專利名稱：透過率相關(guān)頻譜法顆粒測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種可同時測量顆粒粒度分布、濃度和速度的裝置，特別涉及一種用透 過率脈動相關(guān)頻譜法測量顆粒粒度分布、濃度和速度裝置，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。本實用新型可測量的顆粒參數(shù)多、測量粒徑范圍寬，適用于含顆粒兩相流的在線監(jiān)測，可用于科學(xué)研究、 化工能源的生產(chǎn)與過程控制、環(huán)境保護(hù)、水質(zhì)檢測等涉及顆粒測量的多個領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
顆粒散射光動態(tài)信息的相關(guān)處理很早就在納米顆粒的測量技術(shù)中得到了應(yīng)用，這種技術(shù) 被稱作光子相關(guān)光譜法(Photon Correlation Spectrometry,簡稱PCS)。在PCS方法中，作布朗運(yùn)動的納米顆粒的粒徑與顆粒的運(yùn)動速度密切相關(guān)，顆粒的運(yùn)動速度又與顆粒散射光的頻譜 信息相關(guān)，通過相關(guān)處理所得到的自相關(guān)頻譜就是通過這些關(guān)系得到了顆粒的粒徑分布信息。 PCS方法可測量的粒徑范圍在納米數(shù)量級，無法對微米級以上顆粒測量。而且價格昂貴，無 法實現(xiàn)在線測量。發(fā)明內(nèi)容本實用新型目的是為了解決用PCS方法無法對微米級以上顆粒的測量，無法實現(xiàn)在線測 量的技術(shù)問題，提供一種用透過率脈動相關(guān)頻譜法測量顆粒粒度分布、濃度和速度的裝置。本實用新型的技術(shù)方案是 一種透過率相關(guān)頻譜法顆粒測量裝置，其特點是，它由測量區(qū)、產(chǎn)生光束直徑為10微米到1.5毫米之間的窄光束產(chǎn)生器、光電信號探測器和與其連接的信號處理裝置構(gòu)成。所述的窄光束產(chǎn)生器由產(chǎn)生平行光束的激光器、分束器、凸透鏡或透鏡組構(gòu)成，由激光器發(fā)射出的寬光束經(jīng)分束器分成傳播方向不同的幾束光，通過凸透鏡或透鏡組會聚，在焦點 附近的瑞利區(qū)得到窄光束組。所述的窄光柬產(chǎn)生器由產(chǎn)生平行光束的激光器和在光信號發(fā)射端和光信號接收端的設(shè)置的多孔光闌中任選二個或二個以上構(gòu)成，通過激光器發(fā)射出的寬光束在傳播方向上設(shè)置的多 孔光闌得到窄光束組。所述的窄光束產(chǎn)生器由產(chǎn)生平行光束的激光器和微元信號探測器構(gòu)成，所述的微元信號探測器由多個微小受光面光電探測單元組合而成?？蓮倪@種安排的微元探測器上選擇適當(dāng)?shù)?單元(單元受光面積大小和單元之間的間隔)達(dá)到對不同的測量對象進(jìn)行測試的目的。所述的窄光束產(chǎn)生器中的多孔光闌的孔形狀為矩形孔或圓孔的組合，光導(dǎo)纖維組受光面 的形狀為圓形孔的組合，微元信號探測器的受光面形狀為圓形或多邊形的形狀。所述的信號處理裝置由信號放大電路模塊、信號采集模塊、信號自相關(guān)和互相關(guān)處理模 塊構(gòu)成。本實用新型的有益效果是測量裝置簡單、價廉，可實現(xiàn)在線、實時檢測，可實現(xiàn)同時對 顆粒粒徑分布、濃度和速度進(jìn)行測試?？捎糜诳茖W(xué)研究、化工能源的生產(chǎn)與過程控制、環(huán)境 保護(hù)、水質(zhì)檢測等涉及顆粒測量的多個領(lǐng)域。


圖1為本實用新型測量裝置原理示意圖； 圖2為本實用新型實施例1測量裝置示意圖； 圖3為本實用新型實施例2測量裝置示意圖； 圖4為本實用新型實施例3測量裝置示意圖；圖5為多孔光闌的孔、光導(dǎo)纖維組受光面和微元信號探測器的受光面形狀示意圖； 圖6為單分散顆粒系的透過率起伏相關(guān)頻譜曲線； 圖7為雙峰分布顆粒系的透過率起伏相關(guān)頻譜曲線； 圖8信號處理裝置示意圖。 本實用新型基本測量原理本實用新型利用顆粒在窄光束照射下透過率信號的脈動特性，對透過率脈動信號作相關(guān) 處理，由此得到顆粒的速度、顆粒的粒度分布和顆粒濃度信息。這種方法稱為透過率脈動相 關(guān)頻譜法。釆用了光信號的動態(tài)特性和信號的相關(guān)處理?？梢詼y量微米級以上顆粒的粒徑分 布、濃度和速度，本實用新型的測量原理如圖1所示，設(shè)置二束相互平行的線度范圍在10微米到1.5毫米之間的窄光束，兩平行窄光束1和2之間距離相距為"，二光束的連線與顆粒 的流動方向一致，測量區(qū)3內(nèi)顆粒受光照射的厚度為丄。二光束的入射強(qiáng)度分別為/,，。和/,，。的入射光照射,在一段比較長的時間范圍{0，/, }內(nèi)通過光電信號探測器4和5分別測量透射光信號/,(0和/2(0，透射光信號隨時間脈動。光電信號探測器4和5測得的透射光信號輸入到信號處理裝置，通過CPU對信號進(jìn)行處理，用透過率信號(透射光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度之比)<formula>formula see original document page 5</formula>。表示。顆粒的速度信息可從二束窄光束透過率脈動信號的互相關(guān)處理得到，互相關(guān)信號^由 下式定義。<formula>formula see original document page 5</formula>改變相關(guān)時間r的大小，得到/^達(dá)到最大值時所對應(yīng)的z"(記做、^)并與光束距離d結(jié)合 可得顆粒速度v-d/V,。在透過率脈動信號r(^(可以是二光束當(dāng)中的任一束)中包含了顆粒的粒徑分布、濃度、 速度和顆粒流動狀態(tài)的信息，采用透過率脈動信號r(O的自相關(guān)值C表示。<formula>formula see original document page 5</formula>與上面一樣，r是相關(guān)時間。當(dāng)2" — o時，rG) = rG+r),此時相關(guān)值最大。隨著相關(guān)時間r 的增大，相關(guān)性逐漸減弱。對于光束直徑為/)5、顆粒粒徑為Dp、顆粒的流速為v的情況，當(dāng)r〉(Dp+Z)J/v時，相關(guān)性降為最小。由此，可得顆粒的粒徑和濃度信息。理論上得到r(0的相關(guān)值c是光束直徑為A^、顆粒粒徑為D"、顆粒的流速為V、顆粒 體積濃度CV。光程丄和相關(guān)時間r的函數(shù)，<formula>formula see original document page 5</formula>其中特征函數(shù)n描述透過率自相關(guān)頻譜中包含的顆粒粒度分布信息，<formula>formula see original document page 5</formula>A = DS/DP是光朿直徑與顆粒粒徑的比值，r = w/￡V 。 ^是窄光束在截面上的光強(qiáng)分布因子， 適用于圓形高斯光束、圓形均勻光束、矩形光束和多邊形光束等；對于高斯光束為 expl-("A/2)21，對于光強(qiáng)均勻分布的圓形光束為[2人(w八)/wAf ?？梢愿淖兿嚓P(guān)時間r即可得到透過率自相關(guān)頻譜，當(dāng)光束直徑為Z^、顆粒的流速為v、光程丄已知時，可得顆粒的粒徑分布信息并由此得到顆粒的濃度信息。當(dāng)顆粒為單分散系時，透過率自相關(guān)頻譜由圖6所示。從頻譜曲線的轉(zhuǎn)折點結(jié)合顆粒系 的流速即可得到顆粒的粒徑，從曲線在縱坐標(biāo)上的高度可得顆粒的濃度。圖7是一個雙峰分 布顆粒系的透過率自相關(guān)頻譜，可以求出二種特征粒徑及其濃度值。依此類推，可得多分散 顆粒系的粒度分布和濃度。本實用新型的理論模型要求光束直徑不能大于顆粒粒徑的10倍。因此，可測量的顆粒粒 徑分布范圍存在下限，但無上限。當(dāng)光束直徑為IO微米時，測量范圍大于l微米。在顆粒粒 徑接近或者大于光束粒徑的情況下有很好的測量精度。此外，速度的測量對顆粒粒徑分布的 測量至關(guān)重要，顆粒濃度的測量依據(jù)顆粒粒度分布的測量。在本實用新型中窄光束的線度由光闌尺寸、光導(dǎo)纖維尺寸或多元光電探測器的微元尺寸 決定，其范圍在10微米到1.5毫米之間，可適用于測量1微米至數(shù)毫米的顆粒粒徑，顆粒的 體積濃度范圍為0.01%至50%。圓形情況下，窄光束的線度是直徑，如光導(dǎo)纖維的直徑、圓 形微元探測單元的直徑；多邊形情況下，光束的線度是最大對角距離，如矩形光闌或矩形微 元光電探測單元的對角距離。參與互相關(guān)處理的二束窄光束的中心距在0.3至5毫米之間，可以探測的顆粒流動速度 范圍為O.l至200米/秒。
具體實施方式
一種透過率相關(guān)頻譜法顆粒測量裝置，它由測量區(qū)、產(chǎn)生光束的線度范圍在10微米到 1.5毫米之間的窄光束產(chǎn)生器、光電信號探測器和與其連接的信號處理裝置構(gòu)成。具體的測 量裝置分為插入式探針結(jié)構(gòu)和分體式探測結(jié)構(gòu)二種，具體實施方式
由圖2-5表示，用實施例 作進(jìn)一步說明。實施例1:由圖2所示，測量裝置由測量區(qū)、窄光束產(chǎn)生器、光電信號探測器和信號接收處理裝置組成，所述的窄光束產(chǎn)生器由產(chǎn)生平行光束的激光器、分束器、凸透鏡或透鏡組構(gòu)成，由激光器發(fā)出平行光束1、 2經(jīng)分束器6分束后由凸透鏡7(或透鏡組)會聚，焦點位于測量區(qū)3中心部位，二束光的焦點位置沿顆粒流動方向先后放置，在焦點附近的瑞利區(qū)得到近似平行光的窄光束。透射光是二束發(fā)散的高斯光束，經(jīng)接收透鏡11會聚到各自光電探測器4、 5上，要求測量裝置的時間靈敏度高。在發(fā)射端和信號接收端各設(shè)置氣吹式的窗口防污裝置8、 10，9、 12分別為發(fā)射端A和信號接收端C的外殼。這種結(jié)構(gòu)為探針結(jié)構(gòu)。實施例2:由圖3所示，測量裝置組成和實施例1相同。而所述的窄光束產(chǎn)生器是由產(chǎn)生平行光束的激光器和在光信號發(fā)射端和光信號接收端設(shè)置的多孔光闌或光導(dǎo)纖維組中任選一個或兩個 構(gòu)成，通過激光器發(fā)射出的寬光束在傳播方向上設(shè)置的多孔光闌或光導(dǎo)纖維組得到窄光束組= 在窗口部位平行光束1、 2經(jīng)多孔光闌16后取出窄光束組進(jìn)入測量區(qū)3，各窄光束的位置沿 顆粒流動方向先后放置。信號光在進(jìn)入接收端C后經(jīng)由多孔光闌17照射到各自的光電信號 探測器4、 5上，要求光電信號探測器的時間靈敏度高。在發(fā)射端A和信號接收端C各設(shè)置 氣吹式的窗口防污裝置13、 14和15。前方光闌16和后方光闌17可任選一個或者組合使用。 當(dāng)省去前方光闌16只用后方光闌17時，可作為分體式結(jié)構(gòu)使用。多孔光闌亦可由光導(dǎo)纖維 來代替。實施例3由圖4所示的測量裝置可做成探針形式也可做成分體式在線測量裝置，其組成亦和實施 例l、 2相同，所述的窄光束產(chǎn)生器由產(chǎn)生平行光束的激光器和微元信號探測器構(gòu)成，它是由 由激光器發(fā)出平行光束l、 2通過測量區(qū)3直接照射到微元光電探測器20，微元光電探測器 20既作為光電信號探測單元，又作為窄光束產(chǎn)生器的組成構(gòu)件，圖中18、 19為氣吹式防污 裝置，所述的微元光電探測器由多個微小受光面積的光電探測單元(由硅光薄膜材料制成) 組合，每個單元的形狀可以是圓形或者多邊形(如矩形、六角形等)，這種組合方式有利于二 束參與速度測量的透射光信號之間相對位置的適當(dāng)安置，并可與探測顆粒粒徑的透射光信號 保持探測對象的一致性。在以上所述的窄光束產(chǎn)生器中的多孔光闌的孔形狀為矩形孔或圓孔的組合，光導(dǎo)纖維組 受光面的形狀為圓形孔的組合，微元信號探測器的受光面形狀為圓形或多邊形的形狀，如圖 5a)、圖5b)所示。本實用新型所用的信號處理裝置由圖8所示，由信號放大電路模塊、信號采集模塊、信號自相關(guān)和互相關(guān)處理模塊構(gòu)成，4、 5為透射光信號探測器，21、 22為相應(yīng)的信號放大電路， 23為多路信號采集A/D卡，24為自相關(guān)處理模塊、25為互相關(guān)處理模塊。由24得到透過率 脈動自相關(guān)頻譜，由25得到顆粒流動速度。
權(quán)利要求1. 一種透過率相關(guān)頻譜法顆粒測量裝置，其特征在于，它由測量區(qū)、產(chǎn)生光束的線度范圍在10微米到1.5毫米之間的窄光束產(chǎn)生器、光電信號探測器和與其連接的信號處理裝置構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的測量裝置，其特征在于，所述的窄光束產(chǎn)生器由產(chǎn)生平行光束 的激光器、分束器、凸透鏡或透鏡組構(gòu)成，由激光器發(fā)射出的寬光束經(jīng)分束器分成傳播 方向不同的幾束光，通過凸透鏡或透鏡組會聚，在焦點附近的瑞利區(qū)得到窄光束組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的窄光束產(chǎn)生器由產(chǎn)生平行光束的激 光器和在光信號發(fā)射端和光信號接收端設(shè)置的多孔光闌或光導(dǎo)纖維組中任選二個或二個 以上構(gòu)成，通過激光器發(fā)射出的寬光束在傳播方向上設(shè)置的多孔光闌或光導(dǎo)纖維組得到 窄光束組。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述的窄光束產(chǎn)生器由產(chǎn)生平行光束的激光器和微元信號探測器構(gòu)成，所述的微元光電探測器由多個微小受光面積的由硅光薄膜材料制成的光電探測單元組合而成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的測量裝置，其特征在于，所述的窄光束產(chǎn)生器中的多孔光 闌的孔形狀為矩形孔或圓孔的組合，光導(dǎo)纖維組受光面的形狀為圓形孔的組合，微元信 號探測器的受光面形狀為圓形或多邊形的形狀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的信號處理裝置由信號放大電路模塊、 信號采集模塊、信號自相關(guān)和互相關(guān)處理模塊構(gòu)成。
專利摘要本實用新型公開了一種透過率相關(guān)頻譜法顆粒測量裝置，其特點是本實用新型是利用顆粒在窄光束照射下透過率信號的脈動特性，對透過率脈動信號作相關(guān)處理的裝置，由此得到顆粒的速度、顆粒的粒度分布和顆粒濃度信息。采用了光信號的動態(tài)特性和信號的相關(guān)處理，可以測量微米級以上顆粒的粒徑分布、濃度和速度。本實用新型的有益效果是，測量裝置簡單、價廉，可實現(xiàn)在線、實時檢測，可實現(xiàn)同時對顆粒粒徑分布、濃度和速度進(jìn)行測試?？捎糜诳茖W(xué)研究、化工能源的生產(chǎn)與過程控制、環(huán)境保護(hù)、水質(zhì)檢測等涉及顆粒測量的多個領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/59GK201096701SQ20072007174
公開日2008年8月6日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者彬 于, 沈建琪, 蔡小舒 申請人:上海理工大學(xué)