一种光程可调的管道相含率检测系统及方法与流程

本发明涉及气液两相流检测技术领域，具体地说涉及一种光程可调的管道相含率检测系统及方法。

背景技术：

气液两相流广泛应用在电力、煤炭、冶金、石油、化工等行业。相含率是气液两相流的重要参数之一，相含率的实时、在线测量对气液两相流系统的实时控制、安全运行、在线检测等均有重要作用。

当前气液两相流的相含率测量结构有多种，报道中主要有：一是采用最普遍的圆管，将探头沿测量管道径向放置来进行相含率的测量。圆形有机玻璃管道具有弧度，激光在照射有机玻璃外壁时会产生折射，在透过有机玻璃与流体界面时又产生折射与反射，导致接收装置探头不能完全接收衰减后的光信号，测量的不确定性较大，对测量结果造成了较大的影响；二是在水平管道上设计沿两相流流动方向进行测量的气液两相流相含率检测装置，将原有探头径向放置测量的方式改为沿流体流动方向进行测量，提高相应的接收探头接收信号的能力，达到准确测量的目的；三是通过使用多组发射探头与接收探头组成统一整体，增加了沿轴向红外接收探头接收信息的完整性，利用近红外收发探头对水平和垂直流向的气液两相流进行探测，从而达到更加准确测量的目的。上述检测操作较为复杂，光程受限且不便调整，难以实现实时在线检测。

以上结构的设计使用的都是近红外光测量，近红外激光测量技术无需采样和样品预处理，在两相流检测领域获得了初步探索研究，但是由于两相流介质界面复杂多变，同时由于近红外光的肉眼不可见性，其测量精确度还不够理想。

技术实现要素：

本发明的目的之一就是提供一种光程可调的管道相含率检测系统，以解决现有系统由于光程受限导致信噪比较低，从而使测量结果存在偏差的问题。

本发明的目的之二就是提供一种光程可调的管道相含率检测方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：一种光程可调的管道相含率检测系统，包括管道装置、光路调节装置、光源发射器以及信号接收装置；

所述管道装置用于流通待测流体，包括位于中间的有机玻璃管道以及各自依次连接于有机玻璃管道两端的大口径管、过渡锥形管以及小口径管，过渡锥形管的宽口端与对应的大口径管相连，过渡锥形管的窄口端与对应的小口径管相连；

所述光路调节装置包括设于有机玻璃管道下侧的第一凹面反射镜和第三凹面反射镜以及依次设于有机玻璃管道上侧的第一导光镜、第二凹面反射镜、第二导光镜；所述第一凹面反射镜和第三凹面反射镜对称布置在第二凹面反射镜中心轴线的两侧；所述第一导光镜用于将入射光导入第一凹面反射镜，信号光依次经第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜连续反射后，由第二导光镜导入信号接收装置；

所述光源发射器用于发射可见光和近红外光；

所述信号接收装置包括聚焦透镜和光电探测器，光电探测器用于接收经流体吸收后的光信号并将光信号转换为电信号。

所述第一导光镜和第二导光镜均为平面反射镜，且各自通过可调节的支架设置在预定位置。

所述第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜各自通过可调节的支架设置在预定位置。

所述管道装置均为矩形管。

所述检测系统包括数据采集与处理装置，数据采集与处理装置包括数据采集卡和计算机，数据采集卡采集光电探测器的数据并传至计算机进行数据的处理与分析。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：一种光程可调的管道相含率检测方法，包括以下步骤：

a、设置上述检测系统；

b、光路调整：使光源发射器发射可见光，调整第一导光镜、第二导光镜、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜以及第三凹面反射镜的位置，使信号光能够依次经第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜进行连续反射，从而使信号光若干次穿过有机玻璃管道，同时，出射光能够被光电探测器接收；

c、管道相含率检测：向管道装置中通入待测流体，使光源发射器发射近红外光，近红外光沿已调整好的光路若干次经过有机玻璃管道并被待测流体部分吸收，光电探测器接收经待测流体吸收后的近红外光信号，并将其转换为电信号；

d、经过数据处理与分析后即得到所述的管道相含率。

所述可见光为单色激光。

本发明首次将透明的有机玻璃管道、可见光、近红外光以及凹面反射镜组相结合的方式对管道内的气液两相流的相含率进行测量，这种方法能够有效的增加光程，实现更加准确、可靠的测量，为测量管道内气液两相流的相含率提供了一种有效的技术手段。

相比于现有的测量系统以及测量方法，其优点具体表现在三个方面：一是使用聚焦透镜，进行光线会聚的作用，从而增大信号强度，提高信噪比，增大测量的准确度；二是利用可见光的可视化系统，能够观察到光路在管道内的传输，从而便于光路的调整，为近红外光测量气液两相流的相含率提供了依据和保证；三是凹面反射镜结构与矩形管道相结合，使光产生多次反射并且光路可调，同时减少光在照射有机玻璃外壁时的折射次数，检测结果更加准确。

本发明的测量方法实现了光路的自由调整，增加了光程，降低了检测限，增大了信号强度，提高了信噪比，从而提高了测量精确度。而且本发明装置结构简单，在进行准确测量的同时也将对流形造成的影响降到了最小，与实际应用更为接近，提高了测量的可信度，可实现实时在线检测。

此外，这种光程可调的管道内气液两相流的相含率的检测系统能够帮助研究可见光在气液中的衰减特性，并以此来为近红外光做一个辅助对比与参考，进一步推动近红外光谱技术的发展。

附图说明

图1为本发明检测系统的结构示意图。图中箭头指待测流体的流动方向。

图中：1—小口径管；2—过渡锥形管；3—大口径管；4—有机玻璃管道；5—第一凹面反射镜；6—第二凹面反射镜；7—第三凹面反射镜；8—第一导光镜；9—第二导光镜；10—光源发射器；11—聚焦透镜；12—光电探测器；13—计算机。

具体实施方式

如图1所示，本发明的检测系统包括管道装置、光路调节装置、光源发射器、信号接收装置、数据采集与处理装置。

管道装置从左到右依次为小口径管1、过渡锥形管2、大口径管3、有机玻璃管道4、大口径管3、过渡锥形管2、小口径管1，有机玻璃管道4为矩形透明管道，其他各管道的管口为矩形，连接处尺寸相匹配且密封连接。

本文所述光程可调的管道相含率检测结构，所述小口管径的管体内径为d1=50mm，管体长度l1=80mm，管体壁厚为2mm；所述过渡锥形管的管体长度为l2=65mm；所述大口管径的管体内径为d2=80mm，管体长度l3=45mm，管体壁厚为2mm；所述有机玻璃管道的管体内径为d3=80mm，管体外径为d4=82mm，管体长度l4=145mm，管体壁厚为2mm；所述第一凹面反射镜、第二凹面反射镜以及第三凹面反射镜可达到的光程范围为4.4-35m。

光路调节装置包括设于有机玻璃管道下侧的第一凹面反射镜5和第三凹面反射镜7以及依次设于有机玻璃管道上侧的第一导光镜8、第二凹面反射镜6、第二导光镜9；第一凹面反射镜5、第二凹面反射镜6和第三凹面反射镜7均为凹镜面朝向有机玻璃管道4，第一凹面反射镜5和第三凹面反射镜7尺寸、弧度完全相同且对称布置在第二凹面反射镜6中心轴线的两侧，第二凹面反射镜的尺寸大于第一凹面反射镜5和第三凹面反射镜7，以便于对光程进行调整；第一导光镜8用于将入射光导入第一凹面反射镜5，信号光依次经第一凹面反射镜5、第二凹面反射镜6和第三凹面反射镜7连续反射后，由第二导光镜9导入信号接收装置；第一凹面反射镜5、第二凹面反射镜6和第三凹面反射镜7各自通过可调节的支架设置在预定位置，第一导光镜8和第二导光镜9均为三角镜。光源发射器10位于第一导光镜8的前侧，用于发射可见光或近红外光。信号接收装置位于第二导光镜9的后侧，依次包括聚焦透镜11和光电探测器12，光电探测器12用于接收经流体吸收后的光信号并将光信号转换为电信号。

待测流体由一侧流过小口径管1、过渡锥形管2和大口径管3后流至有机玻璃管道4，入射光水平射入第一导光镜8后被反射进入凹面反射镜之间，并进行连续反射，流体流经该段管道时，近红外光被流体吸收部分能量，从而使其光强减弱。将光电探测器12与聚焦透镜11的位置固定好，使其能够在最好的位置探测光强。光电探测器12可接收经流体吸收后的光强信号，并将其转换为电信号，最后利用计算机13将数据进行处理与分析，数据的处理与分析可采用现有的常规分析方法。

针对不同检测需求可以进行光路调整，可利用可将光先对光路进行预先调整，之后再利用近红外光进行检测。具体检测步骤如下：

a、设置上述检测系统；

b、光路调整：使光源发射器10发射可见光，可见光为单色激光。调整第一导光镜8、第二导光镜9、第一凹面反射镜5、第二凹面反射镜6和第三凹面反射镜7的位置，使信号光能够依次经第一凹面反射镜5、第二凹面反射镜6和第三凹面反射镜7进行连续反射，从而使信号光若干次穿过有机玻璃管道4，同时，出射光能够被光电探测器12接收；

c、管道相含率检测：向管道装置中通入待测流体，使光源发射器10发射近红外光，近红外光沿已调整好的光路若干次经过有机玻璃管道4并被待测流体吸收，从而光强会有一定的衰减；

d、用光电探测器12对出射的会聚光线进行检测，由数据采集卡对探测的数据进行采集，并传输到计算机上，最终根据传输的数据对相含率进行计算。

本发明中凹面反射镜和导光镜的尺寸参数可根据管道的实际尺寸情况而定。三面凹面镜的相对位置不可改变。上述检测操作简便，光程可根据实际需求进行调整，能够实现实时在线检测，适宜推广应用。