[發明專利]基于環形光學陣列的小通道兩相流參數測量裝置和方法

在審

• 申請號: 201910796632.6
• 申請日: 2019-08-27
• 公開（公告）號: CN110595948A
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: 李華軍;劉光宇;余善恩
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01N11/00
• 分類號: G01N11/00
• 代理公司: 33240 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 朱亞冠

本發明涉及基于環形光學陣列的小通道兩相流參數測量裝置和方法。本發明包括環形光學陣列傳感器、透明測試管道、信號采集模塊、信號激勵模塊與微型計算機。氣液兩相流從透明測試管道中流入，測試管道放置在光學陣列傳感器中心軸上，環形光學陣列傳感器分別與信號激勵模塊以及信號采集模塊相連，兩個模塊分別于微型計算機相連。基于每種光信號類型進行流型辨識，并且引入貝葉斯推理進行辨識結果的融合，能夠有效提高辨識準確度與可靠性。本發明環形發光陣列從多個角度發射入射光，多層光學陣列從多個角度充分采集復雜的穿透光、偏折光與反射光信號，反映管道內流體流動結構；采用光電二極管、激光二極管等元件，結構簡單、系統成本低、采集速度快。

技術領域

本發明屬于多相流參數測量技術領域，涉及一種基于環形光學陣列的小通道兩相流參數測量裝置與方法。

背景技術

工業設備微小型化是20世紀90年代以來自然科學與工程技術發展的一個重要趨勢。隨著微化工技術的快速發展，微型化、小型化工業設備開始大量涌現，例如微型反應器、微小型散熱器以及微小型萃取系統等。與常規工業設備相比，微小型工業設備最突出的特點就是采用了微米級和毫米級通道，比表面積大幅增加，使得通道內流體的傳熱傳質過程得到了顯著強化，反應過程更加徹底。微小型工業設備能夠精準控制反應過程，具有結構緊湊、安全性高和過程連續等特點。

微小型工業設備的興起，使得微小通道內氣液兩相流研究成為新的熱點，受到國內外學者的廣泛關注。微小通道氣液兩相流研究開展首要解決的關鍵問題是通道內兩相流參數的測量問題。兩相流參數的準確測量對了解兩相流流動機理、流動特性、傳熱傳質特性等方面有著非常重要的作用，一直是化工、能源、生物等領域研究的重點內容。在微小型工業設備中，氣液兩相流參數的測量與準確估計對設備的熱工設計、工業生產的穩定控制和生產過程的優化起到至關重要的作用，是微化工技術發展的重要基礎，具有重要的科學意義和工業應用價值。

由于通道尺寸和復雜流動特性的影響，微小通道內氣液兩相流參數測量具有一定的難度，主要表現在：1)隨著管徑減小，表面張力、潤濕性與管壁粗糙度等因素作用增強，影響流動因素增多，流動特性較為復雜；2)通道尺寸較小，傳感器的設計與安裝受到限制；3)與常規通道下流動特性有顯著不同，導致在常規通道中應用成熟的兩相流相關理論模型與經驗公式不再適用，可借鑒研究成果較少。

多年來，國內外研究學者針對微小通道氣液兩相流進行了深入的研究，通過借鑒和沿用常規通道兩相流的測量技術，提出了多種適用的參數測量方法。現有的測量方法主要可以分為侵入式與非侵入式兩大類。根據測量原理，又可以分為電學測量法、光學測量法、可視化方法、超聲波測量法和射線法等。在眾多參數測量方法中，光學測量法由于非接觸式、高時空分辨率、快速響應等優勢，在微小通道氣液兩相流參數測量領域受到重點關注。尤其是隨著精細加工和半導體技術的發展，光電元器件尺寸不斷減小，光學測量法應用于微小通道參數測量的優勢更加明顯。

現有的許多光學測量方法為微小通道氣液兩相流參數測量提供了可行的解決思路，具有非常重要的意義。然而在一定程度上還存在不足：1)傳感器構型較為單一，主要獲取了處于入射光平面的光信號，無法全面地反映微小通道氣液兩相流復雜的流動狀態。2)截面信息獲取手段缺乏,大部分測量方法只能獲取氣液兩相流整體的流動信息，對測試截面上氣液相分布和流動信息的獲取不夠充分；3)信息處理手段不夠深入,對微小通道內光信號的形成機理研究不足，沒有區分偏折光、反射光以及穿透光等多種光信號類型，對反映氣液兩相流流動特性深層次信息的挖掘還不夠充分。

總之，現有的光學測量方法傳感器構型較為單一、信息處理手段不夠深入，對光信號形成的機理研究不足，不能有效地反映微小通道氣液兩相流復雜的流動結構與截面的流動信息，無法滿足日益增長的測量需求，亟需開展更加深入的研究。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供了一種基于環形光學陣列的小通道兩相流參數測量裝置和方法。