口径管；4—有机玻璃管道；5—光源发射器；6—第一导光镜；7—第二导光镜；8—聚焦透镜；9—光电探测器；10—计算机；11—第一自由曲面反射镜；12—第二自由曲面反射镜。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的检测系统包括管道装置、光路调节装置、光源发射器以及信号接收装置。
管道装置从左到右依次为小口径管1、过渡锥形管2、大口径管3、有机玻璃管道4、大口径管3、过渡锥形管2、小口径管1，有机玻璃管道4为圆柱形透明管道，各管道的连接处尺寸相匹配且密封连接。
小口径管的管体内径为D1=50mm，管体长度L1=80mm，管体壁厚为2mm；过渡锥形管的管体长度为L2=65mm ；大口管径的管体内径为D2=80mm，管体长度L3=45mm，管体壁厚为2mm；有机玻璃管道的管体内径为D3=80mm，管体外径为D4=82mm，管体长度L4=145mm，管体壁厚为2mm；第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜可达到的光程范围为4.4-35m。
光路调节装置包括设于有机玻璃管道前侧（对应图2中的左侧）的第一导光镜6、设于有机玻璃管道后侧（对应图2中的右侧）的第二导光镜7、设于有机玻璃管道下侧的第一自由曲面反射镜11以及设于有机玻璃管道上侧的第二自由曲面反射镜12。第一自由曲面反射镜11与第二自由曲面反射镜12的凹镜面相对，第一自由曲面反射镜11与第二自由曲面反射镜12通过可调节的支架设置在预定位置。第一导光镜6和第二导光镜7均为平面反射镜（支架均可精细调整），并设于有机玻璃管道4对应侧的侧上方。光源发射器5位于第一导光镜6的前侧，用于发射可见光或近红外光。信号接收装置位于第二导光镜7的后侧，依次包括聚焦透镜8和光电探测器9，光电探测器9用于接收经流体吸收后的光信号并将光信号转换为电信号。
待测流体由一侧流过小口径管1、过渡锥形管2和大口径管3后流至有机玻璃管道4，入射光水平射入第一导光镜6后被反射进入两个自由曲面反射镜之间，并经若干次反射后，在有机玻璃管道4形成一个能覆盖管道截面的光路截面（如图2所示），流体流经此截面后，近红外光被流体吸收部分能量，从而使其光强减弱。将光电探测器9与聚焦透镜8的位置固定好，使其能够在最好的位置探测光强。光电探测器9可接收经流体吸收后的光强信号，并将其转换为电信号，最后利用计算机10将数据进行处理与分析，数据的处理与分析可采用现有的常规分析方法。
第一自由曲面反射镜11、第二自由曲面反射镜12、第一导光镜6和第二导光镜7应处于同一平面内，从而使信号光在同一截面内被多次反射，为保证光路的准确传递，且便于针对不同检测需求进行光路调整，可利用可将光先对光路进行预先调整，之后再利用近红外光进行检测。具体检测步骤如下：
a、设置上述检测系统；
b、光路调整：使光源发射器5发射可见光，可见光为单色激光。调整第一导光镜6、第二导光镜7、第一自由曲面反射镜11和第二自由曲面反射镜12的位置，使信号光能够在第一自由曲面反射镜11与第二自由曲面反射镜12之间进行连续反射，从而使信号光若干次经过有机玻璃管道4的同一截面，同时，出射光能够被光电探测器9接收；
c、截面相含率检测：向管道装置中通入待测流体，使光源发射器5发射近红外光，近红外光沿已调整好的光路若干次经过有机玻璃管道4的同一截面并被待测流体吸收，从而光强会有一定的衰减；
d、用光电探测器9对出射的会聚光线进行检测，由数据采集卡对探测的数据进行采集，并传输到计算机上，最终根据传输的数据对截面相含率进行计算。
上述两面自由曲面反射镜和导光镜的具体尺寸参数可根据管道的实际尺寸情况而定。上述检测操作简便，可进行实时在线检测，适宜推广应用。
Claims (4)
1.一种光程可调的管道截面相含率检测系统，其特征是，包括管道装置、光路调节装置、光源发射器以及信号接收装置；
所述管道装置用于流通待测流体，包括位于中间的有机玻璃管道以及各自依次连接于有机玻璃管道两端的大口径管、过渡锥形管以及小口径管，过渡锥形管的宽口端与对应的大口径管相连，过渡锥形管的窄口端与对应的小口径管相连；
所述光路调节装置包括设于有机玻璃管道下侧的第一自由曲面反射镜、设于有机玻璃管道上侧的第二自由曲面反射镜、设于有机玻璃管道前侧的第一导光镜以及设于有机玻璃管道后侧的第二导光镜，第一自由曲面反射镜与第二自由曲面反射镜的凹镜面正相对，所述第一导光镜用于将入射光导入第一自由曲面反射镜，所述第一自由曲面反射镜与第二自由曲面反射镜用于对信号光进行连续反射，从而使信号光若干次穿过有机玻璃管道，所述第二导光镜用于将出射光导入信号接收装置；
所述光源发射器位于第一导光镜的前侧，用于发射可见光和近红外光；
所述信号接收装置包括聚焦透镜和光电探测器，光电探测器用于接收经流体吸收后的光信号并将光信号转换为电信号;
所述第一导光镜和第二导光镜均为平面反射镜，且均通过可调节的支架设置在预定位置;
所述第一自由曲面反射镜与第二自由曲面反射镜通过可调节的支架设置在预定位置。
2.根据权利要求1所述的光程可调的管道截面相含率检测系统，其特征是，所述检测系统包括数据采集与处理装置，数据采集与处理装置包括数据采集卡和计算机，数据采集卡采集光电探测器的数据并传至计算机进行数据的处理与分析。
3.一种光程可调的管道截面相含率检测方法，其特征是，包括以下步骤：
a、设置权利要求1~2任一所述检测系统；
b、光路调整：使光源发射器发射可见光，调整第一导光镜、第二导光镜、第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜的位置，使信号光能够在第一自由曲面反射镜与第二自由曲面反射镜之间进行连续反射，从而使信号光若干次经过有机玻璃管道的同一截面，同时，出射光能够被光电探测器接收；
c、截面相含率检测：向管道装置中通入待测流体，使光源发射器发射近红外光，近红外光沿已调整好的光路若干次经过有机玻璃管道的同一截面并被待测流体部分吸收，光电探测器接收经待测流体吸收后的近红外光信号，并将其转换为电信号；
d、经过数据处理与分析后即得到所述的管道截面相含率。
4.根据权利要求3所述的光程可调的管道截面相含率检测方法，其特征是，所述可见光为单色激光。
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