CN114136922A - 一种基于tdlas技术的气波管内波系运动的光学检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的检测方法，在气波管内通入含某组分的气体，通过TDLAS设备可实现非接触式采集管内因气波运动产生的光强变化信号；并对光强信号进行处理，从而得到管内特定气体组分的浓度信号特征量，以实现对高频非定常波系运动特征的检测。本发明所采用的光学检测是一种非接触式在线检测方法，检测装置简单、安全、环保，响应频率快，填补了非定常气波检测领域的空白。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种气波管内含湿、含甲烷混合气体的高频运动特征，尤其涉及的是一种气波管内高频非定常波系运动特征的光学检测方法。
背景技术
膨胀制冷是利用气体压力能实现制冷的有效方式，常见的膨胀制冷机械有节流阀、透平膨胀机、气波制冷机等。相对于传统的节流膨胀与透平膨胀设备，气波制冷设备具有结构简单、加工容易、操作维护方便、可带液操作等优点，可用于轻烃回收、天然气处理等工业领域，具有广泛的应用前景。
气波制冷机通过气波管内气体非定常运动形成激波与膨胀波，从而实现能量交换达到制冷效果。当高压进气含有可凝组分时，由于膨胀波作用管内将发生非平衡凝结，释放凝结潜热，改变波系运动行为。而管内波系运动的改变以及冷热掺混会造成液滴的二次蒸发，进而影响气波制冷机的制冷效果。目前对于气波管内相变行为的计算多基于理想气体状态方程，未考虑水等极性分子之间的氢键作用；又由于有效实验手段的缺失，无法对管内波动流场中的液相参数(温度、质量分数等)进行测量，难以支撑数值模拟结果。因此，针对气波管高频复杂的波系非定常波系运动开发相应的检测手段，准确分析凝结与蒸发两种相变行为的关联和其对制冷效果的影响，对提高气波制冷机工作性能非常重要。
综上，实现对气波管内非定常流场中高频波系运动特征(尤其是存在含相变的条件下)的检测仍然是该领域的一大难题。本发明采用非接触式可调谐半导体激光吸收光谱技术(简称TDLAS技术)，通过采集气波管内含相变气体运动产生的光强变化信号，结合激波理论和气波运动过程的机理分析，建立一种气波管内高频非定常波系运动的光学检测方法。
发明内容
本发明的目的在于填补研究空白，提供一种高频气波管内波系运动特征的光学检测方法。通过非接触式采集气波管内水蒸气和甲烷气体运动过程中产生的光强信号并加以分析，利用LabVIEW软件处理数据，实现气波管内水蒸气浓度与甲烷浓度的高频瞬态检测，以探究管内凝结与蒸发行为对波系运动的影响。
本发明首先提供了一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测方法，其包括以下步骤：
(1)根据目标气体分子对红外光谱的特征吸收区，选择相匹配的激光器，布置TDLAS设备，在透明材质气波管外壁面设置1对或多对激光器发射端和接收端，获取测量位置光强信号；采用惰性气体通入气波管，获得校正光强信号的基线；
(2)通入待测气体，采集光强信号，并进行数据处理，得到气波管内目标气体浓度分布参数；
(3)根据步骤(2)得到的目标气体浓度分布参数获得气波波系运动特征。
优选的，所述步骤(1)中TDLAS设备由控制机箱、激光器、光纤、气体检测池、上位机组成，其中控制机箱包含放大器、数据采集卡；利用激光器的电流调制特性，激光器的输出波长在目标气体的吸收峰附近来回扫描的同时进行高频调制，激光穿过气体检测池后信号发生变化，通过光纤传输将带有气体浓度信号的光强信号传输至控制机箱；在控制机箱内，光强信号经过放大器放大、滤波、光/电转换后，由数据采集卡采集至上位机，进行信号处理得到浓度信息。
优选的，所述步骤(1)中，还包括获取标准曲线的步骤，其方法为：通入不同已知浓度的目标气体，利用TDLAS设备获得浓度测量值，根据测量值与真实值绘制标准曲线，获得校正系数；
所述步骤(2)中数据处理时，先将获取得到的光强信号扣除步骤(1)中获得的校正光强信号的基线，然后对扣除基线后的光强信号进行转换得到浓度信号，之后根据校正系数对各个检测位置的浓度信号进行校正，并根据校正后的浓度信号得到气波管内目标气体浓度分布参数。
所述步骤(2)中，先将获取得到的光强随时间的变化信号扣除步骤(1)中获得的校正光强信号的基线，是为了除去气波管内原有气体的干扰，使激光信号处于零吸收状态。
标准曲线的必要性在于，TDLAS的浓度测量机理基于朗伯-比尔定律，而气波管各个位置的激光穿透率有所差异，在每个测量位置都需要对标准曲线进行测定。
优选的，步骤(1)中，同种目标气体可布置1-2个不同波长的激光器；对不同目标气体可同时布置多个不同波长的激光器同时进行检测；当激光器的布置数量为多个时，激光器沿平行于轴线方向布置在透明材质气波管的外壁面上。
优选的，所述步骤(2)的数据处理基于朗伯-比尔定律，采用LabVIEW软件，对锁相提取的二次谐波信号进行数据滤波、背景扣除以及信号转换计算。
在对光信号进行光电转换和前置放大系统处会引入噪声，主要包含散粒噪声、热噪声、频率噪声等。三种噪声都可通过降低电路通频带来减小，其中，频率噪声与调制频率成反比，可通过提高调制频率来减小。在进行波长调制时伴随着振幅调制，会产生残余幅度调制噪声，使谐波信号产生偏移，可通过背景扣除法来消除。根据消噪和背景扣除后的二次谐波信号，推算待测气体的吸收线型，计算出吸收系数值和待测气体浓度大小。
优选的，所述步骤(3)中的描述气波波系运动特征的参数主要是由气体浓度在待测位置的变化情况分析获得下列a～d中的一项或多项，：
a.根据所测气体浓度信号的波形变化，判断分析激波、膨胀波、凝结激波的存在与强度；
b.根据所测气体浓度信号的出峰频率,检测气波管内激波生成频率；
c.根据所测气体浓度信号峰形的持续时间，检测气波管内单个激波持续时间；
d.根据水蒸气浓度信号与压力信号，检测气波管内流体特性变化。
优选的，所述d项中，当气波管内出现流体相态变化时，即存在气相向液相转变的行为时，水蒸气浓度信号会出现减小的趋势，即为出现凝结激波，通过与压力信号相对比，可实现气波管内凝结激波的检测和管内液含率大小的检测。
本发明还公开了一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测装置，该检测装置包括至少1组TDLAS激光器、光纤、控制机箱和上位机；根据管内所测气体组分不同，选择不同波长的TDLAS激光器，TDLAS激光器发射端与接收端分别置于透明气波管同一轴向位置的两侧并对齐光路，光强信号通过光纤传输至控制机箱内，控制机箱进行光电信号转换、信号放大、锁相提取、信号采集，采集到的信号传输至上位机进行数据处理分析，得到表征气波管内波系运动特征的参数。
当激光器数量增加时，发射端和接收端优先沿气波管轴向均匀布置；当需要对某一已设置检测点位置附近进行浓度信号的完整变化过程检测时，在该检测点的附近沿轴向均匀布置激光器的发射-接收端。
优选的，所述TDLAS激光器的频率响应特性相同，频率响应范围为1Hz～1MHz。
本发明具有以下优点：本发明是一种非接触式光学检测方法，在恶劣的环境中进行检测时与其他检测方法相比具有显著优势；因其响应频率快，可实现实时在线测量；高分辨率的光谱技术，使其不受其他气体的干扰，测量精度高；检测装置简单、安全、环保；采用多TDLAS激光器发射-接收阵列，可与多压力传感器数据对比，有效实现气波管内尤其是含相变时高频波系运动特征；有效填补了相关领域检测手段的空白。
附图说明
图1是本发明的检测装置结构示意图；
图2是TDLAS设备软件程序界面图；
图3是TDLAS设备校正得到的标准曲线；
图4是气波管中压力脉动图；
图5是TDLAS激波经过时水蒸气浓度信号瞬间变化的信号值。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测方法适用于实际工业过程气波管内波系运动的检测，只需气波管具备透明检测视窗、或者具备一段一定长度的透明管段、或者允许加装一段透明管段即可。本发明可实现对气波管内非定常流场中高频波系运动特征(尤其是存在含相变的条件下)的检测。
以下结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本实施例结合两套可产生激波的试验装置阐述技术效果，本发明产生激波的装置，可以为旋转式单激波管(图1(a))或破膜式激波管(图1(b))。为使激光可以穿透管道，激波管选择透明材质的有机玻璃管或石英玻璃管。破膜式激波管在管道中间设置爆破激波片，当进入管道内测试气体压强上升至爆破片的承压极限时，膜片破裂的瞬间因压力差的存在，于爆破片前段形成初始激波。
图1(a)的旋转式单激波管，由开放式单激波管1、激光器2、控制机箱3、上位机4组成。本实施例选择激波管材质为石英玻璃管。
气波检测装置包括至少1组TDLAS激光器、光纤、控制机箱和上位机；根据管内所测气体组分不同，选择不同波长的TDLAS激光器，TDLAS激光器发射端与接收端分别置于透明气波管同一轴向位置的两侧并对齐光路，光强信号通过光纤传输至控制机箱内，控制机箱进行光电信号转换、信号放大、锁相提取、信号采集，采集到的信号传输至上位机进行数据处理分析，得到表征气波管内波系运动特征的参数。
激光器的光路发射端和接收端置于管道1同一轴线位置的两侧，并保持处于同一直线。需要说明的是，图1仅示例的设置一对激光器发射端和接收端的情形，事实上，可布置多个激光器(每个激光器包含一对发射端和接收端)，例如针对同种目标气体可布置1-2个不同波长的激光器；例如可同时布置多个不同波长的激光器对不同目标气体同时进行检测。当激光器数量增加时，发射端和接收端优先沿气波管轴向均匀布置。优选的，所述TDLAS激光器的频率响应特性相同，频率响应相应范围为1Hz～1MHz。本发明基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测方法的包括以下步骤：
(1)根据目标气体分子对红外光谱的特征吸收区，选择相匹配的激光器，布置TDLAS设备，在透明材质气波管外壁面设置1对或多对激光器发射端和接收端，获取测量位置光强随时间的变化信号；其中，当设置多个激光器时，激光器沿平行于轴线方向布置在透明材质气波管的外壁面上；采用惰性气体通入气波管，获得校正光强信号的基线；
(2)通入待测气体，采集光强随时间的变化信号，并进行数据处理，得到气波管内目标气体浓度分布参数；
(3)根据步骤(2)得到的目标气体浓度分布参数获得气波波系运动特征。
本实施例中气波波系运动特征的检测如下：
旋转式单激波管的进气管与气波管之间通过转盘进行隔断(进气管与转盘、转盘与气波管间距不宜过大，本实施例中为1mm)，气波管与进气管截面大小相同，转盘上设置有若干(至少一个)与气波管截面相同的喷射孔，三者处于同一直线上。在实验过程中，电机驱动转盘高速旋转(通过变频器对转速进行调节)，当转盘旋转至进气管截面、转盘进气口截面与气波管截面三者重合时，高压饱和湿气瞬时进入气波管，压缩管内气体形成压缩波，通过压缩波的追赶行为最终形成激波。在形成激波的过程中，利用本发明提出的检测系统实时采集气波管内波系运动产生的水蒸气浓度信号。在实验过程中，气波管压力比为1.1-10.0，进气频率为10.0-500Hz。
本发明的数据处理基于朗伯比尔定律，采用LabVIEW软件，对锁相提取的二次谐波信号进行数据滤波、背景扣除以及信号转换计算。图2是TDLAS设备的LabVIEW软件程序界面图。
在本发明的一个具体实施例中，以甲烷或水蒸气为目标气体，图3是校正TDLAS设备得到的标准曲线，气波管各个部位的激光穿透率有所差异，并且不能保证每次实验时光程相同，故在每个测量位置都需要对原始测量值进行校正，绘制标准曲线。校正过程为：对于甲烷，配置至少5种不同浓度的甲烷-惰性气体得到甲烷浓度测量值(其中甲烷体积分数小于20％)，测量值与理论值比较获得校正系数；对于水蒸气，配置至少5种不同浓度的水蒸气-惰性气体得到水蒸气浓度测量值，再与湿度计/露点仪的标准测量值(其测量准确性大于99％)比对，获得校正系数。根据校正系数得到标准曲线，后续实验测量值需带入标准曲线计算得到测量准确值，减少因位置变化引起的误差。
图4是气波管中压力脉动图；随着高压气体经转盘间歇性射入，射入气体与管内原有气体形成接触面，由于压缩波的追赶作用，在接触面前方将形成一道正激波，正激波经过的区域气体的压力、温度、速度、密度将形成强间断面。根据压力传感器阵列，可计算出激波速度，可由正激波前后参数公式计算出状态参数比值。公式如下：
上述公式中，ν为激波速度，a为当地声速，M为激波马赫数，γ为待测气体的比热比，P为压力，ρ为密度，T为温度。其中下标1表示激波面前的物理量，下标2表示激波面后的物理量。
本发明中，描述气波波系运动特征的参数主要是由气体浓度在待测位置的变化情况分析获得下列a～d中的一项或多项，：
a.根据所测气体浓度信号的波形变化，判断分析激波、膨胀波、凝结激波的存在与强度；
b.根据所测气体浓度信号的出峰频率,检测气波管内激波生成频率；
c.根据所测气体浓度信号峰形的持续时间，检测气波管内单个激波持续时间；
d.根据水蒸气浓度信号与压力信号，检测气波管内流体特性变化。当气波管内出现流体相态变化时，即存在气相向液相转变的行为时，水蒸气浓度信号会出现减小的趋势，即为出现凝结激波，通过与压力信号相对比，可实现气波管内凝结激波的检测和管内液含率大小的检测。
图5是本发明一个具体实施例测得的激波经过时水蒸气浓度信号瞬间变化的信号值。由压力传感器数值结合前述公式可理论计算出正激波经过前后各状态参数的变化，但水蒸气组分随状态参数的变化易发生相变，释放凝结潜热，进一步使得气波管中各状态参数发生改变，故可根据TDLAS浓度信号测量值判断相关波系的运动行为以及是否有凝结激波的出现。图中第一道峰可认为是高压射气过程中做功气体产生的膨胀波的作用，使得该位置的温度、压力下降，大量水蒸气发生非平衡凝结，使水蒸气浓度下降；第二道峰可认为是由于水蒸气凝结放热，使得部分凝结的液态水重新气化为水蒸气；最后出现的测量值小幅度波动可认为是凝结现象与反射膨胀波的相互作用，使得水蒸气出现复杂的相态变化，故而浓度信号出现振荡现象。本测量值可以较好地与计算流体力学模拟仿真的结果对应，说明了测量值趋势的合理性。因此，根据浓度信号测量值、一维非定常流体力学相关理论和计算流体力学手段，可对气波管内液含量进行表征，揭示相态变化的发生机制，并进一步阐释气波管内气体实际运动与理论推导的差异，指导持液气波管的高效设计。
实验结果表明，本发明提供的光学检测方法可以用于气波管内波系运动特征的检测，揭示激波的形成和运动过程，获取相变发生的信息，且具备较好的准确性和可行性。
Claims (10)
1.一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据目标气体分子对红外光谱的特征吸收区，选择相匹配的激光器，布置TDLAS设备，在透明材质气波管外壁面设置1对或多对激光器发射端和接收端，获取测量位置光强信号；采用惰性气体通入气波管，获得校正光强信号的基线；
(2)通入待测气体，采集光强信号，并进行数据处理，得到气波管内目标气体浓度分布参数；
(3)根据步骤(2)得到的目标气体浓度分布参数获得气波波系运动特征。
2.根据权利要求1所述的气波管内波系运动特征的光学检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中TDLAS设备由控制机箱、激光器、光纤、气体检测池、上位机组成，其中控制机箱包含放大器、数据采集卡；利用激光器的电流调制特性，激光器的输出波长在目标气体的吸收峰附近来回扫描的同时进行高频调制，激光穿过气体检测池后信号发生变化，通过光纤传输将带有气体浓度信号的光强信号传输至控制机箱；在控制机箱内，光强信号经过放大器放大、滤波、光/电转换后，由数据采集卡采集至上位机，进行信号处理得到浓度信息。
3.根据权利要求1所述的气波管内波系运动特征的光学检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，还包括获取标准曲线的步骤，其方法为：通入不同已知浓度的目标气体，利用TDLAS设备获得各个检测位置的浓度测量值，根据测量值与真实值绘制标准曲线，获得各个位置的校正系数；
所述步骤(2)中数据处理时，先将获取得到的光强信号扣除步骤(1)中获得的校正光强信号的基线，然后对扣除基线后的光强信号进行转换得到浓度信号，之后根据校正系数对各个检测位置的浓度信号进行校正，并根据校正后的浓度信号得到气波管内目标气体浓度分布参数。
4.根据权利要求1所述的气波管内波系运动特征的光学检测方法，其特征在于，步骤(1)中，同种目标气体可布置1-2个不同波长的激光器；对不同目标气体可同时布置多个不同波长的激光器同时进行检测；当激光器的布置数量为多个时，激光器沿平行于轴线方向布置在透明材质气波管的外壁面上。
5.根据权利要求1所述的气波管内波系运动特征的光学检测方法，其特征在于，所述步骤(2)的数据处理基于朗伯-比尔定律，采用LabVIEW软件，对锁相提取的二次谐波信号进行数据滤波、背景扣除以及信号转换计算。
6.根据权利要求1所述的气波管内波系运动特征的光学检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中的描述气波波系运动特征的参数主要是由气体浓度在待测位置的变化情况分析获得下列a～d中的一项或多项，：
a.根据所测气体浓度信号的波形变化，判断分析激波、膨胀波、凝结激波的存在与强度；
b.根据所测气体浓度信号的出峰频率,检测气波管内激波生成频率；
c.根据所测气体浓度信号峰形的持续时间，检测气波管内单个激波持续时间；
d.根据水蒸气浓度信号与压力信号，检测气波管内流体特性变化。
7.根据权利要求6所述的气波管内波系运动特征的光学检测方法，其特征在于，所述d项中，当气波管内出现流体相态变化时，即存在气相向液相转变的行为时，水蒸气浓度信号会出现减小的趋势，即为出现凝结激波，通过与压力信号相对比，可实现气波管内凝结激波的检测和管内液含率大小的检测。
8.一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测装置，其特征在于，该检测装置包括至少1组TDLAS激光器、光纤、控制机箱和上位机；根据管内所测气体组分不同，选择不同波长的TDLAS激光器，TDLAS激光器发射端与接收端分别置于透明气波管同一轴向位置的两侧并对齐光路，光强信号通过光纤传输至控制机箱内，控制机箱进行光电信号转换、信号放大、锁相提取、信号采集，采集到的信号传输至上位机进行数据处理分析，得到表征气波管内波系运动特征的参数。
9.根据权利要求8所述的一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的而光学检测装置，其特征在于，当激光器数量增加时，发射端和接收端优先沿气波管轴向均匀布置；当需要对某一已设置检测点位置附近进行浓度信号的完整变化过程检测时，在该检测点的附近沿轴向均匀布置激光器的发射-接收端。
10.根据权利8所述的一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的而光学检测装置，其特征在于所述TDLAS激光器的频率响应特性相同，频率响应范围为1Hz～1MHz。
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