一种颗粒两相流的粒子浓度检测方法与流程

本发明涉及一种粒子浓度检测方法，尤其涉及一种采用粒子散射光占空比的颗粒两相流的粒子浓度检测方法。

背景技术：

粒子的浓度测量是一个广泛的需求，例如，大气及室内半开放环境烟尘及粉尘测量、矿山及工地开发空间的烟尘及粉尘测量、工业过程诸如除尘效率监控燃烧效率监控等过程控制、排放口污染排放测量等。

目前，散射测量方法主要基于两种技术路线：一种方法可称为群散射方法，是通过将光束导入粒子群，在粒子之间的距离相对较大的情况下，根据MIE经典散射理论，粒子群产生的散射可忽略复散射的成分，在单散射的情况下粒子群产生的散射光强与粒子群的浓度呈线性关系，当粒子群的浓度增加，散射光强呈正比例增加，通过这种关系，通过测量散射光强得到粒子群的浓度。

另一种方法是采用粒子计数方法，通过光学器件的设计，可将取样区定义的极其小，光束投射到粒子群时，在特定的时刻，仅有单个粒子的散射光被检测，散射光强的大小反映了粒子粒径的大小，通过一个时间段的累计统计，可得到粒子群的浓度。如果粒子群的粒径分布保持不变，累计粒子计数就直接和粒子群的浓度保持正线性相关，利用这种关系得到粒子群的浓度。

另外，通过对标准粒子对不同粒径的散射强度的预先检测，即使在粒子群粒径分布变化的情况下也能够得到粒子群的浓度。

在上述的两类方法中，在解算粒子群浓度时，都引入了粒子群或单个粒子的散射光强，在两相流粒子项浓度的实际测量中，散射光的采集需要在粒子两相流和光电传感器及光源之间安装一个窗口，并且在窗口前设置保护气幕，从而保障传感器和光源不受粒子群的污染。但是，随着一定的时间积累，窗口仍然容易被污染，这样由于窗口的污染直接导致了散射信号强度的降低，导致测量结果随着窗口污染而逐渐积累负向偏差，以至于最后测量完全失效。

因此，针对以上方面，需要对现有检测方法进行有效创新。

技术实现要素：

针对以上缺陷，本发明提供一种颗粒两相流的粒子浓度检测方法，该方法不采用粒子散射光强度和颗粒物浓度之间的正相关关系解算粒子浓度，采用粒子散射光占空比的方法得到粒子的浓度，以解决现有技术的诸多不足。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种颗粒两相流的粒子浓度检测方法，由以下步骤组成：

⑴首先，在粒子群中通过一束激光束，激光束与粒子作用产生散射光，在测量取样区的粒子的特定立体角的散射光由接收透镜组汇聚到传感器上；

⑵单个粒子通过测量取样区时于传感器形成波形，当测量取样区没有粒子时波形为基底噪声，粒子进入测量取样区时有一个急速上升的上升沿，然后缓慢升高在缓慢降低在后面是一个急速下降沿，随后，粒子离开测量取样区，波形又变成基底噪声；

⑶当粒子群以某速度通过测量取样区时，在传感器上输出波形，每一个近似一个鼓形的波形，对应于一个粒子从进入测量取样区到出测量取样区的过程，这样鼓形波的高度En代表单个粒子的散射能力的大小，代表了粒子尺寸大小；

⑷由大量粒子组成粒子群，以速度v通过测量取样区，测量取样区由透镜口径、焦距及传感器的受光面积和传感器到透镜的距离定义，在由透镜和传感器组成的接收系统具有足够的灵敏度时，在传感器上输出信号，是一个鼓形波的时间序列信号，而波形序列占据的时间和与整个时间比值则直接量度了离子浓度；

⑸基底存在噪声带，若采用基底作为拾取占空比的信号基准，就会存在基底噪声对信号的干扰，在实际的操作上，通过测量基底噪音信号的强度，在高于基底噪声的水平之上设置一个基准电压，称为基线，采用在基线电压水平上测量信号上升沿超过基线和下降沿穿过基线的点，在这两点之间作为颗粒物穿过测量区的量度。

对于已知浓度的粒子群，通过测量这两个时间序列，可得到校准系数值；连续测量的情况，通过测量n个粒子样品的时间序列，得到在这个时间段的浓度值，然后不断重复这个过程，得到连续的浓度序列值。

本发明所述的颗粒两相流的粒子浓度检测方法的有益效果为：

⑴首先，传统的粒子群散射方法，受粒子本身的折射率，粒径分布影响很大，在不同的测量目标之间测量结果之间的分散度很大，在不同的测量目标之间需要进行浓度标定；本案实施之后，粒子浓度不再和粒子的散射强度相关，而是粒子占有测量区的时间区段和轮空时间的统计比值，或者粒子占有测量区和总的时间段的统计比值相关，这样在信号强度达到一定的阈值后，不再受窗口或激光器输出功率的波动影响，可大大地提高仪器的稳定性和可靠性，大幅度增加维护间隔时间；

⑵占空比的比值消掉了粒子运动速度项，不受粒子两相流的流速的影响；

⑶采用模拟的占空比信号对系统进行校准可靠、稳定、准确；

⑷区别于采用散射强度信号恒量粒子浓度，当窗口污染时对信号影响很大，采用占空比方式，镜头污染不再敏感。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述颗粒两相流的粒子浓度检测方法的组件构成示意图；

图2是本发明实施例所述颗粒两相流的粒子浓度检测方法的粒子波形图；

图3是本发明实施例所述颗粒两相流的粒子浓度检测方法的粒子群散射信号波形图。

图中：

1、粒子；2、激光束；3、接收透镜组；4、传感器；5、测量取样区。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明实施例所述的颗粒两相流的粒子浓度检测方法，主要由以下步骤组成：

⑴首先，在粒子群中通过一束激光束2，激光束2与粒子1作用产生散射光，在测量取样区5的粒子1的特定立体角的散射光由接收透镜组3汇聚到传感器4上；

⑵单个粒子1通过测量取样区5时于传感器4形成波形图如图2所示，当测量取样区5没有粒子时波形为基底噪声，粒子1进入测量取样区5时有一个急速上升的上升沿，然后缓慢升高在缓慢降低在后面是一个急速下降沿，随后，粒子1离开测量取样区5，波形又变成基底噪声；

⑶当粒子群以某速度通过测量取样区5时，在传感器4上的输出波形如图3所示，每一个近似一个“鼓形”的波形，对应于一个粒子1从进入测量取样区5到出测量取样区5的过程，这样鼓形波的高度En代表单个粒子1的散射能力的大小，代表了粒子1尺寸的大小；

⑷由大量粒子1组成粒子群，以速度v通过测量取样区5，测量取样区5由透镜口径、焦距及传感器4的受光面积和传感器4到透镜的距离定义，在由透镜和传感器4组成的接收系统具有足够的灵敏度时，在传感器4上的输出信号如图2所示，是一个鼓形波的时间序列信号，而波形序列占据的时间和与整个时间比值则直接量度了离子浓度；

⑸如图2所示，基底存在噪声带，若采用基底作为拾取占空比的信号基准，就会存在基底噪声对信号的干扰，在实际的操作上，通过测量基底噪音信号的强度，在高于基底噪声的水平之上设置一个基准电压，称之为基线，采用在基线电压水平上测量信号上升沿超过基线和下降沿穿过基线的点，在这两点之间作为颗粒物穿过测量区的量度；一般，基准电压的设置为了消除基底噪声的干扰，所以基线电压只是比噪音信号稍高即可，否则就会漏掉一部分小粒子的信号，造成测量结果偏低；

⑹如图3所示，粒子群穿过测量取样区5时各个粒子1进入到下个粒子1进入的时间段分别为：

T1、T2、T3、…、Tn；

粒子进入测量区信号强度超过基线水平的时间段分别为：

t1、t2、t3、…、tn；

粒子群的浓度为：(公式1)

式中：k为校准系数；

为粒子信号高于基线的时间长度总和；

为信号的的总长度；

n为粒子浓度计算样本个数；

一般而言，在各种场合，样本个数n并不需要很大上述公式就可满足测量的代表性要求。

通过图1的信号测量构造，测得两个时间序列值T1、T2、T3、…、Tn及t1、t2、t3、…、tn，再按照公式1，就可以得到浓度值C。

对于已知浓度的粒子群，通过测量这两个时间序列，可得到校准系数值k:(公式2)

式中：Cb为已知粒子群的浓度；

当k已知时，通过测量未知浓度颗粒群的这两个时间序列，就可通过公式1得到粒子群的浓度值；

连续测量的情况，通过测量n个粒子样品的时间序列，得到在这个时间段的浓度值，然后不断重复这个过程，可得到连续的浓度序列值；

如果公式1中的项采用占空比代替，也是成立的。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本案技术，熟悉本领域技术的人员显然可轻易对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本案不限于以上实施例，本领域的技术人员根据本案的揭示，对于本案做出的改进和修改，若没有产生超出本案之外的有益效果，则都应该在本案的保护范围内。