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光纤探针气泡行为测量仪Bubble-Pro可测量气体为离散相、液体为连续相的多相流中局部气含率、气泡速率和气泡弦长等气泡行为。本测量仪具有对气泡响应迅速、阶跃显著的特点,将光纤探针信号进行方波化处理,探针在气相中的采样点数与总采样点数之比即为局部气含率,再沿径向积分可得平均气含率;对两列光纤探针信号进行相关性分析,可求得每个气泡的上升速率;再根据每个探针描过气泡的时长,得到气泡的弦长,并提供气泡速率和气泡的弦长的统计数据。此探针可应用于高温、高压、液相为有机体系的气液环境。

主要技术指标:
压力范围:小于2.0MPa
温度范围:小于250℃
介质要求:透明体系
光纤直径:0.125mm
光纤间距:0.5mm,可根据要求具体调节
气含率区间:0.5%~50%
气泡尺寸分辨率:大于2mm
气泡速率分辨率:小于4m/s

系统组成及功能特点

1     硬件

1.1    耐高温、高压、有机溶剂

接触式测量是在机械臂的末端安装测量探头,通过与流体的直接接触获取信息,由于探头与机械臂间材料的不同,探头与机械臂间的密封是困扰接触式测量的重要问题。对于光纤探头,光纤与金属套管间的密封一般采用环氧树脂胶,但环氧树脂胶的强度较低,仅能用于常温、常压、非有机溶剂的冷模系统。为了克服这些问题,本光纤采用高强度无机胶,整个密封过程没有有机物质,因此,整个过程可以耐有机溶剂,这大大提高了系统的测量范围。
采用高强度无机胶,该种胶与不锈钢管密封后,经高温焙烧,进一步提高胶的粘结性能,使光纤和不锈钢管更紧密的结合,因此,本装置所采用的密封方式可用于高温、高压体系气液多相流的测量。

1.2    响应灵敏


图 1  光纤测量原理示意图

灵敏度是探针能不能有效检测到气泡的重要指标。光纤探针前端采用热熔拉伸工艺,为一45°角圆锥,当前端为气相时,由于气体与光纤的折射率相差较大,而被测液体与光纤的折射率相差较小,故探针在气相中时,光可以在探针顶端形成全反射,光强度较高,当探针处于液相中时,光的反应强度较弱,由于光的响应速度高,故光纤探针的信号强度大、灵敏度高。

1.3    结果准确

对于接触式测量,由于测量探针对流场的扰动,会影响测量结果的准确性,探针体积越小,对流场的影响也越弱,系统误差也越小,因此开发体积小、响应灵敏、信号强且准确的测量探针一直是测量工作者追求的目标。光纤的直径仅为125mm,能够有效刺激直径大于1mm的气泡,后面金属套管的直径为0.5mm,对流场没有影响。


图2 光纤探针信号时间序列
 
图2为光纤探针测得的原始信号时间序列,当探针处于气相中时,信号为高电平,当探针处于液相中时,信号为低电平。比较两个信号时间序列可以发现,光纤气泡基线稳定、信号强、气泡信号阶跃峰值稳定。


图3 光纤探针局部信号

图3为局部放大后的光纤信号时间序列。光纤气泡信号具有响应灵敏的特点,气泡与探针接触后能够在2~3个采样间隔内完成相间切换信号的阶跃。

1.4    采样频率高

要进行准确的气泡信号测量,不仅要有优异的探针,还要有高速而准确的信号采集系统,根据采样定理,采样频率至少应大于信号最高频率的2倍,采样之后的信号才能完整地保留原始信号中的信息。本产品的总采样频率可达500KHz,对于多通道系统,32路,每路的采样频率为15.6KHz,时间分辨率为0.068ms.
由图3可以看出,气泡上升沿的采样间隔为1~2个,时间小于0.14ms,即探针遇到气泡后能够迅速刺穿气泡,且迅速产生响应;图3中气泡下降沿的采样间隔为2~3个,时间小于0.2ms,即气泡后能迅速离开探针,且迅速产生响应。

1.5    无漂移

光纤探针基于光信号的变化测量气泡参数,金属测臂在长期在水中浸泡导致的生锈、结垢等对光强度无影响,因此相同操作条件下,不同时间得到的数据一致,提高数据的重现性;由于光纤的感应面积为一个65um圆点,感受面积小,对气泡敏感,光纤的信号阶跃不受气含率的影响。

1.6    双探针

图4为双探针信号,由于探针顶端角度的影响,信号基线有一定的变化,但阶跃峰值相同,且阶跃明显,两探针的距离为1mm,这表明双探针信号测量准确。图5示出了部分放大信号。两光纤探针之间的距离可直接测得,由气泡在两探针上响应延迟可得到气泡速度,由气泡速度及气泡在探针处所产物的阶跃时长,可以得到气泡的弦长。若气泡尺寸较小,可近似为球形,则可利用概率统计的办法,得到气泡尺寸。


图4 电导信号气泡识别后的方波



图5 放大后的原始信号与方波信号

 
 

2     软件

2.1    采样程序易操作

通常的测量程序,会将采样基础数据写在程序里,并编译为可执行文件,如果要增加采样通道或改变采样端口及改变数据采集量,则需要由程序开发人员重新进行编辑、修改源代码,费时费力。本产品将需要经常调整的参数写在Excel文件中,改变Excel文件中相应的数值,即可对进行参数设置,程序自动的对采样通道及采样数据量进行调整,不必再去打开源代码。操作人员可随意的调整测量通道数量及顺序。

2.2    气泡识别灵敏

由于光纤信号阶跃敏锐、峰值稳定,单阈值法即可进行信号识别,从相应的信号时间序列中识别出气泡信号,实现气泡参数的测量。气泡信号的数据处理界面,能够快速给出气含率、气泡上升速率及其分布、气泡弦长及其分布。

3     产品优势

BubblePro系列产品经过多年的实践检验,其功能不断完善,已在国内很多科研机构得到应用。具有以下产品优势:
•     专业的团队设计、开发、制造、改进该设备,产品技术含量高;
•     光纤直径小,级联式结构,对流场影响小,数据准确;
•     无机胶密封,适用于高温体系;
•     毛细管、不锈钢管钎焊连接,适用于高压体系;
•     无机胶密封,不溶不挥发,适用有机溶剂体系;
•     基于反射光强度的不同进行测量,适用于非导电介质;
•     响应迅速, 0.25ms即可实现气液信号的切换;
•     上下游信号相关性好, 气泡速率、 气泡尺寸数据准确;
•     目前已经推出中文界面软件,操作更为简便。
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