[發明專利]一種基于激光吸收及散射的水蒸氣冷凝特性測量裝置

有效

• 申請號: 201611065131.3
• 申請日: 2016-11-28
• 公開（公告）號: CN106769923B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 厲勁風;植曉琴;邱利民;王雅寧
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/49
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了一種基于激光吸收及散射的水蒸氣冷凝特性測量裝置，包括用于氣體混合換熱的冷凝腔以及設置在冷凝腔中的光學測量模塊，冷凝腔設于真空箱中，冷凝腔兩端分別設有進氣口和排氣口；進氣口帶有并列的空氣入口和氮氣入口；光學測量模塊包括U型支座和設置在U型支座兩臂上的微型激光發生器和微型光譜檢測儀；微型激光發生器下方設有第二反射鏡和第四反射鏡；微型光譜檢測儀上方設有第一反射鏡和第三反射鏡，下方設有微型溫度傳感器。空氣中的水蒸氣在冷凝管中發生冷凝形成水霧。微型激光發生器可產生特定強度及波長的激光，微型光譜檢測儀測量經過吸收及散射后的激光強度，根據光強與水霧濃度的對應關系，能準確測出空氣中水霧的體積分數。

技術領域

本發明涉及流體相變實驗裝置，具體涉及一種基于激光吸收及散射的水蒸氣冷凝特性測量裝置。

背景技術

水霧在熄滅電氣、艦船、建筑各種類型火災已得到廣泛應用，在石油、天然氣管道輸送和礦井瓦斯防爆抑爆領域也有了一定應用和發展。水霧濃度是表征空間內水霧特征的重要參數之一。對于水蒸氣及其他氣體的冷凝特性的研究一般都限于與固體的接觸式換熱研究，例如氣體在圓管內表面或翅片表面的冷凝特性研究。氣體內部換熱冷凝形成的液體往往是霧狀的，且與氣體混為一體，冷凝生成的液體的量難以測量，因此氣體內部換熱的冷凝特性研究非常困難。所以想要研究氣體內部換熱的冷凝特性，關鍵在于實現冷凝生成的液體的量的測量。

目前，水霧濃度測量一般采用傳統量杯法和稱重法的方式。這些方法存在以下不足：1)測量過程需花費較長時間，不能實現實時測量；2)只能測量一定體積空間內的平均水霧濃度，不能實現點測量。

吸收光譜檢測物質濃度的依據是物質對光輻射具有特征吸收，當一束激光穿過待測氣體時，光線會被物質選擇性吸收，使其在強度上具有特征變化。

氣體內部換熱冷凝形成的液體往往是霧狀的，霧均勻分布在空氣中，形成氣溶膠形態，其對特定強度及波長的激光的吸收特性與氣體類似。然而，與純氣體不同，霧由無數的微小水顆粒組成，這些微小水顆粒還會對特定的光譜產生散射效果，因此霧對特定強度及波長的激光同時具有吸收和散射效果。結合霧對特定強度及波長的激光的吸收及散射，水蒸氣在空氣中冷凝生成的水霧濃度可以快速測量。

公開號為CN101256130A的中國專利文獻公開了一種高精度煤氣機械水含量測量方法及裝置，它的特點是在玻纖濾筒里面裝入適量的超細高純度玻璃纖維，將該濾筒固定于錐形套管內，利用聚四氟乙烯膠帶將其固定，在其形成的玻璃纖維層內，可以將煤氣中的機械水攔截下來。通過精確稱量裝有玻璃纖維濾筒測量前后的重量差，并同時記下流過采樣管的氣體流量，便可求出煤氣中的機械水含量。該裝置的測量精度達到0.1mg/m³，但是測量一次需要10分鐘，無法快速實時地測量空氣中水霧含量。

公告號為CN103558187A的中國專利文獻公開了一種水霧濃度測量裝置及測量方法，涉及水霧濃度測量儀、水霧濃度標定裝置和水霧濃度測量方法。水霧濃度測量儀包括支架，安裝在支架兩側的光學發射單元和光學接收單元，氣流吹掃裝置。水霧濃度標定裝置包括裝有水霧發生器的箱體，箱體一側裝有吹霧風扇，箱體另一側裝有門扇，箱體置于壓力傳感器上，壓力采集儀與壓力傳感器聯接。測量方法是：預備水霧濃度測量儀、水霧濃度標定裝置；測量并建立相應沉降時刻下水霧濃度與散射電壓的關系式；將該關系式置于單片機控制電路中后，就可將水霧濃度測量儀安裝在現實水霧環境中，實時測量水霧濃度值。

然而，該裝置及方法存在以下幾個缺陷：

1.該發明采用氣體吹掃裝置對發射透鏡和接收透鏡吹空氣的方式，防止透鏡沾上水霧，若在含有水霧的大氣環境中使用該發明裝置測量水霧濃度，吹掃裝置使用的空氣同樣含有水霧，該發明中并沒有提到吹掃裝置具有水分過濾的前處理，因此在實際大氣環境的水霧濃度測量中無法防止透鏡沾上水霧；