透过率相关频谱法颗粒测量方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种透过率相关频谱法颗粒测量方法及其装置，其特点是本发明专利技术是利用颗粒在窄光束照射下透过率信号的脉动特性，对透过率脉动信号作相关处理，由此得到颗粒的速度、颗粒的粒度分布和颗粒浓度信息。这种方法称为透过率脉动相关频谱法。采用了光信号的动态特性和信号的相关处理。可以测量微米级以上颗粒的粒径分布、浓度和速度。本发明专利技术的有益效果是，测量方法和测量装置简单、价廉，可实现在线、实时检测，可实现同时对颗粒粒径分布、浓度和速度进行测试。可用于科学研究、化工能源的生产与过程控制、环境保护、水质检测等涉及颗粒测量的多个领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可同时测量颗粒粒度分布、浓度和速度的方法及其装置，特别涉及一种用透过率脉动相关频谱法测量颗粒粒度分布、浓度和速度的方法及其装置，属于测量
本专利技术可测量的颗粒参数多、测量粒径范围宽，适用于含颗粒两相流的在线监测，可用于科学研究、化工能源的生产与过程控制、环境保护、水质检测等涉及颗粒测量的多个领域。
技术介绍
颗粒散射光动态信息的相关处理很早就在纳米颗粒的测量技术中得到了应用，这种技术被称作光子相关光谱法(Photon Correlation Spectrometry，简称PCS)。在PCS方法中，作布朗运动的纳米颗粒的粒径与颗粒的运动速度密切相关，颗粒的运动速度又与颗粒散射光的频谱信息相关，通过相关处理所得到的自相关频谱就是通过这些关系得到了颗粒的粒径分布信息。PCS方法可测量的粒径范围在纳米数量级，无法对微米级以上颗粒测量。而且价格昂贵，无法实现在线测量。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决用PCS方法无法对微米级以上颗粒的测量，无法实现在线测量的技术问题，提供一种用透过率脉动相关频谱法测量颗粒粒度分布、浓度和速度的方法及其装置。本专利技术的技术方案是一种测量颗粒粒度分布、浓度和速度的方法及其装置，其特点是，方法步骤为1.在颗粒粒子流通过的空间中，与颗粒流向垂直设置直径为DB，相距为d，入射光强度分别为I1，0和I2，0的二束平行的窄光束；2.用光电探测器测量在时刻t通过受光照射的厚度为L的颗粒测量区的透射光脉动信号I1(t)和I2(t)，并用透射光强度和入射光强度之比 T1(t)＝I1(t)/I1，0和T2(t)＝I2(t)/I2，0表示透过率；3.对上述透过率脉动信号作互相关处理，得到互相关信号Pd，τ为Pd,τ=e{T1(t)T2(t+τ)}=limts→∞1ts∫0tsT1(t)T2(t+τ)dt---(1)]]>改变相关时间τ的大小，得到Pd，τ达到最大值时所对应的τ(记做τmax)并与光束距离d结合可得颗粒速度v＝d/τmax；4.对透过率脉动信号T(t)作自相关处理，用Pτ表示Pτ=e{T(t)T(t+τ)}=limts→∞1ts∫0tsT(t)T(t+τ)dt---(2)]]>与上面一样，τ是相关时间，当τ→0时，T(t)＝T(t+τ)，此时相关值最大，随着相关时间τ的增大，相关性逐渐减弱，对于光束直径为DB、颗粒粒径为DP、颗粒的流速为v的情况，当τ＞(DP+DP)/v时，相关性降为最小；理论上得到T(t)的相关值Pτ是光束直径为DB、颗粒粒径为DP ，τ、颗粒的流速为v、颗粒体积浓度CV，τ、光程L和相关时间τ的函数，lnPτ=-Σi1.5LDp,iCV,i---(3)]]>其中特征函数∏描述透过率自相关频谱中包含的颗粒粒度分布信息，Π(Λ,Γ)=∫0∞Fs(Λ)·J0(2uΓ)·2J12(u)udu---(4)]]>Λ＝DB/DP是光束直径与颗粒粒径的比值，Γ＝vτ/DP，FS是窄光束在截面上的光强分布因子，适用于圆形高斯光束、圆形均匀光束、矩形光束和多边形光束；对于高斯光束为exp-(uΛ/2)2，对于光强均匀分布的圆形光束为2；5.根据公函数式3，改变相关时间τ即可得到透过率自相关频谱，当光束直径为DB、颗粒的流速为v、光程L已知时，从透过率自相关频谱中得到颗粒的粒径分布信息并由此得到颗粒的浓度信息； 当颗粒为单分散系时，从频谱图曲线的转折点结合颗粒系的流速即得到颗粒的粒径，从曲线在纵坐标上的高度得到颗粒的浓度。一种为实现上述方法的装置，其特点是，它由测量区、产生光束直径为10微米到1.5毫米之间的窄光束产生器、光电信号探测器和与其连接的信号处理装置构成。所述的窄光束产生器由产生平行光束的激光器、分束器、凸透镜或透镜组构成，由激光器发射出的宽光束经分束器分成传播方向不同的几束光，通过凸透镜或透镜组会聚，在焦点附近的瑞利区得到窄光束组。所述的窄光束产生器由产生平行光束的激光器和在光信号发射端和光信号接收端的设置的多孔光阑中任选二个或二个以上构成，通过激光器发射出的宽光束在传播方向上设置的多孔光阑得到窄光束组。所述的窄光束产生器由产生平行光束的激光器和微元信号探测器构成，所述的微元信号探测器由多个微小受光面光电探测单元组合而成。可从这种安排的微元探测器上选择适当的单元(单元受光面积大小和单元之间的间隔)达到对不同的测量对象进行测试的目的。所述的窄光束产生器中的多孔光阑的孔形状为矩形孔或圆孔的组合，光导纤维组受光面的形状为圆形孔的组合，微元信号探测器的受光面形状为圆形或多边形的形状。所述的信号处理装置由信号放大电路模块、信号采集模块、信号自相关和互相关处理模块构成。本专利技术的有益效果是，测量方法和测量装置简单、价廉，可实现在线、实时检测，可实现同时对颗粒粒径分布、浓度和速度进行测试。可用于科学研究、化工能源的生产与过程控制、环境保护、水质检测等涉及颗粒测量的多个领域。附图说明图1为本专利技术测量装置原理示意图；图2为本专利技术实施例1测量装置示意图；图3为本专利技术实施例2测量装置示意图；图4为本专利技术实施例3测量装置示意图；图5为多孔光阑的孔、光导纤维组受光面和微元信号探测器的受光面形状示意图；图6为单分散颗粒系的透过率起伏相关频谱曲线；图7为双峰分布颗粒系的透过率起伏相关频谱曲线； 图8信号处理装置示意图。具体实施例方式本专利技术利用颗粒在窄光束照射下透过率信号的脉动特性，对透过率脉动信号作相关处理，由此得到颗粒的速度、颗粒的粒度分布和颗粒浓度信息。这种方法称为透过率脉动相关频谱法。采用了光信号的动态特性和信号的相关处理。可以测量微米级以上颗粒的粒径分布、浓度和速度。具体实施方法步骤为如图1所示，设置二束相互平行的线度范围在10微米到1.5毫米之间的窄光束，两平行窄光束1和2之间距离相距为d，二光束的连线与颗粒的流动方向一致，测量区3内颗粒受光照射的厚度为L。二光束的入射强度分别为I1，0和I2，0的入射光照射，在一段比较长的时间范围{0，ts}内通过光电信号探测器4和5分别测量透射光信号I1(t)和I2(t)，透射光信号随时间脉动。光电信号探测器4和5测得的透射光信号输入到信号处理装置，通过CPU对信号进行处理，用透过率信号(透射光强度和入射光强度之比)I1(t)＝I1(t)/I1，0和T2(t)＝I2(t)/I2，0表示。颗粒的速度信息可从二束窄光束透过率脉动信号的互相关处理得到，互相关信号Pd，τ由下式定义。Pd,τ=e{T1(t)T2(t+τ)}=limts→∞1ts&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透过率相关频谱法颗粒测量方法，其特征在于，方法步骤为：１）在颗粒粒子流通过的空间中，与颗粒流向垂直设置直径为Ｄ↓［Ｂ］，相距为ｄ，入射光强度分别为Ｉ↓［１，０］和Ｉ↓［２，０］的二束平行的窄光束；２）用光电探测器测量在时刻ｔ通过受光照射的厚度为Ｌ的颗粒测量区的透射光脉动信号Ｉ↓［１］（ｔ）和Ｉ↓［２］（ｔ），并用透射光强度和入射光强度之比：Ｔ↓［１］（ｔ）＝Ｉ↓［１］（ｔ）／Ｉ↓［１，０］和Ｔ↓［２］（ｔ）＝Ｉ↓［２］（ｔ）／Ｉ↓［２，０］表示透过率；３）对上述透过率脉动信号作互相关处理，得到互相关信号Ｐ↓［ｄ，τ］为：Ｐ↓［ｄ，τ］＝ｅ｛Ｔ↓［１］（ｔ）Ｔ↓［２］（ｔ＋τ）｝＝＊１／ｔ↓［ｓ］∫↓［０］↑［ｔ↓［ｓ］］Ｔ↓［１］（ｔ）Ｔ↓［２］（ｔ＋τ）ｄｔ（１）改变相关时间τ的大小，得到Ｐ↓［ｄ，τ］达到最大值时所对应的τ（记做τ↓［ｍａｘ］）并与光束距离ｄ结合可得颗粒速度ｖ＝ｄ／τ↓［ｍａｘ］；４）对透过率脉动信号Ｔ（ｔ）作自相关处理，用Ｐ↓［τ］表示：Ｐ↓［τ］＝ｅ｛Ｔ（ｔ）Ｔ（ｔ＋τ）｝＝＊１／ｔ↓［ｓ］∫↓［０］↑［ｔ↓［ｓ］］Ｔ（ｔ）Ｔ（ｔ＋τ）ｄｔ（２）与上面一样，τ是相关时间，当τ→０时，Ｔ（ｔ）＝Ｔ（ｔ＋τ），此时相关值最大，随着相关时间τ的增大，相关性逐渐减弱，对于光束直径为Ｄ↓［Ｂ］、颗粒粒径为Ｄ↓［Ｐ］、颗粒的流速为ｖ的情况，当τ＞（Ｄ↓［Ｐ］＋Ｄ↓［Ｐ］）／ｖ时，相关性降为最小；理论上得到Ｔ（ｔ）的相关值Ｐ↓［τ］是光束直径为Ｄ↓［Ｂ］、颗粒粒径为Ｄ↓［Ｐ，ｉ］、颗粒的流速为ｖ、颗粒体积浓度Ｃ↓［Ｖ，ｉ］、光程Ｌ和相关时间τ的函数，ｌｎＰ↓［τ］＝－＊１．５Ｌ／Ｄ↓［Ｐ，ｉ］Ｃ↓［Ｖ，ｉ］［２－∏（Ｄ↓［Ｂ］／Ｄ↓［Ｐ，ｉ］，ｖτ／Ｄ↓［Ｐ，ｉ］）］（３）其中特征函数∏描述透过率自相关频谱中包含的颗粒粒度分布信息∏（Λ，Γ）＝＊Ｆ↓［Ｓ］（Λ）.Ｊ↓［０］（２ｕΓ）.２Ｊ↓［１］↑［２］（ｕ）／ｕｄｕΛ＝Ｄ↓［Ｂ］／Ｄ↓［Ｐ］是光束直径与颗粒粒径的比值，Γ＝ｖτ／Ｄ↓［Ｐ］，Ｆ↓［Ｓ］是窄光束在截面上的光强分布因子，适用于圆形高斯光束、圆形均匀光束、矩形光束和多边形光束，对于高斯光束为ｅｘｐ「－（ｕΛ／２）↑［２］」，对于光强均匀分布的圆形光束为［２Ｊ↓［１］（ｕΛ）／ｕΛ］↑［２］；５）根据公函数式３，改变相关时间τ即可得到透过率自相关频谱，当光束直径为Ｄ↓［Ｂ］、颗粒的流速为ｖ...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈建琪，蔡小舒，于彬，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]