一种基于散射光测量管道流量的系统及方法与流程

本发明涉及气液两相流检测技术领域，具体地说是涉及一种基于散射光测量管道流量的系统及方法。

背景技术：

当前气液两相流的相含率测量方法有多种，一是采用最普遍的圆管，将探头径向放置进行测量；二是在水平圆管道上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；三是将水平圆管道变为竖直方管道，使探头沿流体流动方向进行测量；四是通过使用多组发射探头与接收探头组成统一整体，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。以上对于结构的设计使用的都是近红外光测量，且测量的都是透射光，近红外激光测量技术无需采样和样品预处理，具有非接触以及实时在线监测等特点，在气液两相流检测领域获得了初步探索研究，但在研究中发现，由于气液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，更增强了近红外探测气液两相流的挑战性。

为了减弱近红外光的不确定性以及提高相含率测量的准确度，本发明设计一种基于散射光测量管道流量的系统及方法，以提高相含率测量的准确度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于散射光测量管道流量的系统及方法，以解决现有系统在测量气液两相流过程中激光各种衰减测量不准确的问题。

本发明采用的技术方案是：一种基于散射光测量管道流量的系统，所述系统包括激光发射机构、透明有机玻璃管以及信号检测机构；所述激光发射机构包括激光器和滤波器，所述激光器用于产生波长范围为400～2400nm的发射光，发射光经滤波器后输出400～2400nm内任意波段的单色光；

所述信号检测机构包括探头、用于支撑所述探头的支架、光度计以及计算机；所述探头、所述激光发射机构以及透明有机玻璃管的中心轴均位于同一平面内，激光发射机构发射的单色光垂直于透明有机玻璃管的中心轴入射至管内，单色光经管内气液两相流体吸收后射出所述透明有机玻璃管，同时在透明有机玻璃管周围产生散射光；所述探头用于接收所述散射光，并将散射光信号传输至光度计，所述计算机用于对光度计传输的信号进行处理和分析。

所述探头与所述激光发射机构位于透明有机玻璃管的同侧，且探头位于与单色光入射方向呈45度或315度夹角的直线上。

所述探头与所述激光发射机构位于透明有机玻璃管的两侧，且探头位于与单色光入射方向呈135度或225度夹角的直线上。

所述激光器为sc400-4型超连续谱激光器，所述滤波器为lltf滤波器。

所述光度计为s470型udt台式光度计，所述探头为247型平板辐射传感器探头。

所述支架用于对探头的空间位置进行调整，所述透明有机玻璃管为圆形管。

一种基于散射光测量管道流量的方法，包括以下步骤：

（a）设置任一上述的系统；

（b）生成气液两相流，并让流体在透明有机玻璃管内流动；

（c）打开激光器，使发射的单色光垂直射入有机玻璃管；

（d）用探头和光度计在有机玻璃管周围探测散射光，之后用计算机进行数据处理和分析。

所述探头与所述激光发射机构位于透明有机玻璃管的同侧，且探头位于与单色光入射方向呈45度或315度夹角的直线上；或者

所述探头与所述激光发射机构位于透明有机玻璃管的两侧，且探头位于与单色光入射方向呈135度或225度夹角的直线上。

本发明的有益效果及优点是：1、首次通过对散射光进行测量完成对管道内气液两相流的测量，能通过研究散射光的衰减特性来为近红外透射光测量的方法做辅助对比与参考，进一步推动近红外光谱技术的发展。2、本发明提供了一套相含率辅助测量系统，测量时可将散射光和透射光进行组合测量，从不同角度测量气液两相流，大大提高了测量的可靠性。3、本发明装置结构简单，测量管道没有过多冗余的设计，不会因为测量管道的复杂设计对测量结果产生影响，可实现实时在线检测。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。其中，1、激光器，2、滤波器，3、探头，4、光度计，5、计算机，6、有机玻璃管，7、气泵，8、水泵，9、变频器。

图2是正方向探头位置测量图。

图3是反方向探头位置测量图。

图4是透射功率数据及曲线拟合图。

图5是激光正方向散射折射各方向比较图。

图6是激光反方向散射折射各方向比较图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本发明。

如图1所示，本发明系统包括激光发射机构、圆形的透明有机玻璃管以及信号检测机构；激光发射机构包括激光器1和滤波器2，激光器1为sc400-4型超连续谱激光器，用于产生波长范围为400～2400nm的发射光，滤波器2为lltf滤波器，发射光经滤波器后输出400～2400nm内任意波段的单色光。

信号检测机构包括探头3、用于支撑所述探头3的支架、光度计4以及计算机5；光度计4为美国gammascientific（伽马科学）s470型udt台式光度计，探头3为247型平板辐射传感器探头，支架用于对探头的空间位置进行调整。s470型光学仪器适用于光度测量、辐射测量、激光功率和光纤测量。247型辐射传感器探头包括用于从蓝色到近红外的平坦响应的精密辐射测量滤波器。该传感器探头拥有高线性度和低噪声性能。探头3、激光发射机构以及透明有机玻璃管6的中心轴均位于同一平面内，激光发射机构发射的单色光垂直于透明有机玻璃管6的中心轴入射至管内，单色光经管内气液两相流体吸收后射出所述透明有机玻璃管，同时在透明有机玻璃管周围产生散射光；探头3用于接收所述散射光，并将散射光信号传输至光度计，所述计算机用于对光度计传输的信号进行处理和分析。

探头与激光发射机构位于透明有机玻璃管的同侧，且探头位于与单色光入射方向呈45度或315度夹角的直线上。或者探头与激光发射机构位于透明有机玻璃管的两侧，且探头位于与单色光入射方向呈135度或225度夹角的直线上。

一种基于散射光测量管道流量的方法，包括以下步骤：

（a）设置任一上述的系统；

（b）生成气液两相流，并让流体在透明有机玻璃管内流动；

（c）打开激光器，使发射的单色光垂直射入有机玻璃管；

（d）用探头和光度计在有机玻璃管周围探测散射光，之后用计算机进行数据处理和分析。

所述探头与所述激光发射机构位于透明有机玻璃管的同侧，且探头位于与单色光入射方向呈45度或315度夹角的直线上；或者所述探头与所述激光发射机构位于透明有机玻璃管的两侧，且探头位于与单色光入射方向呈135度或225度夹角的直线上。图2和图3所示，测量散射折射激光时，分别从与入射激光顺时针方向呈45度、135度、225度、315度方向探测散射的激光功率，激光发射位置和探测器检测位置处于同一平面上，且该平面过管道横截面的圆心，测完调换激光器从另一侧探测气液两相环状流。该种设计方案能够从不同角度探测可见激光进入气液两相流界面和穿出气液两相流界面时散射的光。

检测实例

如图1所示，在试验时，将有机玻璃管与管道相连通，管道设有两个支管一个支管与气泵7相连，另一支管与水泵8相连，气泵和水泵均配置有变频器9，可通过计算机5控制转速，进而调整进入有机玻璃管内气体和液体的含量。将sc400-4型超连续谱激光器设定为波长为532nm的可见绿色激光，并对不同相含率的气液两相流进行测量。

在测量激光透射气液两相流功率时，对确定相含率的气液两相流测量一分钟，取60个数据，取平均值，取此平均值为激光透射这个相含率的气液两相流的功率，根据测得的功率和气液两相流的体积含气率绘制图表。观察功率与气液两相流的体积含气率的关系。如图4所示，横坐标为气液两相流中的体积含气率，纵坐标为透射激光功率，从图中可以看出，气液两相环状流中体积含气率越高，透射所得到的功率越高，环状流对激光的衰减程度就越小。探头所得到的功率与体积含气率呈正相关，当气液两相流中水的含量越高，对激光的衰减程度越大。取10组数据使用origin进行拟合，得到拟合方程用一元二次方程表示为y=111142.39538x²-20564.65617x+9525.3445。拟合系数r²=0.91517。

各个方向上散射折射激光功率与体积含气率呈负相关关系；也就是体积含液率与散射折射激光功率呈正相关。通过观察测量得到的数据发现各个方向散射折射的激光功率不同，所以把各个方向的功率联合起来进行比较。由图5可得，激光正方向探测气液两相环状流时，在同一平面上方向2（135°）和方向3（225°）上散射折射的激光能量要远大于方向1（45°）和方向4（315°）上散射折射的激光能量。而方向3（225°）和方向2（135°）上激光散射折射的能量相比，方向3（225°）大于方向2（135°）上激光散射折射的能量。由图6可知激光反方向探测气液两相环状流时，方向2（135°）和方向3（225°）上散射折射的激光能量要远大于方向1（45°）和方向4（315°）上散射折射的激光能量。而方向3（225°）和方向2（135°）上激光散射折射的能量相比，方向2（135°）大于方向3（225°）上激光散射折射的能量。因此可得在同一平面上可知激光通过进入气液两相流界面散射折射的能量小于穿出气液两相流界面散射折射的能量，在激光器一侧所散射折射的能量小于探头一侧散射折射的能量，而在另一侧，气液两相流流来方向激光散射折射的能量要大于气液两相流流出方向激光散射折射的能量。