CN113959943B - 一种平面型光纤探针传感器的空泡份额测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种平面型光纤探针传感器的空泡份额测量系统及方法。所述测量系统包括光源、耦合器、环形器、光电转换模块、采集模块、平面型光纤探针传感器和处理模块；光源产生的光束经过耦合器分成多束，每束光束通过环形器分成两路，光电转换模块将平面型光纤探针传感器反射回来的光信号转换成电信号，并将电压信号传送到处理模块，处理模块将每个通道的电压信号进行归零化，并计算阈值UΔX，通过阈值UΔX判断，得到新电压信号U′，并计算出准确的气泡参量，通过气泡参量得到气泡经过的长度，求出空泡份额。本发明采用探针端面为平面的光纤探针传感器作为测量工具，并利用阈值设置和干涉预判计算的方法能较精准的测量空泡份额。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，涉及一种平面型光纤探针传感器的空泡份额测量系统及方法。
背景技术
在核反应堆热工水力、石油化工、蒸汽制造等工业领域对流体的研究中，描述单相流体流动的最基本参数为速度、质量流量、密度、压力等，而当液体经历由于冷凝或蒸发的相变或直接向水中通气体时，经常出现两相流体状态(气液两相)，其两相流中的气态份额参数即空泡份额极为重要。空泡份额(也称截面含气率)表征气液两相混合物中气体所占的百分比，该参数直接影响两相流的传热传质特性，是影响涉及两相流系统运行及性能的重要参数，对其进行实时测量具有重要意义。
目前空泡份额探测方法主要有电导探针法和光纤探针法，由于光纤具有抗电磁干扰、高灵敏度、高精度、尺寸小、重量轻和易于复用等优势，受到人们的广泛关注。光纤探针法的测量原理是：利用气相和液相对光的折射率的不同，从而引起探针头部接收到的折射光强度不同来进行探测的。光纤探针的敏感头常见的几何形状有：圆锥型、抛物面型、半球形、截锥型和平面型等，这些形状的差异是由于制作工艺的不同造成的，其中圆锥型是最容易发生全反射的形状。光纤探针分辨气泡的能力与探针的形状和头部的圆锥角度有关。光纤探针的封装结构形式有单纤、双纤和纤维束等，根据实际工程要求而不同。
传统光纤探针的端面多为圆锥形，通过拉锥或腐蚀、抛磨等光纤加工工艺来控制锥面角度，实现反射光信号的加强，然而这种制作方式工艺较复杂、成品率不高，且产品锥角一致性较差，锥面光泽度较难控制且易受污染，因此反射光信号较弱。为了有效提高探针制作效率和可靠性，平面型光纤探针传感器(即光纤探针的端面为平面型的光纤传感器)以其工艺简单可靠、一致性好的优势得到研究者青睐，但空泡在经过探针端面为平面型光纤探针时，其端面易形成F-P干涉效应，因此反射光强信号出现干涉加强或减弱现象，需要较为复杂的算法进行滤波处理，不然无法准确可靠的测得空泡份额。
发明内容
本发明针对探针端面为锥面的光纤探针传感器制作工艺复杂、一致性差，而探针端面为平面的光纤探针传感器无法准确测得空泡份额的问题，提出了一种平面型光纤探针传感器的空泡份额测量系统及计算方法，本申请采用探针端面为平面的光纤探针传感器作为测量工具，并利用阈值设置和干涉预判计算的方法来进行计算，能较精准的对变化趋势进行处理，从而能较准确的测量空泡份额。
为了解决上述问题，本发明提供了一种平面型光纤探针传感器的空泡份额测量系统，其特征在于：所述测量系统包括光源、耦合器、环形器、光电转换模块、采集模块、平面型光纤探针传感器和处理模块；
所述光源产生光束，并将产生的光束经过耦合器分成多束光；
经过耦合器分成的每束光束与一个环形器连接，并通过环形器分成两路，一路与光电转换模块相连，一路与平面型光纤探针传感器连接；
所述光电转换模块将平面型光纤探针传感器反射回来的光信号转换成电信号；
所述采集模块采集光电转换模块转换的电信号数据上传给处理模块。
本发明较优的技术方案：所述光源为ASE宽带光源；所述光电转换模块为光电转换电路板；所述处理模板为计算机。
本发明还提供了一种平面型光纤探针传感器的空泡份额的测量方法，其特征在于具体包括以下步骤：
(1)光源产生的光束经过耦合器分成多束光，每束光束与一个环形器连接，并通过环形器分成两路，一路与光电转换模块相连，一路与平面型光纤探针传感器连接；
(2)通过光电转换模块将平面型光纤探针传感器反射回来的光信号转换成电信号，然后通过采集模块采集多束光的电信号并上传给处理模块；
(3)通过处理模块将采集模块发送的由多束光电压信号拼接而成的电压信号U总拆分成多个通道的电压信号，其中步骤(2)中的多束光与多个通道的电压信号一一对应；
(4)每个通道电压信号是由多个离散点组成，将步骤(3)中的每个通道的电压信号中所有离散点i对应的电压信号值Ui-1进行归零化，使每个通道的每个电压信号值U都维持在0附近抖动；
(5)找出每个通道某一段无气泡经过时该通道所有离散点对应的电压信号值U中的最大值Umax和最小值Umin，并按照以下公式计算出每个通道的电压信号判断阈值UΔX：
UΔX＝0.3*(Umax-Umin)；
(6)将步骤(4)中每个通道中归零化处理后的所有电压信号值U通过步骤(5)中计算的阈值UΔX判断，得到新电压信号U′；每个离散点i的电压信号值Ui-1判断过程如下：
当Ui-1≥Umax+UΔX，则判断U′i-1＝1，
当Ui-1＜Umax+UΔX，则判断U′i-1＝0，
其中，i从0开始计数，第1个点对应的电压信号值为U0；
(7)根据步骤(6)中得到的新电压信号U′确定每个气泡刚经过光纤探针时的起始点即气泡起始点和光纤探针处于该气泡中这段时间内电压信号离散点的点数即气泡点数，并通过光纤探针探测出某一时间段的气泡个数；
具体过程为：首先以某个电压信号离散点i对应的新电压信号值U′i-1＝1时，将此电压信号值下标索引值i-1记为气泡起始点，然后按照顺序往后逐个判断U′i-1，U′i，U′i+1，....，U′i+n-2＝1，直到新电压信号值U′不为1时停止判断，此时对应的离散点数记为a，则有a-1＝i+n-2，计算出气泡点数n＝a-i+1；
(8)通过设置的点距N，将步骤(7)中计算出的参量进行合并，得出精准的参量，所述点距N＝100，当某个气泡结束点与下一个气泡起始点距离L小于点距N，则将当前第i个气泡起始点保持不变，删除第i+1个气泡的相关参量，使两个气泡合并为一个新的气泡，将气泡个数num＝num-1，合并后第i个气泡新的气泡点数：
n’＝Isi+1-Isi+ni+1，
其中：Isi为第i个气泡的气泡起始点，Isi+1为第i+1个气泡的气泡起始点，ni+1为第i+1个气泡通过的气泡点数；
当某个气泡结束点与下一个气泡起始点距离L≥N时，保持不变；依次得出较每个气泡准确的相关参量；
(9)根据步骤(8)中计算得出的新的气泡起始点和气泡点数，将步骤(6)处理后的新电压信号U′变为方波信号并显示；具体是根据步骤(8)中计算的新的气泡起始点和气泡点数确定每个新气泡在电压信号中对应的数据段，并将该段数据都变为1；
(10)根据步骤(8)中计算出的每个气泡的新的气泡点数n’以及对应气泡经过时采集模块采样的频率f，按照以下公式计算出每个气泡经过的时间t＝n’/f，则每个气泡匀速经过的长度l＝vt＝vn’/f，其中v为气泡上升速度；通过测出单位时间内每个气泡对应点数，可求出TN时间段内所有气泡总共经过的长度非气泡经过的总长度L1＝vT-L，其，其中T为单位时间，等于1s，再将L与L1求比值/>得出气泡与液体之间的比例，从而得出空泡份额；上述公式中所有的字母指代的参数相同，其中n为TN时间段内气泡点数累加的次数；
本发明较优的技术方案：所述步骤(4)中的每个通道的电压信号U归零化具体是：首先找出某一段无气泡经过时该通道电压信号中的最大值Umax和最小值Umin，再将该通道中的电压信号U的所有点值Ux减去最小值Umin，即可将电压信号保持在0附近抖动。
本发明较优的技术方案：所述步骤(8)中数据替换过程为：设定第i个气泡的气泡初始点为Isi，气泡点数为ni，则将电压信号中从起始点Isi开始，将长度为ni的这段数据都变为1；依次类推，将多个气泡在电压信号中的多段数据进行替换。
本发明较优的技术方案：所述步骤(8)中具体计算过程如下：设定第i个气泡的气泡起始点为Isi，气泡点数为ni，则其气泡结束点Iei＝Isi+ni；第i+1个气泡的气泡起始点为Isi+1，气泡点数为ni+1；第i个气泡的结束点与第i+1个气泡的起始点距离L＝Isi+1-Iei，当L<N时，则将第i个气泡的气泡起始点Isi保持不变，新的气泡点数n’＝Isi+1-Isi+ni+1。
本发明采用探针端面为平面的光纤探针传感器作为测量工具，并利用阈值设置和干涉预判计算的方法来进行计算，能较精准的对变化趋势进行处理，从而能较准确的测量空泡份额；从而解决了因探针端面为锥面的光纤探针传感器制作工艺复杂、一致性差，而探针端面为平面的光纤探针传感器无法准确测得空泡份额的问题。
附图说明
图1本发明中平面型光纤探针测量系统模块示意图；
图2本发明计算方法的流程图；
图3本发明原始信号与处理后信号。
图中：1—光源，2—耦合器，3—环形器，4—平面型光纤探针传感器，5—光电转换模块，6—采集模块，7—处理模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的一种平面型光纤探针传感器的空泡份额测量系统，如图1所示，包括光源1、耦合器2、环形器3、平面型光纤探针传感器4、光电转换模块5、采集模块6和处理模块7；所述光源产生光束，并将产生的光束经过耦合器分成多束光；经过耦合器分成的每束光束与一个环形器连接，并通过环形器分成两路，一路与光电转换模块相连，一路与平面型光纤探针传感器连接；所述光电转换模块将平面型光纤探针传感器反射回来的光信号转换成电信号；所述采集模块采集光电转换模块转换的电信号数据上传给处理模块。所述光源为ASE宽带光源；所述光电转换模块为光电转换电路板；所述处理模板为计算机。
实施例中的平面型光纤探针传感器的空泡份额的测量方法，具体步骤如下：ASE宽带光源1发出的光经过1x4耦合器2，分成四束光，每束光经过1x2环形器3入射到平面型光纤探针传感器4中，平面型光纤探针传感器4反射回的光信号经环形器3进入光电转换电路板中，光电转换电路板将光信号转化为电信号，以供采集卡采集，采集卡将采集到的数据通过UDP协议发送给计算机，计算机通过空泡程序将接受的数据进行处理并显示用户所需的结果。
实施例中的，计算机对空泡程序将接受的数据进行处理计算过程如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤一：计算机通过UDP协议接收采集卡采集的电压信号，计算机接受到的每包数据有1000个字节，其包含4个通道(4束光)的电压信号，其中两个字节合成一个16位数据(一个数据16bit)，也就是每包数据相当于有500个数据，所有数据从0开始编号，编号0,1,2,3分别对应四个通道第一个数据，依次类推，得出每个通道的电压信号，则每个通道的电压信号包含125个数据。
步骤二：电压信号由于在无气泡经过时，其趋势在-1.6附近抖动，为了方便计算，我们需要进行归零化，也就是将信号趋势变为在0附近抖动。首先找出某一段无气泡经过时该通道电压信号中的最大值Umax和最小值Umin，再将该通道中的电压信号U的所有点值Ux减去最小值Umin，即可将电压信号保持在0附近抖动；以通道1为例，其通道1的最大值Umax＝-1.63716，最小值Umin＝-1.64068，再将通道1当前电压信号中的所有数据减去最小值，即可将通道1中的电压信号保持在0～0.00351附近抖动，其他通道以此类推。
步骤三：找出每个通道某一段无气泡经过时该通道所有离散点对应的电压信号值U中的最大值Umax和最小值Umin，并按照以下公式计算出每个通道的电压信号判断阈值UΔX＝0.3*(Umax-Umin)，阈值UΔX的计算公式是根据多次实验标定得出的规律而设定的；将步骤二中每个通道中归零化处理后的所有电压信号值U通过阈值UΔX判断，得到新电压信号U′；每个离散点i的电压信号值Ui-1判断过程如下：
当Ui-1≥Umax+UΔX，则判断U′i-1＝1，
当Ui-1＜Umax+UΔX，则判断U′i-1＝0，
其中，i从0开始计数，第1个点对应的电压信号值为U0；
以通道1的计算为例，通道1的阈值UΔX＝0.3*(max-min)＝0.001053，将通道1中所有归零化处理后的电压信号值通过阈值进行判断，第1个数据(U0＝0.00061)<(Umax+UΔX＝0.004563)，则将U′0＝0；而(U9＝0.013123)≥(Umax+UΔX)，则将U′9＝1，其他数据依次类推；
步骤四：将上述处理后得到的新电压信号U′得出气泡起始点、气泡个数、气泡点数等参量；其中气泡起始点是指由于某个气泡刚经过光纤探针而引起的电压信号变大的起始点；气泡个数是指某一段时间内光纤探针探测到的气泡的个数，可以直接通过光纤探针探测出来；气泡点数是指光纤探针处于某个气泡中这一段时间的点数。具体过程为：首先以某个电压信号离散点i对应的新电压信号值U′i-1＝1时，将此电压信号值下标索引值i-1记为气泡起始点，然后按照顺序往后逐个判断U′i-1，U′i，U′i+1，....，U′i+n-2＝1，直到新电压信号值U′不为1时停止判断，此时对应的离散点数记为a，则有a-1＝i+n-2，计算出气泡点数n＝a-i+1；
以通道1为例，其通道1电压信号中第9个点的对应的新电压信号值数据U′8＝1，则记录此时i＝8值，记为气泡起始点，气泡个数为1，点数从i＝8开始，往后逐个判断，直到数据不为1为止，此时结束点为29，则U′8，U′9，....，U′28＝1，此时这21个点记作气泡点数，以此类推，气泡个数不断累加，气泡起始点与气泡点数一一对应；
步骤五：由于光的干涉，上述中的参量误差较大，一个气泡可能会被识别为多个气泡，需通过设置点距进行判断，得出更为精准的各项参量，通过设置的点距N，将步骤四中计算出的参量进行合并，得出精准的参量，点距N默认为100，此点距是根据多次实验标定得出的较为合适的值，且在光纤空泡传感器的测量范围内均适用。当某个气泡结束点与下一个气泡起始点距离L小于点距N，则将当前第i个气泡起始点保持不变，删除第i+1个气泡的相关参量，使两个气泡合并为一个新的气泡，将气泡个数num＝num-1，合并后第i个气泡新的气泡点数：
n’＝Isi+1-Isi+ni+1，
其中：Isi为第i个气泡的气泡起始点，Isi+1为第i+1个气泡的气泡起始点，ni+1为第i+1个气泡通过的气泡点数；
当某个气泡结束点与下一个气泡起始点距离L≥N时，保持不变；依次得出较每个气泡准确的相关参量；
具体计算过程比如：第1个气泡的气泡起始点is0＝8，气泡点数n0＝21，则其气泡结束点ie0＝is0+n0＝29；第2个气泡的气泡起始点is1＝55，气泡点数n1＝25；第1个气泡的结束点与第2个气泡的起始点距离L＝is1-ie0＝26，其小于点距100，则将第1个气泡的气泡起始点is0保持不变，令合并后新的气泡点数n’＝is1-is0+n1＝72，再将气泡个数num＝num-1，删除第2个气泡的相关参量，以此使两个气泡合并为一个新的气泡；依次类推，得出较为准确的相关参量；
步骤六：将经步骤三处理后的电压信号近似成方波信号并显示；具体是根据步骤(7)中计算的气泡起始点和气泡点数确定每个气泡在电压信号中对应的数据段，并将该段数据都变为1；比如上述步骤中计算出的气泡起始点is0＝8及气泡点数n0＝72，将电压信号中x8，....，x79此段数据进行替换，都变为1；依次类推，将多个气泡在电压信号中的多段数据进行替换；
步骤七：采集卡的采样频率f＝25kHz，根据第1个气泡的气泡点数n0＝72，可以求出该气泡经过的时间t0＝n0/f＝2.88ms，气泡是匀速上升且速度为v，则气泡经过的长度l0＝vt0，其他气泡依次类推，可计算出单位时间1s内所有气泡总共对应气泡点数n＝4250，可求出TN时间段所有气泡总共经过的长度非气泡经过的总长度/>其中T为单位时间1s，再将L与L1求比值/>得出气泡与液体之间的比例，从而得出空泡份额；上述公式中所有的字母指代的参数相同，其中n为TN时间段内气泡点数累加的次数；
如图3所示，此为原始电压信号与经过处理后生成的方波信号的对比图。
所述对比图中可看出，方波信号的区间段与原始信号的区间段基本一致，其表示测量出的各项参量与实际参量基本一致，此算法能较精准的对变化趋势进行处理，从而能较准确的测量空泡份额。
综上所述，本发明列举了一个实施例，但本发明不仅限于上述实施例，只要以任何相同或相似的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种平面型光纤探针传感器的空泡份额的测量方法，其特征在于具体包括以下步骤：
(1)光源产生的光束经过耦合器分成多束光，每束光束与一个环形器连接，并通过环形器分成两路，一路与光电转换模块相连，一路与平面型光纤探针传感器连接；
(2)通过光电转换模块将平面型光纤探针传感器反射回来的光信号转换成电信号，然后通过采集模块采集多束光的电信号并上传给处理模块；
(3)通过处理模块将采集模块发送的由多束光电压信号拼接而成的电压信号U总拆分成多个通道的电压信号，其中步骤(2)中的多束光与多个通道的电压信号一一对应；
(4)每个通道电压信号是由多个离散点组成，将步骤(3)中的每个通道的电压信号中所有离散点i对应的电压信号值Ui-1进行归零化，使每个通道的每个电压信号值U都维持在0附近抖动；
(5)找出每个通道某一段无气泡经过时该通道所有离散点对应的电压信号值U中的最大值Umax和最小值Umin，并按照以下公式计算出每个通道的电压信号判断阈值UΔX：
UΔX＝0.3*(Umax-Umin)；
(6)将步骤(4)中每个通道中归零化处理后的所有电压信号值U通过步骤(5)中计算的阈值UΔX判断，得到新电压信号U′；每个离散点i的电压信号值Ui-1判断过程如下：
当Ui-1≥Umax+UΔX，则判断Ui′-1＝1，
当Ui-1＜Umax+UΔX，则判断U′i-1＝0，
其中，i从0开始计数，第1个点对应的电压信号值为U0；
(7)根据步骤(6)中得到的新电压信号U′确定每个气泡刚经过光纤探针时的起始点即气泡起始点和光纤探针处于该气泡中这段时间内电压信号离散点的点数即气泡点数，并通过光纤探针探测出某一时间段的气泡个数；
具体过程为：首先以某个电压信号离散点i对应的新电压信号值U′i-1＝1时，将此电压信号值下标索引值i-1记为气泡起始点，然后按照顺序往后逐个判断U′i-1，U′i，U′i+1，....，U′i+n-2＝1，直到新电压信号值U′不为1时停止判断，此时对应的离散点数记为a，则有a-1＝i+n-2，计算出气泡点数n＝a-i+1；
(8)通过设置的点距N，将步骤(7)中计算出的参量进行合并，得出精准的参量，所述点距N＝100，当某个气泡结束点与下一个气泡起始点距离L小于点距N，则将当前第i个气泡起始点保持不变，删除第i+1个气泡的相关参量，使两个气泡合并为一个新的气泡，将气泡个数num＝num-1，合并后第i个气泡新的气泡点数：
n’＝Isi+1-Isi+ni+1，
其中：Isi为第i个气泡的气泡起始点，Isi+1为第i+1个气泡的气泡起始点，ni+1为第i+1个气泡通过的气泡点数；
当某个气泡结束点与下一个气泡起始点距离L≥N时，保持不变；依次得出较每个气泡准确的相关参量；
(9)根据步骤(8)中计算得出的新的气泡起始点和气泡点数，将步骤(6)处理后的新电压信号U′变为方波信号并显示；具体是根据步骤(8)中计算的新的气泡起始点和气泡点数确定每个新气泡在电压信号中对应的数据段，并将该段数据都变为1；
(10)根据步骤(8)中计算出的每个气泡的新的气泡点数n’以及对应气泡经过时采集模块采样的频率f，按照以下公式计算出每个气泡经过的时间t＝n’/f，则每个气泡匀速经过的长度l＝vt＝vn’/f，其中v为气泡上升速度；通过测出单位时间内每个气泡对应点数，可求出TN时间段内所有气泡总共经过的长度非气泡经过的总长度L1＝vT-L，其，其中T为单位时间，等于1s，再将L与L1求比值/>得出气泡与液体之间的比例，从而得出空泡份额；上述公式中所有的字母指代的参数相同，其中n为TN时间段内气泡点数累加的次数。
2.根据权利要求1所述的一种平面型光纤探针传感器的空泡份额的测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中的每个通道的电压信号U归零化具体是：首先找出某一段无气泡经过时该通道电压信号中的最大值Umax和最小值Umin，再将该通道中的电压信号U的所有点值Ux减去最小值Umin，即可将电压信号保持在0附近抖动。
3.根据权利要求1所述的一种平面型光纤探针传感器的空泡份额的测量方法，其特征在于：所述步骤(8)中数据替换过程为：设定第i个气泡的气泡初始点为Isi，气泡点数为ni，则将电压信号中从起始点Isi开始，将长度为ni的这段数据都变为1；依次类推，将多个气泡在电压信号中的多段数据进行替换。
4.根据权利要求1所述的一种平面型光纤探针传感器的空泡份额的测量方法，其特征在于：所述步骤(8)中具体计算过程如下：设定第i个气泡的气泡起始点为Isi，气泡点数为ni，则其气泡结束点Iei＝Isi+ni；第i+1个气泡的气泡起始点为Isi+1，气泡点数为ni+1；第i个气泡的结束点与第i+1个气泡的起始点距离L＝Isi+1-Iei，当L<N时，则将第i个气泡的气泡起始点Isi保持不变，新的气泡点数n’＝Isi+1-Isi+ni+1。
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