[发明专利]一种基于单根锥形光纤探针测量液滴直径的方法

说明书

本发明涉及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，步骤如下：将注射器针头置于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，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；提取每个液滴信号的预信号幅值，计算液滴的穿刺位置；线性拟合所得的各个液滴的预信号强度与穿刺位置；步骤四：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，采集光电探测器的输出信号，计算液滴的穿刺位置；求解液滴的直径。

技术领域

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

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。

发明内容

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：

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，

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；

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L_d＝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；

步骤二：提取每个液滴信号的预信号幅值V_f，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L_d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：

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；