捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头、测量装置及测量方法

本发明涉及气固两相流检测，特别是涉及捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头、测量装置及测量方法。

背景技术：

1、高浓度粉体的喷射过程是一种典型的气固两相流的射流过程。典型的高浓度粉体喷射过程主要有气固流化床，粉末管道高速输运，粉体灭火剂喷射灭火等。以粉体灭火剂喷射过程为例，粉体灭火剂存储在灭火瓶中在加压惰性气体的作用下，喷射至火焰上发生物理化学作用实现灭火。在惰性气体的驱动下颗粒物在较高的初速度下从喷嘴喷出，扩散，运移。最终在气体阻力的作用下，颗粒速度降低从而沉降。喷射而出的粉体灭火剂浓度对于评估固定式灭火系统，便携式灭火瓶的充装条件，以及粉体的灭火剂效能极为重要。但是较高速度的稠密相粉体颗粒对传感器的冲击，使得粉体颗粒四处飞散，形成乱流，极易造成传感器内部的沾染，进而对测量信号造成影响，难以实现气固两相流射流过程的原位测量。现有技术中，针对气固两相流的射流过程，固相浓度变化的测量极具挑战。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对现有技术中对较高速度的稠密相粉体颗粒进行浓度测量不够准确的问题，提供一种捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头、测量装置及测量方法。

2、一种捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，包括：

3、探头本体，其中部区域开设有多个测量通孔，多个所述测量通孔以所述探头本体的轴线为圆心环形均匀分布，且所述测量通孔沿着所述探头本体的轴线方向的长度，小于垂直所述探头本体的轴线方向的长度；以及

4、环状气流挡板，其安装在所述探头本体外侧壁，且覆盖在多个所述测量通孔上，所述环状气流挡板包括：

5、两个内嵌环，其沿所述探头本体的轴线平行设置，且均套设在所述探头本体的外侧壁形成台阶，所述测量通孔位于两个所述内嵌环之间；

6、多个连接筋板，以所述探头本体的轴线为圆心环形均匀分布，多个所述连接筋板的其中一侧均与所述内嵌环的外侧壁固定连接；

7、两个外嵌环，其分别套设在两个内嵌环的外部，且同心设置，所述外嵌环的内侧壁与所述连接筋板远离内嵌环的一侧固定连接，所述外嵌环、内嵌环和多个连接筋板之间形成多个进气槽；以及

8、外护套，其内壁与所述外嵌环的外侧壁固定连接，且所述外护套的宽度大于等于两个所述内嵌环之间距离的3倍，其用于抵挡高速气流的直接冲击，所述外护套、两个外嵌环和两个内嵌环之间形成减压腔，所述进气槽和减压腔相连通共同形成与所述测量通孔相连通的气流通道，其用于减少高速气流对光纤探头内部的冲击。

9、作为优选实例，所述外护套的内径大于等于所述内嵌环内径的1.5倍。

10、作为优选实例，所述内嵌环的内径与所述探头本体的外径尺寸相同。

11、作为优选实例，所述环状气流挡板为树脂材质。

12、作为优选实例，所述探头本体包括反射结构件、测量结构件和前端光纤过渡件，所述反射结构件和前端光纤过渡件分别安装在所述测量结构件的两端。

13、作为优选实例，所述测量结构件为圆柱套筒式结构，其两端均设置有内螺纹；

14、所述反射结构件包括凹面反射镜和镜座，所述镜座与所述测量结构件的其中一端通过内螺纹准直连接，所述凹面反射镜与所述镜座的内壁同心固定连接；

15、所述前端光纤过渡件与所述测量结构件的另一端通过内螺纹准直连接。

16、本发明还提供了一种捕获射流颗粒浓度变化的测量装置，包括如上所述的捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，还包括y型光纤和测量控制器；所述y型光纤的一端与所述光纤探头连接，另一端与所述测量控制器连接。

17、作为优选实例，所述y型光纤包括多个发射光纤和多个接收光纤，多个所述发射光纤聚集在中间，多个所述接收光纤均匀分布设置在所述接收光纤的外围。

18、本发明还提供了一种捕获射流颗粒浓度变化的测量方法，其使用了如上所述的捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，包括以下步骤：

19、s1、稳态环境下的标定；首先将所述探头本体放置在气溶胶稳态环境中进行标定，选择浓度变化对应一致的区域进行数据拟合得到浓度变化与探测光强信号的关系作为标定关系曲线进行存储；

20、s2、所述探头本体的调整；将所述探头本体放置在实际场景中测量，得到其所测量的最高喷射浓度，同时确定所述探头本体的沾染程度，若未发生粉尘沾染现象，则所述探头本体直接进行应用，进入s3，若发生粉尘沾染现象，则所述探头本体先进行防护处理设置，然后再进入s3；

21、s3、浓度变化的采集；将所述光纤探头放置在气固两相流喷射的实际场景中开展浓度测试，通过存储的所述标定关系曲线，将在测量过程中得到的光强信号进行反演得到实际情况下的浓度值。

22、作为优选实例，在s2中，所述防护处理设置的方法包括以下步骤：

23、s210、将环状气流挡板套设在所述探头本体上，其中，环状气流挡板的外护套为任意宽度；

24、s220、开展喷射测量实验，获得喷射过程中所述探头本体测得的最高浓度和所述探头本体的粉尘沾染程度；

25、s230、判断所述探头本体测得的最高浓度是否达到喷射测量实验的最高浓度，且判断所述探头本体的粉尘沾染程度是否达到阈值；

26、s240、如果达到最高喷射浓度，且粉尘沾染程度达到阈值，则增加所述外护套的宽度并重复进行s220；

27、s250、如果未达到最高喷射浓度，且粉尘沾染程度未达到阈值，则减低所述外护套的宽度，并重复进行s220；

28、s260、如果未达到最高喷射浓度，且粉尘沾染程度达到阈值，则对喷射测量实验的条件及状况进行检查，并重复进行s220；

29、s270、如果达到最高喷射浓度，且粉尘沾染程度未达到阈值，则固定好所述探头本体和所述环状气流挡板，完成防护处理设置。

30、本发明的有益效果在于：

31、1、本发明通过环状气流挡板的设置，其外护套与内嵌环之间的比例设置，使得外护套能够抵挡高速气流的直接冲击，由于粉体的沾染特性在外护套外侧壁面上形成沾染和堆积，随着沾染堆积层厚度的增加，粉体沾染效果降低同时部分发生撞击后，发生动量损失，粉体颗粒在外部气流的曳力携带作用下通过进气槽进入探头测量空间，使得分体颗粒进入光纤探头测量空间内速度较低且流动轨迹较为平稳。

32、2、本发明通过外嵌环、内嵌环和多个连接筋板之间形成多个进气槽，外护套、两个外嵌环和两个内嵌环之间形成减压腔。进入其中的气流受其限制，造成动量损失，从而减小进入光纤测量空间内的气流速度，使得携带进入测量空间内的粉体颗粒流动进一步平缓，减小对光纤探头内部的沾染。

技术特征：

1.一种捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，其特征在于，所述外护套（143）的内径大于等于所述内嵌环（141）内径的1.5倍。

3.根据权利要求1所述的捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，其特征在于，所述内嵌环（141）的内径与所述探头本体的外径尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，其特征在于，所述环状气流挡板（14）为树脂材质。

5.根据权利要求1所述的捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，其特征在于，所述探头本体包括反射结构件（11）、测量结构件（12）和前端光纤过渡件（13），所述反射结构件（11）和前端光纤过渡件（13）分别安装在所述测量结构件（12）的两端。

6.根据权利要求5所述的捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，其特征在于，所述测量结构件（12）为圆柱套筒式结构，其两端均设置有内螺纹；

7.一种捕获射流颗粒浓度变化的测量装置，其特征在于，包括如权利要求1至6中任意一项所述的捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，还包括y型光纤（2）和测量控制器（3）；所述y型光纤（2）的一端与所述光纤探头（1）连接，另一端与所述测量控制器（3）连接。

8.根据权利要求7所述的捕获射流颗粒浓度变化的测量装置，其特征在于，所述y型光纤（2）包括多个发射光纤（21）和多个接收光纤（22），多个所述发射光纤（21）聚集在中间，多个所述接收光纤（22）均匀分布设置在所述接收光纤（22）的外围。

9.一种捕获射流颗粒浓度变化的测量方法，其使用如权利要求1至6中任意一项所述的捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的捕获射流颗粒浓度变化的测量方法，其特征在于，在s2中，所述防护处理设置的方法包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头、测量装置及测量方法。捕获射流颗粒浓度变化的光纤探头包括探头本体和环状气流挡板；探头本体的中部区域开设有多个测量通孔，多个所述测量通孔以所述探头本体的轴线为圆心环形均匀分布，且所述测量通孔沿着所述轴线方向的长度小于垂直所述轴线方向的长度；环状气流挡板安装在所述探头本体外侧壁，且覆盖在多个所述测量通孔上。本发明通过环状气流挡板的设置，其外侧壁能够抵挡高速气流的直接冲击，同时环状气流挡板上形成有气流通道，通过气流通道内壁进一步减缓高速气流对光纤探头内部的冲击，从而使得通过测量通孔的气溶胶粉体气流能够以较小的速度和平稳的层流状态流动，减小对光纤探头内部的沾染。

技术研发人员：张和平,马伟通,陆松,周琪勇,刘邵南
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17