第四部分 先进流体测量技术专题

其基本方法是， 其基本方法是，在流场中散 布示踪粒子， 布示踪粒子，将激光发生器 产生的激光束经透镜散射后 形成片光源， 形成片光源，入射到流场中 的待测区域， 的待测区域，使用摄像装置 以垂直于片光源的方向对准 测量区域， 测量区域，利用示踪粒子对 光的散射作用， 光的散射作用，记录下两次 脉冲激光曝光时粒子的图像， 脉冲激光曝光时粒子的图像， 利用图像处理技术， 利用图像处理技术，采用自 相关或互相关统计技术求取 测量区内粒子位移的大小和 方向， 方向，根据脉冲间隔时间求 取粒子速度矢量， 取粒子速度矢量，从而对流 场某一切面的状态进行全面 测量，包括各点的速度、 测量，包括各点的速度、涡 量、流线以及等速度线等流 场特性参数的分布。 场特性参数的分布。
超声波多普勒测速技术（ 超声波多普勒测速技术（Ultrasound Doppler Velocimetry，UDV） ， ）
利用光学多普勒效应不同的是， 与LDV利用光学多普勒效应不同的是，UDV是利用声学 利用光学多普勒效应不同的是 是利用声学 多普勒效应测量流体流速的技术。 多普勒效应测量流体流速的技术。 根据声学多普勒效应， 根据声学多普勒效应，当声源与反射界面或散射体之间存 在相对运动时，反射声波频率将与入射声波频率产生差异， 在相对运动时，反射声波频率将与入射声波频率产生差异， 该频率差值与物体相对运动的速度成正比。 该频率差值与物体相对运动的速度成正比。超声波多普勒 测速方法中，超声波发射器为一固定声源， 测速方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运 动的示踪粒子与声源之间存在相对运动， 动的示踪粒子与声源之间存在相对运动，将入射超声波反 射回接收器。发射声波与接收声波之间的频率差， 射回接收器。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由 于流体中固体颗粒运动而产少的声波多普勒频移。 于流体中固体颗粒运动而产少的声波多普勒频移。由于这 个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速， 个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速， 进而还可以得到流体的流量。 进而还可以得到流体的流量。
第四部分 先进流体测量 技术专题
郑州大学化工学院 过程装备与控制工程系
接触式流体测量技术 非接触式流体测量技术
流体测量技术是获取流体数据信息的直接手段， 流体测量技术是获取流体数据信息的直接手段，它是流体系 统的触觉神经，对过程工业的自动化和信息化至关重要； 统的触觉神经，对过程工业的自动化和信息化至关重要； 流体测量参数中最常见的有温度、压力、速度、浓度、 流体测量参数中最常见的有温度、压力、速度、浓度、热导 化学成分等； 率、化学成分等； 测量方法可分为接触式测量与非接触式测量。 测量方法可分为接触式测量与非接触式测量。目前研究开发 的重点和难点在于过程装备中多相流的速度场和浓度场的在 线检测； 线检测； 先进流体测量技术的研究发展， 先进流体测量技术的研究发展，不仅对过程系统的适时监控 有重要作用，而且对于过程工业科学研究也具有重要意义。 有重要作用，而且对于过程工业科学研究也具有重要意义。 借助于此能够总结出过程装备内流体流动与传热的规律， 借助于此能够总结出过程装备内流体流动与传热的规律，从 而为流动和传热状况的改善、 而为流动和传热状况的改善、传热传质的强化以及进一步的 结构优化提供直观、准确、可靠的参考依据。 结构优化提供直观、准确、可靠的参考依据。
电容探头（ 电容探头（Capacitance Probe） ）
由于电容极板之间的颗粒浓度的变化会引起介电 常数的变化， 常数的变化，故电容探头可用于测量多相流中的 颗粒浓度与速度。 颗粒浓度与速度。
固体动量探头 （Solid Momentum Probe） ）
固体动量探头由两根捆绑在一起的测压管组成， 固体动量探头由两根捆绑在一起的测压管组成， 分别向上和向下开口。 分别向上和向下开口。两根测压管测得的压力差 值对应于气固两相流动的净动量。 值对应于气固两相流动的净动量。压力差值由计 算机进行分析后，获得动量值。 算机进行分析后，获得动量值。可用于研究气固 两相流中颗粒的运动规律。 两相流中颗粒的运动规律。
激光多普勒测速技术 超声波多普勒测速技术
非接触式流体测量
粒子图像测速技术 计算机断层扫描技术
激光多普勒测速技术 （Laser Doppler Velocimetry，LDV） ， ）
LDV技术出现于上世纪 年代，现在广泛用于相 技术出现于上世纪60年代 技术出现于上世纪 年代， 对稳定和周期性变化的单相流场的测量， 对稳定和周期性变化的单相流场的测量，可测量 气体、蒸汽、液体的流动状态，获得流动的平均 气体、蒸汽、液体的流动状态， 速度、湍流度、剪切系数、 速度、湍流度、剪切系数、平坦系数等各种统计 结果，其中，平均速度测量精度可达0.1％的量级。 结果，其中，平均速度测量精度可达 ％的量级。
激光发生器产生激光， 激光发生器产生激光，经发射光路系统后分成多组激 光束，激光束汇集相交于空间某一点，即为测量点。 光束，激光束汇集相交于空间某一点，即为测量点。 每组光由两束光学性质完全相同的激光组成， 每组光由两束光学性质完全相同的激光组成，相交时 产生干涉条纹。 产生干涉条纹。
只要光的波长、两束光的夹角确定后， 只要光的波长、两束光的夹角确定后，干涉条纹之间 的间距即可确定。 的间距即可确定。当有示踪粒子垂直于条纹穿越测量 点时，会向空间任意方向产生散射光信号， 点时，会向空间任意方向产生散射光信号，经光电器 转变成电信号，便可获得多普勒波群信号。 转变成电信号，便可获得多普勒波群信号。这些信号 的频率与示踪粒子穿越测量点的垂直速度成正比。 的频率与示踪粒子穿越测量点的垂直速度成正比。通 过信号处理器将多普勒信号中的频率提取后， 过信号处理器将多普勒信号中的频率提取后，就可获 得示踪粒子的速度， 得示踪粒子的速度，以此表征流场中测量点处的真实 流速。 流速。
利用超声波多普勒测速方法， 利用超声波多普勒测速方法，能同时测得瞬态速度的 空间分布，还适宜于对两相流的测量。 空间分布，还适宜于对两相流的测量。目前这方面的 研究主要集中在非接触式测量液速分布， 研究主要集中在非接触式测量液速分布，透射式超声 探头接触式测量固液体系的局部固含率。 探头接触式测量固液体系的局部固含率。 超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温 度范围受超声波换能率及换能器与管道之间的耦合材 料耐温程度的限制， 料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的 原始数据不全。 原始数据不全。
静电传感器（ 静电传感器（Electrostatic Sensor） ）
静电传感器用于感应输送管道内颗粒所携带的静电。 静电传感器用于感应输送管道内颗粒所携带的静电。 带电颗粒在流经静电传感器时， 带电颗粒在流经静电传感器时，由于静电感应致使传 感器电极的内外表面上产生等量异号电荷， 感器电极的内外表面上产生等量异号电荷，同时由于 颗粒的移动， 颗粒的移动，其在静电传感器周围产生的准静电场不 断变化， 断变化，致使静电传感器上产生的感应电荷和感应电 势也在不断波动。 势也在不断波动。感应电荷或感应电势信号的波动反 映了颗粒流动参数信息，加以适当的信息处理方法， 映了颗粒流动参数信息，加以适当的信息处理方法， 即可获得两相流流动参数（速度、浓度、流量）。 即可获得两相流流动参数（速度、浓度、流量）。 另外，感应电信号的大小与颗粒尺寸有关。 另外，感应电信号的大小与颗粒尺寸有关。通过对信 号值采用时域处理，还可以得到颗粒的平均直径。 号值采用时域处理，还可以得到颗粒的平均直径。
光纤传感器（ 光纤传感器（Fiber Optic Sensor） ）
光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发 展而出现的一种新的传感技术。 展而出现的一种新的传感技术。光纤传感具有抗电 磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、 磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分 布式测量、便于组网等诸多优点， 布式测量、便于组网等诸多优点，是近年来国际上 发展最快的高科技应用技术之一。在过程装备领域， 发展最快的高科技应用技术之一。在过程装备领域， 可用来测量流体流速、压力、温度等。 可用来测量流体流速、压力、温度等。
一般由激光发生器、发射和接收光路系统、 一般由激光发生器、发射和接收光路系统、位移 系统和信号数据处理系统等组成。 系统和信号数据处理系统等组成。
基本工作原理是利 用发射和接收光路 系统探测运动微粒 即示踪粒子） （即示踪粒子）在 通过激光束测量区 的多普勒信号， 的多普勒信号，然 后通过信号处理和 数据处理后， 数据处理后，获得 测量区内示踪粒子 的准确速度以及其 他运动特性， 他运动特性，并以 此表征该处流体的 真实运动特性。 真实运动特性。
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接触式流体测量技术
接触式流体测量技术是最早出现的流体测量技术， 接触式流体测量技术是最早出现的流体测量技术， 目前仍然应用广泛； 目前仍然应用广泛； 现代接触式流体测量技术的发展重点之一是各类 传感元件的研究与开发。 传感元件的研究与开发。
光纤传感器 静电传感器
接触式流体测量
电容探头 固体动量探头
LDV实现的是单次单点测量，且因难以从包含各 实现的是单次单点测量， 实现的是单次单点测量 种尺寸和形状的光散射界面中分离出真正的可用 信号，故用于两相流是受限制的。 信号，故用于两相流是受限制的。
相位多普勒粒子分析仪（ 相位多普勒粒子分析仪（Phase Doppler Particle Analyzer，PDPA）是由 发展而来的， ， ）是由LDV发展而来的，测量 发展而来的 原理也是建立在多普勒频移基础上的。 原理也是建立在多普勒频移基础上的。依靠运动 微粒的散射光与照射光之间的频差来获得速度信 息，而通过分析穿越激光测量体的球形粒子反射 或折射的散射光产生的相位移动来确定粒径的大 方向性与LDV一样，技术含量高于 一样， 小。方向性与 一样 技术含量高于LDV，适 ， 合于既要测量粒子速度， 合于既要测量粒子速度，又要测量粒子粒径的场 可用于研究多相动态流动特性。 合，可用于研究多相动态流动特性。
粒子图像测速技术（ 粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV） ， ）
PIV出现于上世纪 年代初， 出现于上世纪90年代初 出现于上世纪 年代初， 利用示踪粒子散射光强来 测量整体流动的瞬态流场， 测量整体流动的瞬态流场， 可在同一时刻记录下整个 测量平面的有关信息； 测量平面的有关信息； 是在传统流动显示的基础 上，利用图形图像处理技 术发展起来的一种新的流 动测量技术； 动测量技术； 综合了单点测量技术和显 示测量技术的优点， 示测量技术的优点，既具 备了单点测量技术的精度 和分辨率， 和分辨率，又能获得平面 流场显示的整体结构和瞬 态图像。 态图像。
光纤传感器可分为两大类： 光纤传感器可分为两大类：功能型传感器和非功能型传 感器。 感器。 功能型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性 是利用光纤对环境变化的敏感性， 功能型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将 输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤 输入物理量变换为调制的光信号。 的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、 的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、 电场、磁场等改变时，其传光特性，如相位与光强， 电场、磁场等改变时，其传光特性，如相位与光强，频 率或偏振态等特性会发生变化的现象。 率或偏振态等特性会发生变化的现象。再通过对被调制 的光信号进行解调，得出被测信号的各种特性。 的光信号进行解调，得出被测信号的各种特性。光纤在 其中不仅是导光介质，而且也是敏感元件； 其中不仅是导光介质，而且也是敏感元件； 非功能型传感器是利用其他敏感元件感受被测量信号的 非功能型传感器是利用其他敏感元件感受被测量信号的 变化，光纤仅作为光波的传输介质， 变化，光纤仅作为光波的传输介质，常用来传输远端场 所的信号。 所的信号。