[发明专利]一种基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝特性测量装置

说明书

本发明公开了一种基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝特性测量装置，包括用于气体混合换热的冷凝腔以及设置在冷凝腔中的光学测量模块，冷凝腔设于真空箱中，冷凝腔两端分别设有进气口和排气口；进气口带有并列的空气入口和氮气入口；光学测量模块包括U型支座和设置在U型支座两臂上的微型激光发生器和微型光谱检测仪；微型激光发生器下方设有第二反射镜和第四反射镜；微型光谱检测仪上方设有第一反射镜和第三反射镜，下方设有微型温度传感器。空气中的水蒸气在冷凝管中发生冷凝形成水雾。微型激光发生器可产生特定强度及波长的激光，微型光谱检测仪测量经过吸收及散射后的激光强度，根据光强与水雾浓度的对应关系，能准确测出空气中水雾的体积分数。

技术领域

本发明涉及流体相变实验装置，具体涉及一种基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝特性测量装置。

背景技术

水雾在熄灭电气、舰船、建筑各种类型火灾已得到广泛应用，在石油、天然气管道输送和矿井瓦斯防爆抑爆领域也有了一定应用和发展。水雾浓度是表征空间内水雾特征的重要参数之一。对于水蒸气及其他气体的冷凝特性的研究一般都限于与固体的接触式换热研究，例如气体在圆管内表面或翅片表面的冷凝特性研究。气体内部换热冷凝形成的液体往往是雾状的，且与气体混为一体，冷凝生成的液体的量难以测量，因此气体内部换热的冷凝特性研究非常困难。所以想要研究气体内部换热的冷凝特性，关键在于实现冷凝生成的液体的量的测量。

目前，水雾浓度测量一般采用传统量杯法和称重法的方式。这些方法存在以下不足：1)测量过程需花费较长时间，不能实现实时测量；2)只能测量一定体积空间内的平均水雾浓度，不能实现点测量。

吸收光谱检测物质浓度的依据是物质对光辐射具有特征吸收，当一束激光穿过待测气体时，光线会被物质选择性吸收，使其在强度上具有特征变化。

气体内部换热冷凝形成的液体往往是雾状的，雾均匀分布在空气中，形成气溶胶形态，其对特定强度及波长的激光的吸收特性与气体类似。然而，与纯气体不同，雾由无数的微小水颗粒组成，这些微小水颗粒还会对特定的光谱产生散射效果，因此雾对特定强度及波长的激光同时具有吸收和散射效果。结合雾对特定强度及波长的激光的吸收及散射，水蒸气在空气中冷凝生成的水雾浓度可以快速测量。

公开号为CN101256130A的中国专利文献公开了一种高精度煤气机械水含量测量方法及装置，它的特点是在玻纤滤筒里面装入适量的超细高纯度玻璃纤维，将该滤筒固定于锥形套管内，利用聚四氟乙烯胶带将其固定，在其形成的玻璃纤维层内，可以将煤气中的机械水拦截下来。通过精确称量装有玻璃纤维滤筒测量前后的重量差，并同时记下流过采样管的气体流量，便可求出煤气中的机械水含量。该装置的测量精度达到0.1mg/m³，但是测量一次需要10分钟，无法快速实时地测量空气中水雾含量。

公告号为CN103558187A的中国专利文献公开了一种水雾浓度测量装置及测量方法，涉及水雾浓度测量仪、水雾浓度标定装置和水雾浓度测量方法。水雾浓度测量仪包括支架，安装在支架两侧的光学发射单元和光学接收单元，气流吹扫装置。水雾浓度标定装置包括装有水雾发生器的箱体，箱体一侧装有吹雾风扇，箱体另一侧装有门扇，箱体置于压力传感器上，压力采集仪与压力传感器联接。测量方法是：预备水雾浓度测量仪、水雾浓度标定装置；测量并建立相应沉降时刻下水雾浓度与散射电压的关系式；将该关系式置于单片机控制电路中后，就可将水雾浓度测量仪安装在现实水雾环境中，实时测量水雾浓度值。

然而，该装置及方法存在以下几个缺陷：

1.该发明采用气体吹扫装置对发射透镜和接收透镜吹空气的方式，防止透镜沾上水雾，若在含有水雾的大气环境中使用该发明装置测量水雾浓度，吹扫装置使用的空气同样含有水雾，该发明中并没有提到吹扫装置具有水分过滤的前处理，因此在实际大气环境的水雾浓度测量中无法防止透镜沾上水雾；