CN1258080C - 扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪 - Google Patents

Abstract

一种扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪，用于测量仪器技术领域。本发明包括：可编程控制导轨架、两个微调支座、颗粒粒径和浓度光学传感器、A/D转换器、计算机。其中颗粒粒径和浓度光学传感器为分离结构，由发射端和接收端构成，它们分别被安装在微调支座上，微调支座固定在可编程控制导轨架上，发射端和接收端采集到的光电信号通过导线连接到A/D转换器的输入端，A/D转换器输出的数字信号通过导线传输到计算机。本发明主要应用于各种喷嘴的喷雾场研究，对喷嘴的工作介质没有特殊要求，甚至可以用来测量气固两相喷射流内固相颗粒的粒径和浓度的空间分布，采样区域大，浓度测量误差小，测量过程易于自动化，实验测量周期短。

Description

扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪

技术领域

本发明涉及雾滴粒径和浓度空间分布的分析仪，特别是一种扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪。用于测量仪器技术领域。

背景技术

喷嘴在化工、能源、环保等诸多工业领域有着广泛应用，喷雾的雾滴颗粒和浓度及其在空间分布情况对喷嘴使用性能有很大影响。同时喷雾物理过程十分复杂，现阶段单纯依靠理论方法尚难以准确求解雾滴场中颗粒和浓度及其在空间分布，实验测量仍是这类研究和应用工作中主要手段之一。喷雾过程是一个动态的气液两相流过程，雾滴粒径小且在空间和时间上存在都非常有限，因此测量工作难度很大。近三十年来科研人员对喷雾测量技术进行了大量研究工作，取得了一些成果。其中光学方法具有非接触测量的特点，特别适用于诸如雾滴这样的气液带粒两相流的测量，在现有喷雾测量技术占有主导地位。

最具代表性的是激光相位多普勒(简称PDA或PDPA)技术，研究人员经常利用它来对喷雾情况进行研究，Frank Puschmann等人在期刊《Experimental Thermaland Fluid Science》(期刊中文名称《实验传热和流体科学》)的2004年28卷上发表了“Transient measurement of heat transfer in metal quenching withatomized sprays”一文，该文介绍了用PDA对喷雾后雾滴在热金属表面蒸发情况进行测量的情况，以此来研究雾滴传热。PDA技术利用多对聚焦激光束从不同方向入射到雾滴表面，利用从雾滴表面散射光波的相位差求取粒径。这种仪器在使用时不足之处主要体现在：测量区小，具有很高空间分辨率的同时也牺牲了测量数据的代表性，测量数据用于计算浓度时误差较大；对于非球形颗粒测量结果难以给出合理的粒径解释，对非球形颗粒测量的误差较大；PDA是种点测量技术，完成一个喷雾场的测量周期较长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足和缺陷，提供一种扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪，即利用颗粒和浓度光学传感器和可编程控制导轨架构成的扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪，使其具有采样区域大，测量结果在空间域内具有较高的代表性，浓度测量误差小，可得到空间各点雾滴粒径和浓度，测量过程易于自动化，实验测量周期短。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：可编程控制导轨架、两个微调支座、颗粒粒径和浓度光学传感器、A/D转换器、计算机。其中颗粒粒径和浓度光学传感器为分离结构，由发射端和接收端构成，它们分别被安装在微调支座上，微调支座固定在可编程控制导轨架上，发射端和接收端采集到的光电信号通过导线连接到A/D转换器的输入端，A/D转换器输出的数字信号通过导线传输到计算机。

本发明工作时，喷雾雾滴自颗粒粒径和浓度光学传感器的发射端和接收端之间的空间流过，利用颗粒粒径和浓度光学传感器和可编程控制导轨架完成喷雾场中一系列直线上雾滴平均粒径和浓度的测量，测量不同直线时位置的变动由可编程控制导轨架扫描完成，而在对一条直线上雾滴粒径和浓度进行测量时，可编程控制导轨架静止，每个位置测量结果及空间位置坐标由计算机记录。完成对这个喷雾场的扫描后，由计算机根据记录的一系列雾滴粒径和浓度测量数据及空间位置坐标结合层析算法计算喷雾场雾滴粒径和浓度在三维空间的分布。

本发明中可编程控制导轨架是颗粒粒径和浓度光学传感器以及微调支座的支撑和固定支架，它在沿着水平和垂直方向对喷雾场的扫描的同时，也确定每一测量直线的空间位置坐标。可编程控制导轨架上固定有U型悬臂梁，悬臂梁的前端安装微调支座，U型悬臂梁之间是测量时喷雾流动区域。

微调支座连接着可编程控制导轨架和颗粒粒径和浓度光学传感器，微调支座上带有上下、左右方向、水平转动的调节装置，用于调整颗粒粒径和浓度光学传感器发射端和接收端的相对位置，使穿越喷雾场的光束能被正确地接收。

测量时颗粒粒径和浓度光学传感器的发射端和接收端同轴布置，发射端和接收端之间的同轴位置要求通过微调支座的调节功能实现。发射端包括：参考光引导光纤、空间滤波器、限束器、光电转换器、放大电路、半导体激光器和封装体。接收端包括：凸透镜、光阑、观察镜、光电接收器件、信号放大电路和封装体。发射端封装体和接收端封装体前部和后部均有小孔，它们构成了保护空气的通道。保护空气用来隔离污染物，同时前面的小孔也是测量用光束的通道，颗粒粒径和浓度光学传感器采集和处理的模拟信号经由导线输入到A/D转换器。

激光器是整个系统测量信号的能量源，为了减小颗粒粒径和浓度光学传感器尺寸，发射端采用半导体激光器；发射端内的参考光传导光纤采集的光能信号经由光纤传输到光电转换器，由光信号转换为电信号；电信号输入到放大电路放大以适合于传输，该电信号用来修正测量过程中由于种种因素导致的入射光强度的脉动；空间滤波器用来剔除激光中高阶模杂散光，提高测量用入射光束的质量；利用限束器得到测量所需直径光束，提高测量精度；封装体在起到保护内部器件作用的同时，还作为同微调支座的连接件。凸透镜用来对透射光进行傅立叶变换；光阑用来剔除雾滴散射光，保证透射光的接收；光电转换器将接收到的透射光信号转换为电信号，方便信号的处理；放大电路将光电转换器转换的电信号进行放大，使其适合于从导线传输；通过观察镜操作人员可以观察到透射光束经过凸透镜后在光阑上的聚焦情况，方便分析仪光路的调整工作；保护空气用于防止雾滴和其它灰尘颗粒通过小孔进入发射端或接收端内部。

A/D转换器将颗粒粒径和浓度光学传感器测量得到的电信号由模拟量转换为数字量，使其能够在较远距离上传输和适合于计算机处理；在颗粒粒径和浓度光学传感器的发射端和接收端内部分别得到了表示参考光强度和透射光强度的电信号，上述电信号分别输入到A/D转换器内部转换为数字信号，这些数字信号经由导线输入到计算机。

计算机通过指令控制可编程控制导轨架在水平和垂直方向上的移动，接收从颗粒粒径和浓度光学传感器发射端和接收端输入的参考光信号和透射光信号并根据相应理论计算雾滴粒径和浓度，并负责记录各个测量位置的坐标值及雾滴粒径和浓度，然后根据层析理论和扫描过程测量记录的位置坐标、雾滴粒径、浓度数据，计算三维空间雾滴的粒径和浓度分布，结果存储在计算机内，并按一定方式进行输出，供有关人员进行分析。

本发明将颗粒粒径和浓度光学传感器、可编程控制导轨架、计算机有机结合，使系统具有对喷雾场扫描的能力，同时通过颗粒粒径和浓度光学传感器测量每一条直线上雾滴粒径和浓度，然后结合计算机的记录和运算能力，求解出喷雾场粒径和浓度在三维空间的分布。同现有喷雾测量技术相比具有如下优势：采样区域大，分析仪以平行光束为探头，由其照亮的喷雾区域为测量区，较PDA测量区的体积增大许多倍，测量结果在空间域内具有较高的代表性，同时通过对多直线上对雾滴采样测量并结合层析算法，可以计算得到空间各点的雾滴粒径和浓度；用雾滴的投影面积换算其粒径，减小了非球形雾滴对测量结果的影响；本发明可以用来测量、分析喷嘴附近液体分裂雾化过程，为研究喷雾复杂区域内粒径变化情况提供了测量手段；测量过程以扫描形式进行，数据采集、分析易于实现自动化；对整个喷嘴雾化场的实验测量周期短。

附图说明

图1本发明总体结构示意图

图2本发明微调支座结构示意图

图3本发明颗粒粒径和浓度光学传感器发射端结构示意图

图4本发明颗粒粒径和浓度光学传感器接收端结构示意图

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括：可编程控制导轨架1、颗粒粒径和浓度光学传感器2、两个微调支座3、A/D转换器6、计算机7，颗粒粒径和浓度光学传感器2为分离结构，由发射端4和接收端5构成，它们分别被设置在两个微调支座3上，两个微调支座3分别固定在可编程控制导轨架1上，发射端4和接收端5采集的光电信号通过导线连接到A/D转换器6的输入端，A/D转换器输出的数字信号通过导线传输到计算机7。

可编程控制导轨架1带有U型悬臂梁8，U型悬臂梁2前端分别设置有微调支座3，颗粒粒径和浓度光学传感器2的发射端4和接收端5设置在微调支座3上，发射端4和接收端5之间构成了喷雾流动的区域。

微调支座3用于连接可编程控制导轨架1与颗粒粒径和浓度光学传感器2的发射端4和接收端5，微调支座3上带有上下、左右方向平移、水平转动的调节装置，用于调整发射端4和接收端5间的相对位置，保证透射光束的正确接收。微调支座3由紧固件9、垂直方向微调装置10、连接底座11、水平转动件12、水平转动螺栓13、左右方向微调螺栓对14、水平移动件15、支撑件16组成。微调支座3通过连接底座11连接在可编程控制导轨架1上；通过垂直方向微调装置10、左右水平方向上的螺栓对14调节发射端4和接收端5的相对位置，使从发射端4射出的光束经聚焦后准确进入接收端5的光阑内；水平转动微调螺栓对13调节光束相对于光阑的入射角，进一步保证透射光的完全接收；紧固件9有支撑件16顶部加工的带有缺口的通孔和螺栓构成，通孔直径略大于颗粒粒径和浓度光学传感器的发射端4和接收端5外径，由于材料的弹性，当拧紧螺栓时通孔直径缩小，将颗粒粒径和浓度光学传感器夹紧。水平转动件12与连接底座11用间隙配合相连接，水平转动微调螺栓对13与连接底座11用螺纹连接，水平转动微调螺栓对13通过作用在水平转动件12上的突肩使其在水平面上的一定角度内转动；水平移动件15利用燕尾槽同水平转动件12相连接，通过螺栓对14可以调节水平移动件15在水平方向上的位置；支撑件16同垂直方向微调装置10利用螺纹连接，当调节垂直方向微调装置10时，支撑件16随之一起运动，从而调节颗粒粒径和浓度光学传感器在垂直方向的位置。

发射端4包括：放大电路17、光电转换器18、半导体激光器19、参考光引导光纤20、空间滤波器21、限束器22和封装体23，其连接方式为：参考光引导光纤20固定在半导体激光器19旁，空间滤波器21、限束器22、半导体激光器19依次排列，封装在封装体23内，光电转换器18、放大电路17均安装在封装体23后部。

接收端5包括：封装体24、凸透镜25、观察镜26、光阑27、光电接收器28和信号放大电路29，凸透镜25与光阑27间的距离等于凸透镜的焦距。其连接方式为：凸透镜25、光阑27、光电接收器28、信号放大电路29封装在封装体24内部，凸透镜25通过连接件固定在封装体24上，光阑27利用紧固螺纹固定在封装体24台阶孔内，观察镜26安装在封装体24的侧壁上，用于调试光路时观察聚焦透射光的接收情况。测量时发射端4和接收端5同轴布置，发射端封装体和接收端封装体后部和正面均有小孔，它们构成了保护空气的通道，同时正面的小孔也是光束的通道。

计算机7是本发明的控制和计算中心，计算机的控制功能主要是：根据操作人员的设定，向可编程控制导轨架1发出行走指令。其计算功能主要包括：依照相应的光学理论，根据颗粒传感器2在每个位置采集的光信号计算雾滴的粒径和浓度；通过可编程控制导轨架1的行走，带动传感器2完成对喷雾场的扫描，并记录下各个位置的空间坐标和相应的雾滴粒径和浓度；根据喷雾场中心对称特点，结合层析理论，计算三维空间雾滴的粒径和浓度分布。

结合本发明的内容提供以下实施例：

喷嘴被广泛地使用在科学研究和各类工业生产领域，喷嘴喷出雾滴的粒径和浓度及其在空间分布对使用性能有很大影响。同时喷雾过程极其复杂，实验仍是目前喷雾研究的重要方法之一，本发明可以为研究人员和工程技术人员提供实验测量雾滴粒径和浓度及其空间分布的设备，其实施方法如下：

搭建喷雾实验台，将喷嘴固定在一定的高度，喷雾方向向下。将可编程控制导轨架1置于实验台合适位置，使喷雾从可编程控制导轨架的悬臂梁8间的空间流过，并保证可编程控制导轨架水平和垂直移动时，固定在其悬臂梁8上的颗粒粒径和浓度光学传感器2的轴线能够完全扫描需要测量喷雾场的全部空间。

作为准备工作，测量前在计算机7上设定可编程控制导轨架的坐标原点，并根据实验需要给定可编程控制导轨架1在水平和垂直方向上扫描时的步进长度，然后进行测量。测量时，在每个步进长度上可编程控制导轨架1停留一定的时间，由颗粒粒径和浓度光学传感器2测量该位置直线上雾滴的粒径和浓度，测量得到的雾滴粒径、浓度数据以及空间位置数据均记录在计算机7内部；完成该点测量后可编程控制导轨架根据先前确定的扫描步长移动到下一个测量位置，如此反复，完成对喷雾场的扫描。最后由计算机7利用上述过程记录的粒径、浓度和空间坐标数据，依据相应的算法计算出雾滴粒径和浓度在空间的分布。

Claims (6)

1、一种扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪，包括：可编程控制导轨架(1)、颗粒粒径和浓度光学传感器(2)、两个微调支座(3)、A/D转换器(6)、计算机(7)，其特征在于，颗粒粒径和浓度光学传感器(2)为分离结构，由发射端(4)和接收端(5)构成，它们分别被设置在两个微调支座(3)上，两个微调支座(3)分别被固定在可编程控制导轨架(1)上，发射端(4)和接收端(5)测量的信号通过导线连接到A/D转换器(6)的输入端，A/D转换器(6)的输出端连接到计算机(7)，可编程控制导轨架(1)带有U型悬臂梁(8)，U型悬臂梁(2)前端分别安装微调支座(3)，发射端(4)和接收端(5)之间构成了喷雾流动的区域。

2、根据权利要求1所述的扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪，其特征是：微调支座(3)上带有上下、左右方向平移、水平转动的调节装置。

3、根据权利要求1或者2所述的扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪，其特征是：微调支座(3)具体包括：紧固件(9)、垂直方向微调装置(10)、连接底座(11)、水平转动件(12)、水平转动微调螺栓对(13)、左右方向微调螺栓对(14)、水平移动件(15)、支撑件(16)，微调支座(3)通过连接底座(11)连接在可编程控制导轨架(1)上，垂直方向上设有垂直方向微调装置(10)，左右水平方向上设有左右方向微调螺栓对(14)，水平转动微调螺栓对(13)与连接底座(11)用螺纹连接，水平转动件(12)与连接底座(11)用间隙配合相连接，水平移动件(15)利用燕尾槽同水平转动件(12)相连接，紧固件(9)由支撑件(16)顶部加工的带有缺口的通孔和螺栓构成，通孔直径略大于颗粒粒径和浓度光学传感器的发射端(4)和接收端(5)外径，支撑件(16)同垂直方向微调装置(10)利用螺纹连接，颗粒粒径和浓度光学传感器(2)的发射端(4)和接收端(5)分别用螺栓紧固在两个微调支座(3)的紧固件(9)上。

4、根据权利要求1所述的扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪，其特征是：发射端(4)包括：放大电路(17)、光电转换器(18)、半导体激光器(19)、参考光引导光纤(20)、空间滤波器(21)、限束器(22)和封装体(23)，其连接方式为：参考光引导光纤(20)固定在半导体激光器(19)旁，空间滤波器(21)、限束器(22)、半导体激光器(19)依次排列，封装在封装体(23)内，光电转换器(18)、放大电路(17)均安装在封装体(23)后部。

5、根据权利要求1所述的扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪，其特征是：接收端(5)由封装体(24)、凸透镜(25)、观察镜(26)、光阑(27)、光电接收器(28)和信号放大电路(29)组成，凸透镜(25)与光阑(27)间的距离等于凸透镜的焦距，其连接方式为：凸透镜(25)、光阑(27)、光电接收器(28)、信号放大电路(29)封装在封装体(24)内部，凸透镜(25)通过连接件固定在封装体(24)上，光阑(27)利用紧固螺纹固定在封装体(24)台阶孔内，观察镜(26)设置在封装体(24)的侧壁上。

6、根据权利要求2所述的扫描式喷嘴雾化场雾滴粒径和浓度空间分布分析仪，其特征是：测量时，发射端(4)和接收端(5)同轴布置，发射端封装体和接收端封装体后部和正面均有小孔，它们构成了保护空气的通道，同时正面的小孔也是光束的通道。

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