專利名稱：光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種熱工水力及多相流局部參數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
氣(汽)液兩相流動(dòng)廣泛的存在于熱能動(dòng)力工程、油氣運(yùn)輸、化學(xué)工程及核工程等實(shí)際工業(yè)過程中。水管鍋爐、核動(dòng)力反應(yīng)堆及蒸汽發(fā)生器、鼓泡式化學(xué)反應(yīng)器等設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都離不開兩相流動(dòng)與沸騰傳熱的理論指導(dǎo)。世界上工業(yè)強(qiáng)國(guó)都曾先后投入了大量的人力物力進(jìn)行兩相流熱工水力實(shí)驗(yàn)研究，不斷地對(duì)兩相流測(cè)量技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。早期的研究主要針對(duì)流量、壓降、溫度、流型及平均空泡份額等總體參量，近似認(rèn)為氣液兩相沿徑向位置均勻分布或者采用一定的假設(shè)獲得一些參數(shù)的截面平均值。然而隨著人類對(duì)兩相流動(dòng)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)及測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，研究表明兩相流體系中氣相或者氣液交界面沿徑向位置并非均勻分布。相界面參數(shù)的非均勻分布會(huì)導(dǎo)致局部傳熱傳質(zhì)能力的變化，在流動(dòng)沸騰中甚至帶來局部傳熱惡化，從而給兩相流動(dòng)及沸騰傳熱相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)及運(yùn)行帶來困難，因此必須深入對(duì)兩相流系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。 通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)科學(xué)假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證從而建立起新的理論是科學(xué)研究的必經(jīng)之路。目前兩相流動(dòng)及沸騰傳熱機(jī)理研究尚不成熟，主要通過實(shí)驗(yàn)獲取經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式以指導(dǎo)工程應(yīng)用。隨著人類實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，相關(guān)研究從宏觀總體參量細(xì)化到局部界面參數(shù)。準(zhǔn)確獲得兩相流系統(tǒng)中氣液界面參數(shù)，如空泡份額，氣泡頻率，界面面積濃度及氣泡當(dāng)量直徑等的分布特性，對(duì)研究?jī)上嗔鲃?dòng)與沸騰機(jī)理有重要意義。同時(shí)兩流體模型是目前公認(rèn)的最接近實(shí)際物理過程的兩相流模型，但兩流體模型中構(gòu)筑界面輸運(yùn)方程的重要參數(shù)一界面面積濃度目前也需通過實(shí)驗(yàn)獲取，因此，準(zhǔn)確測(cè)量?jī)上嗔鹘缑婷娣e濃度也是兩流體模型能否取得實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)鍵。對(duì)界面面積額濃度及空泡份額的測(cè)量有高速攝影法、化學(xué)方法、射線衰減法及探針法等，其中前三種屬于平均量測(cè)量方法，只能獲取截面平均值，不能給出徑向局部界面濃度分布。而且當(dāng)氣泡比較密集時(shí)，由于相互遮擋，高速攝像法及射線衰減法等精度無法保證。探針法是目前被廣泛用于局部界面參數(shù)測(cè)量的方法，主要分為兩類一類是電導(dǎo)探針法(如Zhao D J, Guo L J, Lin C Z, et al. An experimental study on localinterfacial area concentration using a double-sensor probe. Int. J. Heat MassTransfer 48 (2005) 1926-1935 ;Kim S，Ishii M, Wu Q et al. Interfacial structures ofconfined air-water two-phase bubbly flow. Experimental Thermal Fluid Science26 (2002) 461-472)，這類實(shí)驗(yàn)裝置采用的電導(dǎo)探針制作工藝復(fù)雜，探針頭部絕緣技術(shù)尚不成熟，而且采用電信號(hào)辨別容易受到外部電磁場(chǎng)的干擾，給測(cè)量帶來困難；另一類是光學(xué)探針方法(如Barrau E，Riviere N，Poupot C，et al. Single and double optical probesin air-water two-phase flows real time signal processing an sensor performance.Int. J. Multiphase Flow. 25 (1999) 229-256 ;孫奇，趙華，楊瑞昌.靜止液相中氣泡上升過程的分布特性[J]化工學(xué)報(bào)，2003，54 (9) :1310-1314)，這類實(shí)驗(yàn)裝置釆用的光學(xué)探針響應(yīng)頻率高，抗干擾能力強(qiáng)，但也有不足之處，主要表現(xiàn)為錐面光纖探頭制作工藝復(fù)雜，需從專門的制作廠家購(gòu)買，而此類光纖使用壽命較短、造價(jià)昂貴，給研究帶來巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。同時(shí)大通道內(nèi)兩相流動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架一般都比較高大，調(diào)節(jié)光學(xué)探針時(shí)，如何做到精確的定位及移動(dòng)，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和多路光電信號(hào)的同步轉(zhuǎn)化等都是需要解決的問題。因此以上提到的探針測(cè)量方法不適合大量推廣使用。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相流局部界面參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量的光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是包括激光源、光 電轉(zhuǎn)換及放大裝置、光學(xué)探針、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，激光源、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別布置在光電轉(zhuǎn)換及放大裝置的兩側(cè)，光學(xué)探針安裝在探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，激光源、光電轉(zhuǎn)換及放大裝置、光學(xué)探針、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成光路，光學(xué)探針置于被測(cè)流體里。本實(shí)用新型還可以包括I、所述的光電轉(zhuǎn)換及放大裝置包括Y型光纖耦合器、光電轉(zhuǎn)化器、放大器，所述的Y型光纖耦合器包括第一-第四Y型光纖耦合器，每個(gè)Y型光纖耦合器為一個(gè)輸入端兩個(gè)輸出端，第一 Y型光纖耦合器的輸出端置于第二、第三Y型光纖耦合器輸入端前，第四Y型光纖率禹合器第一輸出端面向第二光纖I禹合器第一輸出端設(shè)置，第四Y型光纖I禹合器第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置，第四Y型光纖耦合器輸入端面向光學(xué)探針、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的機(jī)構(gòu)布置，光電轉(zhuǎn)化器連接放大器，放大器連接用于采集信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2、還包括第五Y型光纖耦合器，所述的光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有兩組，第四Y型光纖耦合器與第一組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第一機(jī)構(gòu)，第五Y型光纖耦合器與第二組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第二機(jī)構(gòu)，第五Y型光纖率禹合器的第一輸出端面向第二光纖I禹合器的第二輸出端設(shè)置，第五Y型光纖I禹合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置。3、還包括第五、第六Y型光纖耦合器，所述的光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有三組；第四Y型光纖耦合器與第一組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第一機(jī)構(gòu)，第五Y型光纖耦合器與第二組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第二機(jī)構(gòu)，第六Y型光纖耦合器與第三組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第三機(jī)構(gòu)；第五Y型光纖率禹合器的第一輸出端面向第二光纖I禹合器的第二輸出端設(shè)置，第五Y型光纖I禹合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置；第六Y型光纖I禹合器的第一輸出端面向第三光纖I禹合器的第一輸出端設(shè)置，第六Y型光纖I禹合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置。4、還包括第五-第七Y型光纖耦合器，所述的光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有四組；第四Y型光纖耦合器與第一組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第一機(jī)構(gòu)，第五Y型光纖耦合器與第二組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第二機(jī)構(gòu)，第六Y型光纖耦合器與第三組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第三機(jī)構(gòu)，第七Y型光纖耦合器與第四組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第四機(jī)構(gòu)；第五Y型光纖耦合器的第一輸出端面向第二光纖I禹合器的第二輸出端設(shè)置，第五Y型光纖I禹合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置;第六Y型光纖I禹合器的第一輸出端面向第三光纖I禹合器的第一輸出端設(shè)置，第六Y型光纖耦合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置，第七Y型光纖耦合器的第一輸出端面向第三光纖I禹合器的第二輸出端設(shè)置，第七Y型光纖I禹合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置。5、所述的光學(xué)探針有四層不銹鋼管、且沿著主流方向直徑逐級(jí)增大，最外層不銹鋼管作為探針主體支撐垂直于流體流動(dòng)方向，由外向內(nèi)第二層不銹鋼管彎曲90°、以使內(nèi)層不銹鋼管及光學(xué)探針的探頭纖芯平行于流體流動(dòng)方向。6、所述的探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括控制電機(jī)、絲桿、滑軌、線性模組、固定裝置、前行程開關(guān)、后行程開關(guān)，控制電機(jī)通過絲桿連接滑軌，線性模組安裝在滑軌上沿滑軌移動(dòng)，固定裝置固定在滑軌一端將滑軌與盛裝被測(cè)流體的容器固定在一起，光學(xué)探針安裝在線性模組上，前行程開關(guān)、后行程開關(guān)分別安裝在滑軌的兩端控制線性模組的極限位置。7、還包括伺服驅(qū)動(dòng)器、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器，所述的探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 控制器為編碼器5，伺服驅(qū)動(dòng)器安裝在滑軌上連接控制電機(jī)和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器。本實(shí)用新型的優(yōu)勢(shì)在于I、本實(shí)用新型通過系統(tǒng)和設(shè)備的合理設(shè)計(jì)使實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集兩相流系統(tǒng)中局部界面參數(shù)。2、本實(shí)用新型設(shè)計(jì)制作的光學(xué)探針采用平端面探頭，制作工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉；采用耐高溫膠密封則可將探針用于沸騰通道內(nèi)局部界面參數(shù)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)裝置多用。3、本實(shí)用新型設(shè)計(jì)制作的四通道光電轉(zhuǎn)換及放大裝置能實(shí)現(xiàn)放大倍率的可調(diào)節(jié)及液相基值的可調(diào)節(jié)性；四個(gè)光電回路相互獨(dú)立，控制面板上能實(shí)時(shí)顯示輸出電壓值。4、本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)探針的精確定位與驅(qū)動(dòng)，最小移動(dòng)間距為1mm，定位精度達(dá)O. 02mm。探針準(zhǔn)確定位及移動(dòng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控。改變定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸向位置，還能測(cè)出不同軸向位置的分布，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)多用。

圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的光學(xué)探針結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型的光電轉(zhuǎn)換放大裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖舉例對(duì)本實(shí)用新型做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖I 4，一種光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，主要包括激光源、四通道光電轉(zhuǎn)換及放大裝置、光纖耦合器、光學(xué)探針、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器、光電轉(zhuǎn)換器、多級(jí)放大器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)采集軟件和實(shí)驗(yàn)段。所述的光學(xué)探針采用纖芯直徑9微米的單模光纖，包層為125微米；光纖連接頭采用圓形斜口 APC接頭。光纖外套有四層不銹鋼管，使得探頭沿著主流方向逐級(jí)增大，既可減小對(duì)流場(chǎng)的干擾，又能使探針有足夠的強(qiáng)度抵抗氣泡造成的震動(dòng)。最外層不銹鋼管作為探針主體支撐，垂直于流動(dòng)方向；由外向內(nèi)第二層不銹鋼管彎曲90°，以使內(nèi)層不銹鋼管及探頭纖芯平行于流動(dòng)方向。探頭端面橫向間距及沿流動(dòng)方向前后間距采用讀數(shù)顯微鏡測(cè)得，分別為O. 5mm和I. 1mm。不銹鋼管結(jié)合處采用防水強(qiáng)力膠密封，以防止實(shí)驗(yàn)段中流體工質(zhì)沿探針泄露。所述的四通道光電轉(zhuǎn)換及放大裝置是一個(gè)自主設(shè)計(jì)及制造的儀器，由光纖耦合器，光電轉(zhuǎn)換器，多級(jí)放大器及相關(guān)按鈕和光、電回路組成。Y型光纖耦合器能將入射光均分為兩組，同時(shí)能從光纖中分離出反射光；光電轉(zhuǎn)換器為光敏元件，能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出電信號(hào)和光強(qiáng)成正比；多級(jí)放大器可將電壓信號(hào)放大，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)放大倍率的可調(diào)。四通道光電轉(zhuǎn)換及放大裝置能同時(shí)供四路光纖使用，可實(shí)現(xiàn)四探頭探針信號(hào)轉(zhuǎn)換及放大，其內(nèi)電子元件響應(yīng)頻率最低值為15kHz，滿足常見兩相流局部參數(shù)響應(yīng)頻率需求。所述的探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由控制器、編碼器5、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和線 性模組五部分組成，其中控制器及編碼器5、伺服驅(qū)動(dòng)器、和伺服電機(jī)共同構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán) 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)探針在兩相流動(dòng)管道中的精確移動(dòng)和定位。通過控制器中的megal28單片機(jī)，控制探針在管道中徑向的運(yùn)動(dòng)過程。該裝置利用了弱電控制強(qiáng)電的原理，采用PID調(diào)節(jié)方式，通過伺服驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，其輸出的PWM波控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，并對(duì)電機(jī)有過流保護(hù)的作用。線性模組是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器以內(nèi)部直接聯(lián)接的方式與絲桿相接，并通過滾珠絲杠和滑軌將電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。在滑軌上裝有夾片，用于固定探針，并帶動(dòng)探針做直線運(yùn)動(dòng)。模組總移動(dòng)行程達(dá)100mm，反復(fù)定位精確度為O. 02_。伺服電機(jī)主要靠脈沖來定位。在電機(jī)的后端，裝有光電編碼器5，其每轉(zhuǎn)分度500線，對(duì)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，編碼都會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖，并反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，這樣，系統(tǒng)根據(jù)發(fā)出和接收的脈沖，能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在本裝置的滑軌上還裝有兩個(gè)行程限位開關(guān)，能防止電機(jī)失控或操作失誤而損壞裝置自身及探針。本裝置利用前進(jìn)、后退按鈕遠(yuǎn)程控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)探針移動(dòng)定位，并且可以一次移動(dòng)探針1mm、3mm和4mm三個(gè)行程。這三個(gè)一次行程檔位可通過控制面板上的按鈕進(jìn)行轉(zhuǎn)換。控制面板上的顯示屏可實(shí)時(shí)方便的顯示探針?biāo)诘奈恢?。測(cè)量系統(tǒng)中還包括激光源、NI高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及采集軟件以及相應(yīng)的各種光纖接頭，用于光纖輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采集及光回路和電回路的完整連接。運(yùn)行中，光纖探針由定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)精確定位及沿徑向位置移動(dòng)，移動(dòng)的幅度及測(cè)點(diǎn)位置由探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器控制。探頭處于氣相時(shí)的輸出電壓相對(duì)于液相時(shí)的放大倍率，由四通道光電轉(zhuǎn)換裝置控制面板控制。采樣頻率由計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制。測(cè)量空泡份額及氣泡頻率時(shí)以前端探頭的信號(hào)為準(zhǔn)，測(cè)量軸向界面速度及界面面積濃度時(shí)需同時(shí)用到前后兩個(gè)探頭的信號(hào)。氣泡尺寸通過前后兩個(gè)探頭的信號(hào)特性分析得到。測(cè)量前先將探針定位于通道中心位置，通過光學(xué)方法使探針探頭方向與流動(dòng)方向一致并位于通道中軸線上，然后啟動(dòng)探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，將控制器中初始位置設(shè)定為零點(diǎn)。啟動(dòng)光源及四通道光電轉(zhuǎn)換及放大系統(tǒng)，通過其控制面板上的放大倍率旋鈕，選擇合適的氣液兩相輸出電壓放大倍率。最后啟動(dòng)NI高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)及采集軟件，設(shè)定合適的采樣頻率及采樣時(shí)間，記錄探針輸出的電壓信號(hào)以供數(shù)據(jù)處理。某一徑向測(cè)點(diǎn)探針信號(hào)數(shù)據(jù)采集完畢后通過探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器移動(dòng)探針到新的測(cè)點(diǎn)，探針沿徑向位置坐標(biāo)可通過定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器顯示屏獲得。待探頭移動(dòng)到新的測(cè)點(diǎn)后通過采集系統(tǒng)采集探針信號(hào)，然后重復(fù)移動(dòng)探頭徑向位置。整個(gè)測(cè)量過程中只需進(jìn)行初始定位，其它實(shí)驗(yàn)可通過探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完全實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。所述的測(cè)量裝置既可以進(jìn)行氣液兩相局部界面參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)不同徑向位置的精確定位與移動(dòng)。局部界面參數(shù)包括空泡份額、氣泡頻率、軸向界面速度、界面面積濃度及氣泡當(dāng)量直徑。結(jié)合測(cè)點(diǎn)的徑向位置坐標(biāo)，將局部界面參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿娣e加權(quán)平均，還能獲得相應(yīng)的截面平均值。其中不同的局部界面參數(shù)通過對(duì)不同的探針信號(hào)處理獲得。測(cè)量空泡份額時(shí)以前端探頭的信號(hào)為準(zhǔn)。探頭端面處于氣相和液相時(shí)分別對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)高電壓和低電壓，因此通過求取前端探頭信號(hào)高電壓占總采集時(shí)間的份額即為測(cè)點(diǎn)局部位置的時(shí)間平均空泡份額。實(shí)際運(yùn)行時(shí)由于探針刺破氣泡會(huì)有信號(hào)延遲，因此相應(yīng)信號(hào)上升和下降都有一個(gè)過程，相應(yīng)的方波發(fā)生變形，在確定氣相和液相分界點(diǎn)時(shí)需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取一定的閾值。目前探針閾值選取的方法有根據(jù)其它測(cè)量手段對(duì)比選擇法和根據(jù)探針 自身信號(hào)嘗試選擇閾值兩大類，兩種方法都很常見。探針閾值由探針固有的特性決定，一旦探針制作完成，其閾值系數(shù)就已經(jīng)確定，因此每個(gè)探針只需進(jìn)行一次閾值選擇即可完成所有實(shí)驗(yàn)。氣泡頻率測(cè)量時(shí)也以前端探頭的信號(hào)為準(zhǔn)。每一個(gè)高電位對(duì)應(yīng)于一個(gè)相應(yīng)的氣泡經(jīng)過前端探頭端面，因此直接統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)前端探頭輸出信號(hào)出現(xiàn)高電位的次數(shù)即可獲得局部測(cè)點(diǎn)的氣泡頻率。軸向界面速度測(cè)量需同時(shí)用到前后兩個(gè)探頭的信號(hào)。前后探頭信號(hào)上升起始點(diǎn)的時(shí)間差即為氣液界面經(jīng)過前后探頭端面的時(shí)間間隔，結(jié)合前后探頭軸向間距可求得軸向界面速度。由于通道中氣泡數(shù)量較多，因此獲得的軸向界面速度是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，通常所說的軸向界面速度指其平均值。眾多學(xué)者已經(jīng)提出了大量根據(jù)軸向界面速度及氣泡頻率計(jì)算時(shí)間平均界面面積濃度的方法。通過對(duì)所得的軸向界面速度做統(tǒng)計(jì)分析處理，可對(duì)界面濃度進(jìn)行修正，得到更加接近實(shí)際情況的界面面積濃度。氣泡當(dāng)量直徑處理時(shí)根據(jù)得到的空泡份額，氣泡頻率及界面面積濃度，采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算獲得。一種光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，主要包括激光源I、四通道光電轉(zhuǎn)換及放大裝置2、光學(xué)探針7、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)8、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器5、光電轉(zhuǎn)換器14、多級(jí)放大器13、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)采集軟件3和實(shí)驗(yàn)段6。光源采用ASE-Clight source激光源，具有教高的輸出能量，高穩(wěn)定性及輸出頻譜寬等特點(diǎn)(600-1700nm)。Y型光纖耦合器能將光訊號(hào)從一條光線中分支多條光纖，實(shí)現(xiàn)多通道共用光源，同時(shí)也能將探頭反射光分離。如圖2所示，光纖探針采用纖芯直徑9微米的單模光纖，包層為125微米；光纖連接頭采用圓形斜口 APC接頭。光纖外套有四層不銹鋼管，使得探頭沿著主流方向逐級(jí)增大(依次分別為O. 5mm不銹鋼毛細(xì)管7-4、I. 5mm不銹鋼管7_3、2. 5mm不銹鋼管7_2及4. 45mm不銹鋼管7-1)，既可減小對(duì)流場(chǎng)的干擾，又能使探針有足夠的強(qiáng)度抵抗氣泡造成的震動(dòng)。最外層不銹鋼管作為探針主體支撐，垂直于流動(dòng)方向；由外向內(nèi)第二層不銹鋼管彎曲90°，以使內(nèi)層不銹鋼管及探頭纖芯平行于流動(dòng)方向。探頭端面橫向間距及沿流動(dòng)方向前后間距采用讀數(shù)顯微鏡測(cè)得，分別為O. 5mm和I. 1mm。不銹鋼管結(jié)合處采用防水強(qiáng)力膠密封，以防止實(shí)驗(yàn)段中流體工質(zhì)沿探針泄露。如圖3所示，四通道光電轉(zhuǎn)換及放大裝置是一個(gè)自主設(shè)計(jì)及制造的儀器，由Y型光纖耦合器9 12、光電轉(zhuǎn)換器14，多級(jí)放大器13及相關(guān)按鈕和光、電回路組成(光路如圖中虛線所示，電路如圖中細(xì)實(shí)線所示)。Y型光纖耦合器能將入射光均分為兩組，二級(jí)分光后將光源入射光均分為四組，分別作為四路光纖的入射光源。同時(shí)耦合器能從光纖中分離出反射光，并將反射光輸送至光電轉(zhuǎn)換器14;光電轉(zhuǎn)換器為光敏元件，其輸出的電信號(hào)強(qiáng)度和光強(qiáng)成正比；多級(jí)放大器可將電信號(hào)逐級(jí)放大，從而實(shí)現(xiàn)放大倍率的可調(diào)節(jié)性。在探頭處于氣相時(shí)輸出電壓大約為液相時(shí)的3 8倍，可根據(jù)需要選擇不同的放大倍率。該裝置內(nèi)電子元件響應(yīng)頻率最低值為15kHz，滿足常見兩相流局部參數(shù)響應(yīng)頻率需求。如圖4所示，探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由控制器，編碼器5，伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)及線性模組五部分組成，其中控制器、編碼器5，伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)共同構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)探針在兩相流動(dòng)管道中的精確移動(dòng)和定位。控制器中使用megal28單片機(jī)，通過 對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)探針在兩相流動(dòng)管道中前進(jìn)與后退的運(yùn)動(dòng)。該裝置利用了弱電控制強(qiáng)電的原理，使用伺服驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。裝置中的伺服驅(qū)動(dòng)器8-3采用PID調(diào)節(jié)方式，通過輸出PWM波控制電機(jī)8-1的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，同時(shí)對(duì)電機(jī)有過流保護(hù)的作用。線性模組8-6是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器以內(nèi)部直接聯(lián)接的方式與絲桿8-2相接，并通過滾珠絲杠和滑軌8-4將電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。在滑軌上裝有夾片8-5，用于固定探針7，并帶動(dòng)探針做直線運(yùn)動(dòng)。模組總移動(dòng)行程達(dá)100mm，反復(fù)定位精確度為O. 02_。伺服電機(jī)主要靠脈沖來定位，在電機(jī)的后端，裝有光電編碼器5，其每轉(zhuǎn)分度500線，對(duì)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，編碼都會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖，并反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，這樣，系統(tǒng)根據(jù)發(fā)出和接收的脈沖，能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在本裝置的滑軌上還裝有兩個(gè)行程限位開關(guān)(前行程開關(guān)8-11和后行程開關(guān)8-10)，能防止電機(jī)失控或操作失誤而損壞裝置自身及探針。探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體由固定裝置8-8與實(shí)驗(yàn)段相連。本裝置利用前進(jìn)、后退按鈕遠(yuǎn)程控制探針移動(dòng)及定位，每次觸發(fā)按鈕可移動(dòng)探針1mm、3mm和4mm三種行程。這三個(gè)一次行程檔位可通過控制面板上的按鈕進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在控制面板上，還有一個(gè)顯示屏，可隨時(shí)讀取探針?biāo)诘奈恢谩?br> 權(quán)利要求1.光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是包括激光源、光電轉(zhuǎn)換及放大裝置、光學(xué)探針、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，激光源、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別布置在光電轉(zhuǎn)換及放大裝置的兩側(cè)，光學(xué)探針安裝在探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，激光源、光電轉(zhuǎn)換及放大裝置、光學(xué)探針、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成光路，光學(xué)探針置于被測(cè)流體里。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是所述的光電轉(zhuǎn)換及放大裝置包括Y型光纖耦合器、光電轉(zhuǎn)化器、放大器，所述的Y型光纖耦合器包括第一-第四Y型光纖耦合器，每個(gè)Y型光纖耦合器為一個(gè)輸入端兩個(gè)輸出端，第一 Y型光纖I禹合器的輸出端置于第二、第三Y型光纖I禹合器輸入端前,第四Y型光纖I禹合器第一輸出端面向第二光纖I禹合器第一輸出端設(shè)置，第四Y型光纖I禹合器第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置，第四Y型光纖耦合器輸入端面向光學(xué)探針、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的機(jī)構(gòu)布置，光電轉(zhuǎn)化器連接放大器，放大器連接用于采集信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是還包括第五Y型光纖耦合器，所述的光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有兩組，第四Y型光纖耦合器與第一組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第一機(jī)構(gòu)，第五Y型光纖耦合器與第二組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第二機(jī)構(gòu)，第五Y型光纖耦合器的第一輸出端面向第二光纖I禹合器的第二輸出端設(shè)置，第五Y型光纖I禹合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是還包括第五、第六Y型光纖耦合器，所述的光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有三組；第四Y型光纖耦合器與第一組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第一機(jī)構(gòu)，第五Y型光纖耦合器與第二組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第二機(jī)構(gòu)，第六Y型光纖耦合器與第三組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第三機(jī)構(gòu)；第五Y型光纖耦合器的第一輸出端面向第二光纖I禹合器的第二輸出端設(shè)置，第五Y型光纖I禹合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置；第六Y型光纖I禹合器的第一輸出端面向第三光纖I禹合器的第一輸出端設(shè)置,第六Y型光纖I禹合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是還包括第五-第七Y型光纖耦合器，所述的光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有四組；第四Y型光纖耦合器與第一組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第一機(jī)構(gòu)，第五Y型光纖耦合器與第二組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第二機(jī)構(gòu)，第六Y型光纖耦合器與第三組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第三機(jī)構(gòu)，第七Y型光纖耦合器與第四組光學(xué)探針和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合形成第四機(jī)構(gòu)；第五Y型光纖耦合器的第一輸出端面向第二光纖I禹合器的第二輸出端設(shè)置，第五Y型光纖I禹合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置；第六Y型光纖f禹合器的第一輸出端面向第三光纖f禹合器的第一輸出端設(shè)置,第六Y型光纖率禹合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置，第七Y型光纖I禹合器的第一輸出端面向第三光纖耦合器的第二輸出端設(shè)置，第七Y型光纖耦合器的第二輸出端面向光電轉(zhuǎn)化器布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是所述的光學(xué)探針有四層不銹鋼管、且沿著主流方向直徑逐級(jí)增大，最外層不銹鋼管作為探針主體支撐垂直于流體流動(dòng)方向，由外向內(nèi)第二層不銹鋼管彎曲90°、以使內(nèi)層不銹鋼管及光學(xué)探針的探頭纖芯平行于流體流動(dòng)方向。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是所述的探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括控制電機(jī)、絲桿、滑軌、線性模組、固定裝置、前行程開關(guān)、后行程開關(guān)，控制電機(jī)通過絲桿連接滑軌，線性模組安裝在滑軌上沿滑軌移動(dòng)，固定裝置固定在滑軌一端將滑軌與盛裝被測(cè)流體的容器固定在一起，光學(xué)探針安裝在線性模組上，前行程開關(guān)、后行程開關(guān)分別安裝在滑軌的兩端控制線性模組的極限位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是所述的探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括控制電機(jī)、絲桿、滑軌、線性模組、固定裝置、前行程開關(guān)、后行程開關(guān)，控制電機(jī)通過絲桿連接滑軌，線性模組安裝在滑軌上沿滑軌移動(dòng)，固定裝置固定在滑軌一端將滑軌與盛裝被測(cè)流體的容器固定在一起，光學(xué)探針安裝在線性模組上，前行程開關(guān)、后行程開關(guān)分別安裝在滑軌的兩端控制線性模組的極限位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是還包括伺服驅(qū)動(dòng)器、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器，所述的探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器為編碼器，伺服驅(qū)動(dòng)器安裝在滑軌上連接控制電機(jī)和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，其特征是還包括伺服驅(qū)動(dòng)器、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器，所述的探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器為編碼器，伺服驅(qū)動(dòng)器安裝在滑軌上連接控制電機(jī)和探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器。
專利摘要本實(shí)用新型的目的在于提供光學(xué)探針法測(cè)量?jī)上嗔骶植拷缑鎱?shù)裝置，包括激光源、光電轉(zhuǎn)換及放大裝置、光學(xué)探針、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，激光源、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別布置在光電轉(zhuǎn)換及放大裝置的兩側(cè)，光學(xué)探針安裝在探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，激光源、光電轉(zhuǎn)換及放大裝置、光學(xué)探針、探針定位及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成光路，光學(xué)探針置于被測(cè)流體里。本實(shí)用新型通過系統(tǒng)和設(shè)備的合理設(shè)計(jì)使實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集兩相流系統(tǒng)中局部界面參數(shù)，光學(xué)探針采用平端面探頭，制作工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉；采用耐高溫膠密封則可將探針用于沸騰通道內(nèi)局部界面參數(shù)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)裝置多用。
文檔編號(hào)G01M10/00GK202614499SQ201220171388
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者孫立成, 幸奠川, 苑立波, 楊軍, 閻昌琪, 孫中寧, 曹夏昕, 王建軍, 田道貴, 孫波 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)