基于激光后向散射法的颗粒流动参数测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于激光后向散射法的颗粒流动参数测量装置及方法。其中测量装置包括：一光纤探头，发出用于照射到粉尘区域的激光并采集粉尘区域的散射光；一光电转换电路，将所述参考光和散射光的光信号转换为电信号；一计算机，根据电转换电路得到的电信号计算得到粉尘区域的颗粒流动参数。本发明专利技术利用单激光器光纤分路的探头结构，消除了多激光器工作不同步带来的负面影响，同时引出一路光作为参考光，提高了系统的量精度。光电转换和信号处理电路将采集到的包含颗粒流动信息的后向散射光转化为电信号，实现颗粒浓度测量。同时，采用双通道互相关算法计算出颗粒的流速度。从而实现流动颗粒速度、浓度和流量的一体化测量。

Device and method for measuring particle flow parameters based on laser backscattering method

The invention discloses a device and a method for measuring particle flow parameters based on laser backscattering method. The measuring device includes a fiber-optic probe, which emits a laser used to illuminate the dust area and collects scattered light from the dust area; a photoelectric conversion circuit, which converts the optical signals of the reference light and scattered light into electrical signals; and a computer, which calculates the particles in the dust area according to the electrical signals obtained by the electrical conversion circuit. Flow parameters. The invention utilizes the probe structure of a single laser fiber shunt, eliminates the negative influence caused by the asynchronous operation of multiple lasers, and simultaneously leads out a light as a reference light, thereby improving the measurement accuracy of the system. The photoelectric conversion and signal processing circuit converts the backscattered light which contains the information of particle flow into electrical signal to realize the measurement of particle concentration. At the same time, the velocity of particles is calculated by two channel cross correlation algorithm. Thus, the integrated measurement of velocity, concentration and flow rate of flowing particles can be realized.

【技术实现步骤摘要】
基于激光后向散射法的颗粒流动参数测量装置及方法
本专利技术属于颗粒流动测量
，具体涉及一种基于激光后向散射法的颗粒流动参数测量装置及方法。
技术介绍
颗粒流动系统广泛存在于能源、化工和冶金等多个工业领域。实现气固两相流流量的在线、准确测量，对提高工业生产效率，实现节能环保具有重要意义。颗粒流动参数的测量常常伴随着恶劣的测量条件，如振动、高温、高压等，这些因素对颗粒流动参数地准确测量以及设备安装带来很大困难。随着传感技术的发展，各式各样的传感器的被广泛应用于多相流的测量中，测量设备准确度和稳定性方面都有了很大进步。然而，工业生产自动化、智能化水平也在不断地提高，这些设备由于其测量方法和硬件设计上的局限性已经不能满足更高要求的测量标准。激光后向光散射法具有非接触、反应灵敏、所需参数少、测量范围大等优点，已经应用于粉尘烟尘等气固两相流的在线检测中。激光后向散射法的基本原理是，当激光照射固体颗粒群后会向各个方向散射，通过在后向位置对散射光信号进行接收并做相应的分析处理，根据散射光的强度实时反馈出颗粒的浓度。同时，通过多通道信号互相关的方法计算出颗粒群流动速度，从而实现气固两相流颗粒流动速度、浓度和流量一体化测量。散射法颗粒流动参数测量系统大多采用透镜、光栅等作为光路调整和矫正的原件，导致光路耦合对中困难，光路极易发生偏移。尽管这样的测量系统在实验研究中有时可以取得比较理想的测量结果，然而在工业现场的震动、高温、高压等恶劣的测量条件下，易出现系统漂移、光路偏移、激光器功率不稳定等现象，对测量结果产生较大影响甚至使测量结果失效。目前，市场上开发出的一些后向散射法颗粒流动参数测量设备，在一定条件下可以测得颗粒流动的速度、浓度和流量。然而，这些设备在光路和硬件设计以及光学原件选型等方面的原因存在一定的局限性。主要体现在：光学系统在长期使用中易发生光路的偏移和系统的漂移，严重影响测量精度；光路设计设计中使用了较多的透镜光栅等，提高了成本，同时降低了测量系统的稳定性；光学探头体积较大，对测量对象存在一定影响从而降低测量精度；颗粒流动的速度和浓度未能实现一体化测量，大多设备只能单一地测量速度或者浓度。
技术实现思路
技术问题：本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种稳定性好且侧精度高的基于激光后向散射法的颗粒流动参数测量装置及方法。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于激光后向散射法的颗粒流动参数测量装置，其特征在于，包括：一光纤探头，发出用于照射到粉尘区域的激光并采集粉尘区域的散射光，包括：激光器、一分三光纤束、光纤传光束以及自聚焦透镜；所述激光器发出一束激光；所述一分三光纤束将所述一束测量激光分成参考光和两束测量光；所述光纤传光束用于传输所述测量光以及颗粒的后向散射光；所述自聚焦透镜对所述测量光以及散射光进行双向光耦合；一光电转换电路，将所述参考光和散射光的光信号转换为电信号；一计算机，根据电转换电路得到的电信号计算得到粉尘区域的颗粒流动参数。光纤传光束由内圈光纤束、外圈光纤束和位于内圈光纤束与外圈光纤束之间的金属隔离管组成；内圈光纤束用于收集并传输颗粒的后向散射光，外圈光纤束用于传输测量光。在所述光纤传光束内还设置有进风通道，在所述光纤传光束端部还设置有出风环，在所述出风环侧面上设置有V形吹风口，所述V形吹风口与所述进风通道连通。所述颗粒流动参数包括颗粒浓度，颗粒浓度为：探头的两个通道探测到颗粒后向散射光以及分出的参考光，经光电二极管转化为电信号，并通过调制电路处理后，分别由数据采集电路采集到随时间变化的信号序列x(t)，y(t)，I(t)；其中x(t)为通道一的信号序列，y(t)为通道二的信号序列，I(t)为参考光的信号序列；C1，C2分别为x(t)和y(t)在某一时刻的值，I0为该时刻的I(t)值；将该时刻参考光I0作为基准，采集到的颗粒浓度信号表示如下：式中，i＝1，2；步骤二、通过下式计算出管道截面颗粒的局部浓度β1、β2以及平均浓度βi＝f(hi)(2)式中，f(·)为标定好的hi与βi之间的关系函数，通过实验标定来确定。标定hi与βi之间的关系函数的方法，即用实验的方法测量出一组颗粒浓度β分别对应的电压信号h，并通过曲线拟合的方法得到出两者之间的关系函数f(·)，属于本领域的常规技术，详细可参考相关文献：ZhangH，JohnstonPM，ZhuJX，etal.Anovelcalibrationprocedureforafiberopticsolidsconcentrationprobe[J].PowderTechnology，1998，100(2-3)：260-272.(光纤固体颗粒探针的一种新型标定过程)。所述颗粒流动参数还包括颗粒速度，颗粒速度为：探头两个通道分别布置在颗粒流动方向的上下游，探测到的信号经过调制电路放大滤波后，通过数据采集电路采集得到粉体流动随时间的上下游信号：x(t)和y(t)，其互相关函数可表示为：其中，R(τ)是x(t)和y(t)的互相关函数，τ为延迟时间，T为信号周期；互相关函数最大值所对应的延迟时间为τ0，则光纤探头测量区域的颗粒速度v为：v＝L/τ0(5)式中，L为上下游光通道的轴向间隔。所述颗粒流动参数还包括颗粒流量，颗粒质量流量QM：其中，A为颗粒流动截面的面积，ρ为颗粒的密度。一种测量颗粒浓度的方法，其特征在于，探头的两个通道探测到颗粒后向散射光以及分出的参考光，经光电二极管转化为电信号，并通过调制电路处理后，分别由数据采集电路采集到随时间变化的信号序列x(t)，y(t)，I(t)；其中x(t)为通道一的信号序列，y(t)为通道二的信号序列，I(t)为参考光的信号序列；C1，C2分别为x(t)和y(t)在某一时刻的值，I0为I(t)该时刻的参考光值；将参考光I0作为基准，输出的颗粒浓度信号表示如下：式中，i＝1，2；步骤二、通过下式计算出管道截面颗粒的局部浓度β1，β2，以及平均浓度βi＝f(hi)(2)式中，f(·)为标定好的hi与βi之间的关系函数，通过实验标定来确定。一种测量颗粒速度的方法，其特征在于，探头的两个通道探测到颗粒后向散射光以及分出的参考光，经光电二极管转化为电信号，并通过调制电路处理后，分别由数据采集电路采集到随时间变化的信号序列x(t)，y(t)，I(t))；其中x(t)为通道一的信号序列，y(t)为通道二的信号序列，I(t)为参考光的信号序列；C1，C2分别为x(t)和y(t)在某一时刻的值，I0为I(t))该时刻的参考光值；将参考光I0作为基准，输出的颗粒浓度信号表示如下：式中，i＝1，2；通过下式计算出管道截面颗粒的局部浓度β1，β2，以及平均浓度βi＝f(hi)(2)式中，f(·)为标定好的hi与βi之间的关系函数，通过实验标定来确定；探头两个通道探测到的信号经过调制电路放大滤波后，通过数据采集电路采集得到粉体流动的上下游信号x(t)和y(t)，其互相关函数可表示为：其中，R(τ)是x(t)和y(t)的互相关函数，τ为延迟时间，T为信号周期；互相关函数最大值所对应的延迟时间为τ0，则光纤探头测量区域的颗粒速度v为：v＝L/τ0(5)式中，L为上下游光同道的轴向间隔。一种测量颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光后向散射法的颗粒流动参数测量装置，其特征在于，包括：一光纤探头，发出用于照射到粉尘区域的激光并采集粉尘区域的散射光，包括：激光器、一分三光纤束、光纤传光束以及自聚焦透镜；所述激光器发出一束激光；所述一分三光纤束将所述一束测量激光分成参考光和两束测量光；所述光纤传光束用于传输所述测量光以及颗粒的后向散射光；所述自聚焦透镜对所述测量光以及散射光进行双向光耦合；一光电转换电路，将所述参考光和散射光的光信号转换为电信号；一计算机，根据电转换电路得到的电信号计算得到粉尘区域的颗粒流动参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光后向散射法的颗粒流动参数测量装置，其特征在于，包括：一光纤探头，发出用于照射到粉尘区域的激光并采集粉尘区域的散射光，包括：激光器、一分三光纤束、光纤传光束以及自聚焦透镜；所述激光器发出一束激光；所述一分三光纤束将所述一束测量激光分成参考光和两束测量光；所述光纤传光束用于传输所述测量光以及颗粒的后向散射光；所述自聚焦透镜对所述测量光以及散射光进行双向光耦合；一光电转换电路，将所述参考光和散射光的光信号转换为电信号；一计算机，根据电转换电路得到的电信号计算得到粉尘区域的颗粒流动参数。2.根据权利要求1所述的颗粒流动参数测量装置，其特征在于，光纤传光束由内圈光纤束、外圈光纤束和位于内圈光纤束与外圈光纤束之间的金属隔离管组成；内圈光纤束用于收集并传输颗粒的后向散射光，外圈光纤束用于传输测量光。3.根据权利要求2所述的颗粒流动参数测量装置，其特征在于，在所述光纤传光束内还设置有进风通道，在所述光纤传光束端部还设置有出风环，在所述出风环侧面上设置有V形吹风口，所述V形吹风口与所述进风通道连通。4.根据权利要求1-3任一所述的颗粒流动参数测量装置，其特征在于，所述颗粒流动参数包括颗粒浓度，颗粒浓度为：探头的两个通道探测到颗粒后向散射光以及分出的参考光，经光电二极管转化为电信号，并通过调制电路处理后，分别由数据采集电路采集到随时间变化的信号序列x(t)，y(t)，I(t)；其中x(t)为通道一的信号序列，y(t)为通道二的信号序列，I(t)为参考光的信号序列；C1，C2分别为x(t)和y(t)在某一时刻的值，I0为该时刻的I(t)值；将该时刻参考光I0作为基准，采集到的颗粒浓度信号表示如下：式中，i＝1，2；步骤二、通过下式计算出管道截面颗粒的局部浓度β1、β2以及平均浓度βi＝f(hi)(2)式中，f(·)为标定好的hi与βi之间的关系函数，通过实验标定来确定。5.根据权利要求4所述的颗粒流动参数测量装置，其特征在于，所述颗粒流动参数还包括颗粒速度，颗粒速度为：探头两个通道分别布置在颗粒流动方向的上下游，探测到的信号经过调制电路放大滤波后，通过数据采集电路采集得到粉体流动随时间的上下游信号：x(t)和y(t)，其互相关函数可表示为：其中，R(τ)是x(t)和y(t)的互相关函数，τ为延迟时间，T为信号周期；互相关函数最大值所对应的延迟时间为τ0，则光纤探头测量区域的颗粒速度v为：v＝L/τ0(5)式中，L为上下游光通道的轴向间隔。6.根据权利要求5所述的颗粒流动参数测量装置，其特征在于，所述颗粒流动参数还包括颗粒流量，颗粒质量流量QM：其中，A为颗粒流动截面的面积，ρ为颗粒的密度。7.一种基于权利要求1-6任一颗粒流动参数测量装置测量颗粒浓度的方法，其特征在于，探头的两个通道探测到颗粒后向散射光以及分出的参考光，经光电二极管转化为电信号，并通过调制电路处理后，分别由数据采集电路采集到随时间变化的信号序列x(t)，y(t)，I...

【专利技术属性】
技术研发人员：许传龙，奚国强，李舒，李健，张彪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32