專利名稱：掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及霧滴粒徑和濃度空間分布的分析儀，特別是一種掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀。用于測量儀器技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
噴嘴在化工、能源、環(huán)保等諸多工業(yè)領域有著廣泛應用，噴霧的霧滴顆粒和濃度及其在空間分布情況對噴嘴使用性能有很大影響。同時噴霧物理過程十分復雜，現(xiàn)階段單純依靠理論方法尚難以準確求解霧滴場中顆粒和濃度及其在空間分布，實驗測量仍是這類研究和應用工作中主要手段之一。噴霧過程是一個動態(tài)的氣液兩相流過程，霧滴粒徑小且在空間和時間上存在都非常有限，因此測量工作難度很大。近三十年來科研人員對噴霧測量技術(shù)進行了大量研究工作，取得了一些成果。其中光學方法具有非接觸測量的特點，特別適用于諸如霧滴這樣的氣液帶粒兩相流的測量，在現(xiàn)有噴霧測量技術(shù)占有主導地位。
最具代表性的是激光相位多普勒(簡稱PDA或PDPA)技術(shù)，研究人員經(jīng)常利用它來對噴霧情況進行研究，F(xiàn)rank Puschmann等人在期刊《Experimental Thermaland Fluid Science》(期刊中文名稱《實驗傳熱和流體科學》)的2004年28卷上發(fā)表了“Transient measurement of heat transfer in metal quenching withatomized sprays”一文，該文介紹了用PDA對噴霧后霧滴在熱金屬表面蒸發(fā)情況進行測量的情況，以此來研究霧滴傳熱。PDA技術(shù)利用多對聚焦激光束從不同方向入射到霧滴表面，利用從霧滴表面散射光波的相位差求取粒徑。這種儀器在使用時不足之處主要體現(xiàn)在測量區(qū)小，具有很高空間分辨率的同時也犧牲了測量數(shù)據(jù)的代表性，測量數(shù)據(jù)用于計算濃度時誤差較大；對于非球形顆粒測量結(jié)果難以給出合理的粒徑解釋，對非球形顆粒測量的誤差較大；PDA是種點測量技術(shù)，完成一個噴霧場的測量周期較長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足和缺陷，提供一種掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀，即利用顆粒和濃度光學傳感器和可編程控制導軌架構(gòu)成的掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀，使其具有采樣區(qū)域大，測量結(jié)果在空間域內(nèi)具有較高的代表性，濃度測量誤差小，可得到空間各點霧滴粒徑和濃度，測量過程易于自動化，實驗測量周期短。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，本發(fā)明包括可編程控制導軌架、兩個微調(diào)支座、顆粒粒徑和濃度光學傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機。其中顆粒粒徑和濃度光學傳感器為分離結(jié)構(gòu)，由發(fā)射端和接收端構(gòu)成，它們分別被安裝在微調(diào)支座上，微調(diào)支座固定在可編程控制導軌架上，發(fā)射端和接收端采集到的光電信號通過導線連接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號通過導線傳輸?shù)接嬎銠C。
本發(fā)明工作時，噴霧霧滴自顆粒粒徑和濃度光學傳感器的發(fā)射端和接收端之間的空間流過，利用顆粒粒徑和濃度光學傳感器和可編程控制導軌架完成噴霧場中一系列直線上霧滴平均粒徑和濃度的測量，測量不同直線時位置的變動由可編程控制導軌架掃描完成，而在對一條直線上霧滴粒徑和濃度進行測量時，可編程控制導軌架靜止，每個位置測量結(jié)果及空間位置坐標由計算機記錄。完成對這個噴霧場的掃描后，由計算機根據(jù)記錄的一系列霧滴粒徑和濃度測量數(shù)據(jù)及空間位置坐標結(jié)合層析算法計算噴霧場霧滴粒徑和濃度在三維空間的分布。
本發(fā)明中可編程控制導軌架是顆粒粒徑和濃度光學傳感器以及微調(diào)支座的支撐和固定支架，它在沿著水平和垂直方向?qū)婌F場的掃描的同時，也確定每一測量直線的空間位置坐標?？删幊炭刂茖к壖苌瞎潭ㄓ蠻型懸臂梁，懸臂梁的前端安裝微調(diào)支座，U型懸臂梁之間是測量時噴霧流動區(qū)域。
微調(diào)支座連接著可編程控制導軌架和顆粒粒徑和濃度光學傳感器，微調(diào)支座上帶有上下、左右方向、水平轉(zhuǎn)動的調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)整顆粒粒徑和濃度光學傳感器發(fā)射端和接收端的相對位置，使穿越噴霧場的光束能被正確地接收。
測量時顆粒粒徑和濃度光學傳感器的發(fā)射端和接收端同軸布置，發(fā)射端和接收端之間的同軸位置要求通過微調(diào)支座的調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)。發(fā)射端包括參考光引導光纖、空間濾波器、限束器、光電轉(zhuǎn)換器、放大電路、半導體激光器和封裝體。接收端包括凸透鏡、光闌、觀察鏡、光電接收器件、信號放大電路和封裝體。發(fā)射端封裝體和接收端封裝體前部和后部均有小孔，它們構(gòu)成了保護空氣的通道。保護空氣用來隔離污染物，同時前面的小孔也是測量用光束的通道，顆粒粒徑和濃度光學傳感器采集和處理的模擬信號經(jīng)由導線輸入到A/D轉(zhuǎn)換器。
激光器是整個系統(tǒng)測量信號的能量源，為了減小顆粒粒徑和濃度光學傳感器尺寸，發(fā)射端采用半導體激光器；發(fā)射端內(nèi)的參考光傳導光纖采集的光能信號經(jīng)由光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器，由光信號轉(zhuǎn)換為電信號；電信號輸入到放大電路放大以適合于傳輸，該電信號用來修正測量過程中由于種種因素導致的入射光強度的脈動；空間濾波器用來剔除激光中高階模雜散光，提高測量用入射光束的質(zhì)量；利用限束器得到測量所需直徑光束，提高測量精度；封裝體在起到保護內(nèi)部器件作用的同時，還作為同微調(diào)支座的連接件。凸透鏡用來對透射光進行傅立葉變換；光闌用來剔除霧滴散射光，保證透射光的接收；光電轉(zhuǎn)換器將接收到的透射光信號轉(zhuǎn)換為電信號，方便信號的處理；放大電路將光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電信號進行放大，使其適合于從導線傳輸；通過觀察鏡操作人員可以觀察到透射光束經(jīng)過凸透鏡后在光闌上的聚焦情況，方便分析儀光路的調(diào)整工作；保護空氣用于防止霧滴和其它灰塵顆粒通過小孔進入發(fā)射端或接收端內(nèi)部。
A/D轉(zhuǎn)換器將顆粒粒徑和濃度光學傳感器測量得到的電信號由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使其能夠在較遠距離上傳輸和適合于計算機處理；在顆粒粒徑和濃度光學傳感器的發(fā)射端和接收端內(nèi)部分別得到了表示參考光強度和透射光強度的電信號，上述電信號分別輸入到A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這些數(shù)字信號經(jīng)由導線輸入到計算機。
計算機通過指令控制可編程控制導軌架在水平和垂直方向上的移動，接收從顆粒粒徑和濃度光學傳感器發(fā)射端和接收端輸入的參考光信號和透射光信號并根據(jù)相應理論計算霧滴粒徑和濃度，并負責記錄各個測量位置的坐標值及霧滴粒徑和濃度，然后根據(jù)層析理論和掃描過程測量記錄的位置坐標、霧滴粒徑、濃度數(shù)據(jù)，計算三維空間霧滴的粒徑和濃度分布，結(jié)果存儲在計算機內(nèi)，并按一定方式進行輸出，供有關(guān)人員進行分析。
本發(fā)明將顆粒粒徑和濃度光學傳感器、可編程控制導軌架、計算機有機結(jié)合，使系統(tǒng)具有對噴霧場掃描的能力，同時通過顆粒粒徑和濃度光學傳感器測量每一條直線上霧滴粒徑和濃度，然后結(jié)合計算機的記錄和運算能力，求解出噴霧場粒徑和濃度在三維空間的分布。同現(xiàn)有噴霧測量技術(shù)相比具有如下優(yōu)勢采樣區(qū)域大，分析儀以平行光束為探頭，由其照亮的噴霧區(qū)域為測量區(qū)，較PDA測量區(qū)的體積增大許多倍，測量結(jié)果在空間域內(nèi)具有較高的代表性，同時通過對多直線上對霧滴采樣測量并結(jié)合層析算法，可以計算得到空間各點的霧滴粒徑和濃度；用霧滴的投影面積換算其粒徑，減小了非球形霧滴對測量結(jié)果的影響；本發(fā)明可以用來測量、分析噴嘴附近液體分裂霧化過程，為研究噴霧復雜區(qū)域內(nèi)粒徑變化情況提供了測量手段；測量過程以掃描形式進行，數(shù)據(jù)采集、分析易于實現(xiàn)自動化；對整個噴嘴霧化場的實驗測量周期短。


圖1本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明微調(diào)支座結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明顆粒粒徑和濃度光學傳感器發(fā)射端結(jié)構(gòu)示意4本發(fā)明顆粒粒徑和濃度光學傳感器接收端結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明包括可編程控制導軌架1、顆粒粒徑和濃度光學傳感器2、兩個微調(diào)支座3、A/D轉(zhuǎn)換器6、計算機7，顆粒粒徑和濃度光學傳感器2為分離結(jié)構(gòu)，由發(fā)射端4和接收端5構(gòu)成，它們分別被設置在兩個微調(diào)支座3上，兩個微調(diào)支座3分別固定在可編程控制導軌架1上，發(fā)射端4和接收端5采集的光電信號通過導線連接到A/D轉(zhuǎn)換器6的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號通過導線傳輸?shù)接嬎銠C7。
可編程控制導軌架1帶有U型懸臂梁8，U型懸臂梁2前端分別設置有微調(diào)支座3，顆粒粒徑和濃度光學傳感器2的發(fā)射端4和接收端5設置在微調(diào)支座3上，發(fā)射端4和接收端5之間構(gòu)成了噴霧流動的區(qū)域。
微調(diào)支座3用于連接可編程控制導軌架1與顆粒粒徑和濃度光學傳感器2的發(fā)射端4和接收端5，微調(diào)支座3上帶有上下、左右方向平移、水平轉(zhuǎn)動的調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)整發(fā)射端4和接收端5間的相對位置，保證透射光束的正確接收。微調(diào)支座3由緊固件9、垂直方向微調(diào)裝置10、連接底座11、水平轉(zhuǎn)動件12、水平轉(zhuǎn)動螺栓13、左右方向微調(diào)螺栓對14、水平移動件15、支撐件16組成。微調(diào)支座3通過連接底座11連接在可編程控制導軌架1上；通過垂直方向微調(diào)裝置10、左右水平方向上的螺栓對14調(diào)節(jié)發(fā)射端4和接收端5的相對位置，使從發(fā)射端4射出的光束經(jīng)聚焦后準確進入接收端5的光闌內(nèi)；水平轉(zhuǎn)動微調(diào)螺栓對13調(diào)節(jié)光束相對于光闌的入射角，進一步保證透射光的完全接收；緊固件9有支撐件16頂部加工的帶有缺口的通孔和螺栓構(gòu)成，通孔直徑略大于顆粒粒徑和濃度光學傳感器的發(fā)射端4和接收端5外徑，由于材料的彈性，當擰緊螺栓時通孔直徑縮小，將顆粒粒徑和濃度光學傳感器夾緊。水平轉(zhuǎn)動件12與連接底座11用間隙配合相連接，水平轉(zhuǎn)動微調(diào)螺栓對13與連接底座11用螺紋連接，水平轉(zhuǎn)動微調(diào)螺栓對13通過作用在水平轉(zhuǎn)動件12上的突肩使其在水平面上的一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動；水平移動件15利用燕尾槽同水平轉(zhuǎn)動件12相連接，通過螺栓對14可以調(diào)節(jié)水平移動件15在水平方向上的位置；支撐件16同垂直方向微調(diào)裝置10利用螺紋連接，當調(diào)節(jié)垂直方向微調(diào)裝置10時，支撐件16隨之一起運動，從而調(diào)節(jié)顆粒粒徑和濃度光學傳感器在垂直方向的位置。
發(fā)射端4包括放大電路17、光電轉(zhuǎn)換器18、半導體激光器19、參考光引導光纖20、空間濾波器21、限束器22和封裝體23，其連接方式為參考光引導光纖20固定在半導體激光器19旁，空間濾波器21、限束器22、半導體激光器19依次排列，封裝在封裝體23內(nèi)，光電轉(zhuǎn)換器18、放大電路17均安裝在封裝體23后部。
接收端5包括封裝體24、凸透鏡25、觀察鏡26、光闌27、光電接收器28和信號放大電路29，凸透鏡25與光闌27間的距離等于凸透鏡的焦距。其連接方式為凸透鏡25、光闌27、光電接收器28、信號放大電路29封裝在封裝體24內(nèi)部，凸透鏡25通過連接件固定在封裝體24上，光闌27利用緊固螺紋固定在封裝體24臺階孔內(nèi)，觀察鏡26安裝在封裝體24的側(cè)壁上，用于調(diào)試光路時觀察聚焦透射光的接收情況。測量時發(fā)射端4和接收端5同軸布置，發(fā)射端封裝體和接收端封裝體后部和正面均有小孔，它們構(gòu)成了保護空氣的通道，同時正面的小孔也是光束的通道。
計算機7是本發(fā)明的控制和計算中心，計算機的控制功能主要是根據(jù)操作人員的設定，向可編程控制導軌架1發(fā)出行走指令。其計算功能主要包括依照相應的光學理論，根據(jù)顆粒傳感器2在每個位置采集的光信號計算霧滴的粒徑和濃度；通過可編程控制導軌架1的行走，帶動傳感器2完成對噴霧場的掃描，并記錄下各個位置的空間坐標和相應的霧滴粒徑和濃度；根據(jù)噴霧場中心對稱特點，結(jié)合層析理論，計算三維空間霧滴的粒徑和濃度分布。
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實施例噴嘴被廣泛地使用在科學研究和各類工業(yè)生產(chǎn)領域，噴嘴噴出霧滴的粒徑和濃度及其在空間分布對使用性能有很大影響。同時噴霧過程極其復雜，實驗仍是目前噴霧研究的重要方法之一，本發(fā)明可以為研究人員和工程技術(shù)人員提供實驗測量霧滴粒徑和濃度及其空間分布的設備，其實施方法如下搭建噴霧實驗臺，將噴嘴固定在一定的高度，噴霧方向向下。將可編程控制導軌架1置于實驗臺合適位置，使噴霧從可編程控制導軌架的懸臂梁8間的空間流過，并保證可編程控制導軌架水平和垂直移動時，固定在其懸臂梁8上的顆粒粒徑和濃度光學傳感器2的軸線能夠完全掃描需要測量噴霧場的全部空間。
作為準備工作，測量前在計算機7上設定可編程控制導軌架的坐標原點，并根據(jù)實驗需要給定可編程控制導軌架1在水平和垂直方向上掃描時的步進長度，然后進行測量。測量時，在每個步進長度上可編程控制導軌架1停留一定的時間，由顆粒粒徑和濃度光學傳感器2測量該位置直線上霧滴的粒徑和濃度，測量得到的霧滴粒徑、濃度數(shù)據(jù)以及空間位置數(shù)據(jù)均記錄在計算機7內(nèi)部；完成該點測量后可編程控制導軌架根據(jù)先前確定的掃描步長移動到下一個測量位置，如此反復，完成對噴霧場的掃描。最后由計算機7利用上述過程記錄的粒徑、濃度和空間坐標數(shù)據(jù)，依據(jù)相應的算法計算出霧滴粒徑和濃度在空間的分布。
權(quán)利要求
1.一種掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀，包括可編程控制導軌架(1)、顆粒粒徑和濃度光學傳感器(2)、微調(diào)支座(3)、A/D轉(zhuǎn)換器(6)、計算機(7)，其特征在于，顆粒粒徑和濃度光學傳感器(2)為分離結(jié)構(gòu)，由發(fā)射端(4)和接收端(5)構(gòu)成，它們分別被設置在微調(diào)支座(3)上，微調(diào)支座(3)固定在可編程控制導軌架(1)上，發(fā)射端(4)和接收端(5)測量的信號通過導線連接到A/D轉(zhuǎn)換器(6)的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器(6)的輸出端連接到計算機(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀，其特征是可編程控制導軌架(1)帶有U型懸臂梁(8)，U型懸臂梁(2)前端分別安裝有微調(diào)支座(3)，顆粒粒徑和濃度光學傳感器的發(fā)射端(4)和接收端(5)安裝在微調(diào)支座(3)上，發(fā)射端(4)和接收端(5)之間構(gòu)成了噴霧流動的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀，其特征是微調(diào)支座(3)連接可編程控制導軌架(1)與顆粒粒徑和濃度光學傳感器(2)的發(fā)射端(4)和接收端(5)，微調(diào)支座(3)上帶有上下、左右方向平移、水平轉(zhuǎn)動的調(diào)節(jié)裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀，其特征是微調(diào)支座(3)具體包括緊固件(9)、垂直方向微調(diào)裝置(10)、連接底座(11)、水平轉(zhuǎn)動件(12)、水平轉(zhuǎn)動螺栓(13)、左右方向微調(diào)螺栓對(14)、水平移動件(15)、支撐件(16)，微調(diào)支座(3)通過連接底座(11)連接在可編程控制導軌架(1)上，垂直方向上設有微調(diào)裝置(10)，左右水平方向上設有螺栓對(14)，水平轉(zhuǎn)動微調(diào)螺栓對(13)與連接底座(11)用螺紋連接，水平轉(zhuǎn)動件(12)與連接底座(11)用間隙配合相連接，水平移動件(15)利用燕尾槽同水平轉(zhuǎn)動件(12)相連接，緊固件(9)有支撐件(16)頂部加工的帶有缺口的通孔和螺栓構(gòu)成，通孔直徑略大于顆粒粒徑和濃度光學傳感器的發(fā)射端(4)和接收端(5)外徑，支撐件(16)同垂直方向微調(diào)裝置(10)利用螺紋連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀，其特征是發(fā)射端(4)包括放大電路(17)、光電轉(zhuǎn)換器(18)、半導體激光器(19)、參考光引導光纖(20)、空間濾波器(21)、限束器(22)和封裝體(23)，其連接方式為參考光引導光纖(20)固定在半導體激光器(19)旁，空間濾波器(21)、限束器(22)、半導體激光器(19)依次排列，封裝在封裝體(23)內(nèi)，光電轉(zhuǎn)換器(18)、放大電路(17)均安裝在封裝體(23)后部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀，其特征是接收端(5)包括封裝體(24)、凸透鏡(25)、觀察鏡(26)、光闌(27)、光電接收器(28)和信號放大電路(29)，凸透鏡(25)與光闌(27)間的距離等于凸透鏡的焦距。其連接方式為凸透鏡(25)、光闌(27)、光電接收器(28)、信號放大電路(29)封裝在封裝體(24)內(nèi)部，凸透鏡(25)通過連接件固定在封裝體(24)上，光闌(27)利用緊固螺紋固定在封裝體(24)臺階孔內(nèi)，觀察鏡(26)設置在封裝體(24)的側(cè)壁上。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀，其特征是測量時，發(fā)射端(4)和接收端(5)同軸布置，發(fā)射端封裝體和接收端封裝體后部和正面均有小孔，它們構(gòu)成了保護空氣的通道，同時正面的小孔也是光束的通道。
全文摘要
一種掃描式噴嘴霧化場霧滴粒徑和濃度空間分布分析儀，用于測量儀器技術(shù)領域。本發(fā)明包括可編程控制導軌架、兩個微調(diào)支座、顆粒粒徑和濃度光學傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機。其中顆粒粒徑和濃度光學傳感器為分離結(jié)構(gòu)，由發(fā)射端和接收端構(gòu)成，它們分別被安裝在微調(diào)支座上，微調(diào)支座固定在可編程控制導軌架上，發(fā)射端和接收端采集到的光電信號通過導線連接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號通過導線傳輸?shù)接嬎銠C。本發(fā)明主要應用于各種噴嘴的噴霧場研究，對噴嘴的工作介質(zhì)沒有特殊要求，甚至可以用來測量氣固兩相噴射流內(nèi)固相顆粒的粒徑和濃度的空間分布，采樣區(qū)域大，濃度測量誤差小，測量過程易于自動化，實驗測量周期短。
文檔編號G01N15/02GK1587985SQ20041005303
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
發(fā)明者吳偉亮, 陳漢平, 馬會民, 徐芬 申請人:上海交通大學