一种基于单根锥形光纤探针测量液滴直径的方法

1.本发明属于流量测量技术领域，涉及一种测量液滴直径的方法。


背景技术：

2.气液两相流广泛存在于能源、化工、食品制造等领域。当气相作为连续相，液相作为离散相时，往往会形成波状分层流和环状流等流型。在气液界面的相对速度较大时，作用在液膜界面的气相剪切应力超过液相表面张力，液滴就会从液膜界面夹带进入气芯。夹带液滴的特征参数(如大小、速度等)对研究两相流的压降、传热特性十分重要，也是影响两相流量能否准确测量的关键参数。目前对液滴的测量主要分为侵入式和非侵入式两类技术，其中非侵入式技术多为光学法，包括激光衍射法、拍摄法、相位多普勒法、粒子图像分析法等。多数光学方法需要透明的光学通道，可测量的粒子大小和浓度范围存在限制。侵入式技术主要包括电导探针和光纤探针，其测量的灵敏度高，侵入性小，十分适合浓度较大的离散相粒径测量。然而在测量中，由于液滴被探针刺破的弦长是随机的，因此现有的电导探针和光纤探针都只能测量得到离散相被刺破的弦长分布，而后采用适当的算法转化为直径分布。其中，基于概率统计思想推导出的粒子弦长与直径分布转化算法的准确实施需要具有足够的样本容量，在测量的粒子弦长数目较少时，无法获得准确的直径分布，而不论是电导探针还是光纤探针，目前尚未有任何一种探针可以直接测量离散相的直径。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于预信号强度预测单个被测液滴直径的方法，以达到仅使用单根光纤探针即可测量液滴速度、弦长和直径的目的。技术方案如下：
4.一种基于单根锥形光纤探针测量液滴直径的方法，所采用的锥形光纤探针系统，包括，包括dfb激光器、y形光纤耦合器、锥形光纤、光电探测器和数据采集卡，dfb激光器发出的单色红外激光，经过光纤耦合器分束后，光信号被传输到锥形光纤探针的尖端，尖端的反射光经过y形光纤耦合器的另一路被光电探测器接收到后转化为电信号并放大，之后被数据采集卡采集；液滴竖直落下被锥形光纤探针从某一弦长刺破；其特征在于，
5.步骤一：从锥形光纤的上方已知的不同高度处稳定地产生下落的液滴，控制液滴被锥形光纤从不同弦长位置刺穿，设定采样频率，在每个高度处采集光电探测器的输出信号，同时使用摄像机连续拍摄每个液滴的图像以获得该液滴的直径r；
6.设光电探测器在锥形光纤从刚接触到液滴开始前的一段时间t内采集的周期信号为预信号；处理光电探测器的输出信号，计算各个被测液滴的速度和弦长ld＝u
×
δt，其中λ表示激光波长；f表示预信号的振荡频率，对预信号做快速傅里叶变换得到预信号的振荡频率；δt表示某个液滴信号被光电探测器采集到的锥形光纤穿透整个液滴的持续时间；
7.步骤二：提取每个液滴信号的预信号幅值vf，即预信号的最大值；计算每个液滴信
号的预信号强度其中v
gas
表示气相电压，即锥形光纤探针的传感尖端暴露在空气中的光电探测器的输出信号，使用步骤一所得的液滴弦长ld与摄像机拍摄所得该液滴的直径r计算出液滴的穿刺位置d/r：
[0008][0009]
步骤三：线性拟合步骤二所得的各个液滴的预信号强度v
p
与穿刺位置d/r；
[0010]
步骤四：开始测量液滴直径；使用锥形光纤探针测量产生的下落液滴，采集光电探测器的输出信号，通过光电探测器的输出信号提取某个液滴的预信号强度v
p
后，代入步骤三确定的拟合关系式计算该液滴的穿刺位置d/r；
[0011]
步骤五：计算该液滴的速度和弦长ld＝u
×
δt，将光纤探针测量的液滴弦长ld和步骤四确定的穿刺位置d/r代入式中求解液滴的直径r。
[0012]
进一步地，t＝0.1ms。
[0013]
进一步地，所述的被光电探测器采集到的锥形光纤穿透整个液滴的持续时间，即光电探测器输出电压水平在0-20mv的信号的持续时间。
[0014]
进一步地，采样频率为40mhz。
[0015]
进一步地，步骤三线性拟合所得到的关系式为d/r＝-0.107v
p
0.692。
[0016]
进一步地，锥形光纤的尖端为研磨成35
°
圆锥角的裸纤尖端。
[0017]
进一步地，y形光纤耦合器的分裂比为50％：50％。
附图说明
[0018]
图1本发明使用的锥形光纤探针系统结构示意图
[0019]
图2摄像机光路和拍摄的一幅图像
[0020]
图3一个液滴信号
[0021]
图4预信号强度与穿刺位置的关系
具体实施方式
[0022]
本发明为解决侵入式探针技术无法直接测量离散相直径的问题，以注射器产生的液滴为研究对象，基于目前较为新颖的光纤反射计技术，使用单根锥形光纤探针测量液滴的弦长后，提供一种基于预信号强度预测单个被测液滴直径的方法，以达到仅使用单根光纤探针即可测量液滴速度、弦长和直径的目的。
[0023]
本发明使用的锥形光纤探针系统如图1所示，包括dfb激光器、y形光纤耦合器、单模锥形光纤、光电探测器、数据采集卡。使用光谱纯度较高的dfb激光器发出功率为5mw，波长为1550nm的单色红外激光，经过分裂比为50％：50％的单模y形光纤耦合器后，光信号被传输到锥形光纤探针的尖端，尖端的反射光经过耦合器的另一路被光电探测器接收到后转
化为电信号并放大，信号最终被数据采集卡采集。本发明中，锥形光纤使用corning smf-28e 低损耗单模光纤制作，纤芯直径为8.2um，包层的直径为125um，外部被外径250um的保护层覆盖。去除光纤端部的保护层露出裸纤，将裸纤的尖端研磨成35
°
圆锥角，以减小液滴在穿刺过程中的变形。所用光电转换器件为pin型铟镓砷光电探测器，响应时间为1.5ns，在1550nm波长下的响应度为0.9a/w，并具有200mhz的响应带宽。数据采集卡的型号为阿尔泰pci8512，采样频率设置为40mhz，采集方式为连续采集信号。
[0024]
液滴测量平台采用三轴坐标架固定注射器针头以稳定地产生液滴，锥形光纤探针固定在注射器针头正下方，在重力的作用下液滴会以一定竖直向下的速度被探针从某一弦长刺破。液滴的速度可以通过调节三轴坐标架控制注射器针头的高度来改变。为了清晰地观察液滴被光纤刺破的位置，以验证光纤探针测量液滴弦长的准确性，使用摄像机对液滴的下落过程进行了拍摄。该摄像机具有1440*1080pixels的分辨率，拍摄帧率为227hz。拍摄系统的简化光路如图2所示，将摄相机固定在液滴的右侧，光源发出的光经过45
°
镜面反射后被摄相机捕捉，这样设置的目的是只采用一台摄像机和一台光源实现对液滴与探针正面和90
°
侧面的成像，其正面和侧面分别对应图2中图像的左侧和右侧，以便显示液滴的大小和被探针穿刺的位置。
[0025]
以下将以前述注射器产生的液滴为目标对象，结合技术方案中的步骤方法，给出各步的参数设置和实施方法：
[0026]
步骤一：调节三轴坐标架，将注射器针头置于锥形光纤的上方6.9cm、12.9cm、18.9cm高度处稳定地产生下落的液滴。在实验过程中微调三轴坐标架，控制液滴被锥形光纤从不同弦长位置刺穿(该过程可以通过相机拍摄的图像直观地显示出来)，在每个高度处以40mhz的采样频率各采集了200s光电探测器的输出信号，同时使用摄像机连续拍摄每个液滴的图像以获得该液滴的直径。
[0027]
图3显示了一个液滴信号，当探针暴露在空气中时，部分光功率会从探针尖端界面反射回来被探测器接收到，形成一个较高的电平，定义为气相电平v
gas
。在液滴接触探针前的0.1ms时间内，液滴界面的反射光会进入探针，与探针界面的反射光发生干涉后形成震荡的光信号，称为预信号，其振荡频率可以用来计算液滴速度。当探针尖端刺入液滴后，几乎没有光功率可以反射回来，因此接收信号呈现低电平，电压水平在0-20mv，低电平的持续时间δt即为锥形光纤穿透整个液滴的持续时间。由式(1)和式(2)计算出被测液滴的速度u和弦长ld。
[0028][0029]
ld＝u
×
δt
ꢀꢀꢀ
(2)
[0030]
其中，λ为激光波长，f为液滴预信号的振荡频率，通过将预信号等间距分割为时长5μs的信号，对每段信号做快速傅里叶变换(fft)，提取该段信号的峰值频率，最后将多段信号的峰值频率求平均即可得到f。
[0031]
步骤二：提取每个液滴信号的预信号幅值vf，如图3中的“*”所示。然后由式(3)计算每个液滴的预信号强度v
p
，其定义为预信号的幅值vf与气相电压v
gas
的比值，将步骤一所得的液滴弦长ld与摄像机拍摄所得该液滴的直径r代入式(4)可计算出液滴的穿刺位置d/r。
[0032][0033][0034]
步骤三：寻找预信号强度和穿刺位置的关系，将特定穿刺位置范围(v
p
》1.5∩d/r《0.6)的液滴预信号强度v
p
与穿刺位置d/r线性拟合，如图4所示，其中包含三个高度下下落的液滴信号，可以看出它们具有相同的趋势。该拟合关系式被用于对液滴直径的推算，二者拟合关系如下：
[0035]
d/r＝-0.107v
p
0.692
ꢀꢀꢀ
(5)
[0036]
步骤四：拟合关系式确定后，即可开始测量液滴直径。使用该锥形光纤探针测量注射器产生的下落液滴，以40mhz的采样频率连续采集光电探测器的输出信号，通过光纤探针的测量信号提取预信号强度v
p
后，代入式(5)中计算该液滴的穿刺位置d/r。
[0037]
步骤五：通过式(1)和式(2)计算该液滴的弦长，由光纤探针测量的液滴弦长ld和穿刺位置d/r，代入式(4)中计算可得知该液滴的直径。
[0038]
为了证明本发明中单根锥形光纤探针测量液滴直径的可靠性，开展了验证实验。控制注射器在探针上方三个高度产生下落的液滴，被锥形光纤从不同的弦长刺穿，通过以上方法处理得到每个液滴的直径。在实验过程中，使用摄像机对液滴进行拍摄，最后将测量结果与拍摄所得的液滴直径进行比对。验证实验中的液滴信息如表1所示：
[0039]
表1液滴信息
[0040][0041]
上表共包含三个速度下的被测量液滴数据，可以观察到通过液滴预信号强度计算出穿刺位置后，可以较好地由液滴的弦长推算出该液滴的直径。与拍摄方法对比，光纤测量的液滴直径的最大绝对相对误差为5.55％，均方根误差为0.051mm。实验结果证明了本发明中基于预信号强度预测液滴直径方法的可靠性。