一种紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统

1.本发明涉及液膜测量领域，具体涉及一种紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统。


背景技术：

2.降膜流动中液膜相关参数的测量在工业过程中至关重要，以核工业中非能动安全壳冷却系统安全壳水箱喷淋覆盖在壳体表面形成的水膜为例，其厚度和覆盖率与保障反应堆安全密切相关。对液膜厚度和温度等关键参数进行高精度的定量分析，不仅能更好地了解液膜形成、流动和蒸发等过程，且对优化所涉及的各种工业过程具有深远意义。
3.在现有专利(zl201410304521.6)中，基于半导体激光吸收光谱法的液膜温度和厚度测量装置的光路十分复杂，特别是需要利用光学组件进行波长分离。测量装置需结合两个不同波长的分布式反馈(dfb)半导体激光器，利用波分复用器耦合两束激光，在激光穿过液体介质后通过积分球接收，并利用凸透镜汇聚到多模光纤上，经非球面镜准直后再利用光栅将不同波长的两束激光分离，最后将分离后的不同波长的激光通过两个ingaas光电探测器分别接收。现有技术所提供的装置光学元件繁多、占用空间大，且布置和调试复杂，特别是在进行波长分离时，光路的搭建对光学元件的位置和角度有着较高的要求，不易操作。此外，激光光源和探测器受测量液体介质的影响较大，无法对未知吸收位置的液体介质进行测量，不具有普适性。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统。为此，本发明提供以下技术方案：
5.本发明提供了一种紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统，其特征在于，包括：卤素光源，用于发射白光；光纤准直器，与卤素光源连接，用于准直白光；滤光片，用于对白光进行过滤；比色皿，用于承载待测的液体介质；凸透镜，用于汇聚透过液体介质后的光束；光纤探头，用于接收凸透镜汇聚的光束；光谱仪，与光纤探头通过光纤连接，用于将光信号转换为电信号；以及计算机，与光谱仪电连接，用于采集和处理电信号，其中，卤素光源为宽波段光源，滤光片滤除光谱仪响应范围外的光信号，滤光片设置在光纤准直器与比色皿之间，凸透镜设置在比色皿与光纤探头之间。
6.在本发明提供的紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，白光为360nm～2500nm波段的光束。
7.在本发明提供的紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，滤光片用于过滤900nm～1700nm波长范围外的光线。
8.在本发明提供的紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，光谱仪为近红外光谱仪。
9.在本发明提供的紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统中，还可以具有这样的特征：其中，比色皿采用1mm石英比色皿。
10.在本发明提供的紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统中，还可以具有这样的特征，还包括：水浴加热装置，用于对比色皿中的液体介质进行均匀加热。
11.发明的作用与效果
12.本发明所涉及的紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统，包括卤素光源、光纤准直器、滤光片、比色皿、凸透镜、光纤探头、光谱仪以及计算机，这些结构具有以下效果：
13.卤素光源能够发射白光，采用宽波段光源，便于后续最优波长位置的选择，无需额外的光学组件进行波长分使系统整体的结构组成更为简单紧凑。
14.光纤准直器与卤素光源连接，能够准直白光，使卤素光源发出的光更集中和稳定，达到更好的测量效果。
15.滤光片设置在光纤准直器与比色皿之间，可对白光进行过滤，滤除光谱仪响应范围外的光信号。
16.比色皿可承载待测的液体介质，使光线透过液体介质的光程相同。
17.凸透镜设置在比色皿与光纤探头之间，能够汇聚透过液体介质后的光束，减小部分由于光束偏转导致的光强衰减，使测量结果更准确。
18.光纤探头可接收凸透镜汇聚的光束，将其导入光纤。
19.光谱仪与光纤探头通过光纤连接，可将光信号转换为电信号。
20.计算机与光谱仪电连接，能够采集和处理电信号。
21.因此，本发明所涉及的紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统采用宽波段光源，无需额外的光学组件进行波长分离。通过选取最优波长组合，结合光谱仪探测到的光谱信号进行数据处理，从而确定液膜厚度和温度，同时还可排除其他因素导致的光强衰减的影响，实现高精度、高灵敏度的测量。系统整体结构紧凑，采用的光学元件数量较少，占用空间小，光路易于布置和调试，操作简单便捷，且对各种液体介质具有普适性。
附图说明
22.图1是本发明的实施例中紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统的结构示意图；以及
23.图2是本发明的实施例中去离子水的光谱吸收曲线图。
具体实施方式
24.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统作具体阐述。
25.《实施例》
26.图1是本发明的实施例中紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统的结构示意图。
27.如图1所示，紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统100包括卤素光源10、光纤准直器20、滤光片30、比色皿40、凸透镜50、光纤探头60、光谱仪70、计算机80以及水浴加热装置(图中未示出)。
28.在本实施例中，待测的液体介质为去离子水。
29.卤素光源10用于发射白光，卤素光源为宽波段光源，本实施例中的白光为360nm～2500nm波段的光束。
30.光纤准直器20与卤素光源连接，用于准直白光。
31.滤光片30设置在光纤准直器20与比色皿40之间，用于对白光进行过滤，从而滤除光谱仪70响应范围外的光信号。在本实施例中，滤光片30用于过滤900nm～1700nm波长范围外的光线。
32.比色皿40用于承载待测的液体介质。在本实施例中，比色皿40采用1mm石英比色皿，用于承载待测的去离子水。
33.水浴加热装置设置在比色皿40下方，用于对比色皿中的液体介质进行均匀加热。
34.凸透镜50设置在比色皿40与光纤探头60之间，用于汇聚透过液体介质后的光束，使其聚焦到光纤探头60。
35.光纤探头60用于接收凸透镜汇聚的光束并将其导入光纤。
36.光谱仪70与光纤探头60通过光纤连接，用于将光信号转换为电信号。在本实施例中，光谱仪60为近红外光谱仪。
37.计算机80与光谱仪70电连接，用于采集和处理电信号，并通过软件程序进行数据处理，最终得出水膜的温度和厚度。
38.图2是本发明的实施例中去离子水的光谱吸收曲线图。
39.以下结合附图1～2来说明使用本发明紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统100的具体过程和方法：
40.步骤1：调节光路中各元件的位置，对放置有空比色皿40的光路采集明暗光谱，排除环境光的影响；
41.步骤2：在比色皿40中加入待测的去离子水，通过水浴加热装置使比色皿40中的液体均匀升温，同时，对等温度步长的情况进行光谱数据采集，获得如图2所示的光谱吸收曲线图；
42.步骤3：通过计算机80中的数据处理软件对所采光谱数据进行处理，然后选择最优波长，根据比尔-朗伯定律结合吸收系数与温度的关系，建立温度和厚度的反演方程；
43.步骤4：根据推得的方程编写相应的光谱数据处理程序，结合光谱采集程序，即可得出水膜的温度和厚度。
44.实施例的作用与效果
45.本实施实例所涉及的紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统，包括卤素光源、光纤准直器、滤光片、比色皿、凸透镜、光纤探头、光谱仪、计算机以及水浴加热装置，这些结构具有以下效果：
46.卤素光源能够发射白光，采用宽波段光源，本实施例中的白光为360nm～2500nm波段的光束，便于后续最优波长位置的选择，无需额外的光学组件进行波长分使系统整体的结构组成更为简单、紧凑。
47.光纤准直器与卤素光源连接，能够准直白光，使卤素光源发出的光更集中和稳定，达到更好的测量效果。
48.滤光片设置在光纤准直器与比色皿之间，可对白光进行过滤，从而滤除光谱仪响应范围外的光信号。本实施例中的滤光片能够过滤900nm～1700nm波长范围外的光线。
49.比色皿可承载待测的液体介质，使光线透过液体介质的光程相同。本实施例中的比色皿采用1mm石英比色皿，承载待测的去离子水。
50.水浴加热装置设置在比色皿下方，能使比色皿中的待测液体均匀升温，使测量结果更加稳定、准确。
51.凸透镜设置在比色皿与光纤探头之间，能够汇聚透过液体介质后的光束，减小部分由于光束偏转导致的光强衰减，使测量结果更准确。
52.光纤探头可接收凸透镜汇聚的光束并将其导入光纤。
53.光谱仪与光纤探头通过光纤连接，能够将光信号转换为电信号。本实施例中的光谱仪根据光源的波段采用近红外光谱仪。
54.计算机与光谱仪电连接，能够采集和处理电信号，并通过软件程序进行数据处理，最终得出水膜的温度和厚度。
55.因此，本发明所涉及的紧凑式液膜厚度和温度同步测量系统采用宽波段光源，无需额外的光学组件进行波长分离。通过选取最优波长组合，结合光谱仪探测到的光谱信号进行数据处理，从而确定液膜厚度和温度，同时还可排除其他因素导致的光强衰减的影响，实现高精度、高灵敏度的测量。系统整体结构紧凑，采用的光学元件数量较少，占用空间小，光路易于布置和调试，操作简单便捷，且对各种液体介质具有普适性。
56.上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。