申请/专利权人：清华大学

申请日：2018-08-08

公开（公告）日：2024-06-11

公开（公告）号：CN109030296B

主分类号：G01N15/0205

分类号：G01N15/0205

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.11#授权;2019.01.11#实质审查的生效;2018.12.18#公开

摘要：本发明公开了一种磷光颗粒示踪法多点测量系统及测量方法，测量系统包括脉冲注入装置、闪光激发装置、磷光探测装置、数据采集与控制装置，脉冲注入装置包括注入喷枪和电磁阀、气瓶。闪光激发装置包括激发环和闪光灯管。激发环和闪光灯管设置在注入喷枪的下游且靠近注入喷枪。磷光探测装置包括设置在待测管内同一横截面不同位置的若干个光敏元件。数据采集与控制装置分别与电磁阀、闪光灯管和光敏元件连接。磷光颗粒通过物料弹的形式从注入喷枪注入到待测管中，被闪光激发装置激发成带余辉的磷光示踪剂，随后被磷光探测装置检测获取余辉强度信号，计算出修正浓度。本发明可有效实现气固两相流流场内同步多点测量，较为准确地反映流场的整体状态。

主权项：1.一种磷光颗粒示踪多点测量方法，其使用一种磷光颗粒示踪多点测量系统，其特征在于，所述系统包括脉冲注入装置1、闪光激发装置2、磷光探测装置3、数据采集与控制装置4；所述脉冲注入装置1包括一端伸入待测管5内的注入喷枪11和连接在注入喷枪11另一端的气瓶13，所述注入喷枪11靠近气瓶13一侧设置有电磁阀12；按气固两相流来流方向，所述脉冲注入装置1的注入喷枪11设置在待测管5的上游；所述闪光激发装置2包括伸入待测管5内的激发环21和连接在所述激发环21上的闪光灯管22；所述激发环21设置在所述注入喷枪11的下游且靠近所述注入喷枪11设置；所述磷光探测装置3包括若干个光敏元件，所述若干个光敏元件设置在待测管5内同一横截面不同位置；所述数据采集与控制装置4分别与电磁阀12、闪光灯管22和光敏元件连接；所述闪光灯管22选用激光光源，且在所述闪光灯管22与所述激发环21的连接处在闪光灯管22光源出口设置一字镜，使激光光源发散形成线光源；所述方法包括：将磷光颗粒和床料混合制成物料弹；将物料弹安装到注入喷枪11中；将注入喷枪11、闪光激发装置的激发环21和部分闪光灯管22伸入到待测管5上游相应位置；根据测点需要，将相应的光敏元件布置到待测管5的待测平面；启动数据采集与控制装置4，通过数据采集与控制装置4启动电磁阀12，使物料弹内的磷光颗粒和床料混合物在气瓶13内气体的作用下快速喷入到待测管5中，与待测管5内的气固两相流混合；通过数据采集与控制装置4启动闪光灯管22的激光光源，激光光源发射形成线光源并在激发环21内形成激光光源圈，使随着待测管5内气固两相流流动的磷光颗粒在经过激光光源圈时被激发发出余辉成为磷光示踪剂；使磷光示踪剂随着气固两相流在待测管5内流动，到达光敏元件所在的平面时，磷光示踪剂的余辉被光敏元件探测到，光敏元件将探测信号反馈到数据采集与控制装置4，从而获得磷光示踪剂余辉强度信号，并经过修正计算得到磷光示踪剂浓度曲线。

全文数据：一种磷光颗粒示踪多点测量系统及方法技术领域[0001]本发明涉及气固两相流动包括循环流化床反应器）的测量，具体地，涉及磷光颗粒示踪多点测量方法以及循环流化床锅炉的优化设计。背景技术[0002]气固两相流反应器的两相混合扩散行为，反应了床内颗粒运动和分布的特性，是理解反应器内传质和传热机理的关键。因此，通过高精度、高可靠性的气固两相流动测量装置和方法在线获取流场内颗粒的浓度分布、扩散行为等流动信息，是研究开发新型高效节能两相反应器和优化其结构参数设计的基础。以循环流化床锅炉为例，循环流化床反应器提升管中的流动是一种典型的气固两相流动，随着流化床锅炉的大型化，受热面布置的问题、二次风穿透性问题、布风均匀性问题、多分离器带来的流动不均匀性问题等都随之而来。要解决这些问题，还是要依靠流化床锅炉设计的优化，想要优化锅炉设计，需要实验测量流场中固体颗粒的停留时间分布，来考查固体颗粒物的扩散速率和其他流场状态。[0003]目前研究气固两相颗粒扩散行为的主要方法是颗粒示踪法。通过在流场中撒入一定量的示踪颗粒，以示踪颗粒的流动以及扩散行为来表征当地流场的流动特性。诸如热颗粒示踪法、磁性颗粒示踪法、放射性颗粒示踪法、磷光颗粒示踪法等都已经有研究人员采用过，近年来随着计算机计算能力的发展，结合光学成像技术和图像分析技术发展的两相流粒子图像测速技术能够处理复杂的图像，提供瞬时全场的流动状态。所有的这些测量方法都是基于示踪颗粒均匀布撒的假设条件，但是目前所用的粒子布撒装置很难在高速气流下实现这一点。[0004]实验中采用不同的示踪颗粒需要不同的注入或激发系统，也对应地需要不同的检测或采样系统。依据示踪颗粒在注入、激发、采样、检测过程中对原有流场的影响，此类方法又被区分为侵入式和非侵入式两类。从实验机理上来讲，示踪技术需要满足:示踪剂注入的瞬时性要好;注入过程、取样过程对原有流场的破坏尽可能小；示踪颗粒与原有床料在密度、粒径上尽量接近;实验步骤尽量简单，实验周期短，易于实现重复实验，且成本合理。[0005]相较于其他示踪方法而言，磷光示踪法具有容易实现在线、快速、高灵敏度检测；实验后床内无残余，容易进行重复试验;注入瞬时性好，对床内流场干扰小且成本合理的优点。发明内容[0006]本发明的目的是提供一种能够有效实现点场激发多点测量的磷光颗粒示踪多点测量系统及方法，用来测量气固两相流动中颗粒相的停留时间分布。[0007]—种磷光颗粒示踪多点测量系统，所述系统能够用于气固两相流待测管中的颗粒示踪检测，其特征在于，所述系统包括脉冲注入装置、闪光激发装置、磷光探测装置、数据采集与控制装置;所述脉冲注入装置包括一端伸入待测管内的注入喷枪和连接在注入喷枪另一端的气瓶，所述注入喷枪靠近气瓶一侧设置有电磁阀；按气固两相流来流方向，所述脉冲注入装置的注入喷枪设置在待测管的上游;所述闪光激发装置包括伸入待测管内的激发环和连接在所述激发环上的闪光灯管;所述激发环设置在所述注入喷枪的下游且靠近所述注入喷枪设置;所述磷光探测装置包括若干个光敏元件，所述若干个光敏元件设置在待测管内同一横截面不同位置;所述数据采集与控制装置分别与电磁阀、闪光灯管和光敏元件连接。[0008]上述技术方案中，所述闪光灯管选用激光光源，且在所述闪光灯管与所述激发环的连接处在闪光灯管光源出口设置一字镜，使激光光源发散形成线光源。[0009]上述技术方案中，所述一字镜使激光光源发散形成的线光源发散角为100°〜150。。[0010]上述技术方案中，所述激光光源优选2〜8瓦蓝光激光。[0011]上述技术方案中，所述光敏元件选用光电倍增管。[0012]上述技术方案中，所述光电倍增管选用阴极光照灵敏度为120〜ΗΟμΑlm、阳极光照灵敏度在700〜800Alm。[0013]上述技术方案中，激发环和闪光灯管均采用防静电吸附的材料。[0014]—种磷光颗粒示踪多点测量方法，所述方法包括：[0015]将磷光颗粒和床料混合制成物料弹；[0016]将物料弹安装到注入喷枪中；[0017]将注入喷枪、闪光激发装置的激发环和部分闪光灯管伸入到待测管上游相应位置；[0018]根据测点需要，将相应的光电倍增管布置到待测管的待测平面；[0019]启动数据采集与控制装置，通过数据采集与控制装置启动电磁阀，使物料弹内的磷光颗粒和床料混合物在气瓶内气体的作用下快速喷入到待测管中，与待测管内的气固两相流混合；[0020]通过数据采集与控制装置启动闪光灯管的激光光源，激光光源发射形成线光源并在激发环内形成激光光源圈，使随着待测管内气固两相流流动的磷光颗粒在经过激光光源圈时被激发发出余辉成为磷光示踪剂；[0021]使磷光示踪剂随着气固两相流在待测管内流动，到达光敏元件所在的平面时，磷光示踪剂的余辉被光敏元件探测到，光敏元件将探测信号反馈到数据采集与控制装置，从而获得磷光示踪剂余辉强度信号，并经过修正计算得到磷光示踪剂浓度曲线。[0022]上述方法中，所述物料弹中磷光颗粒量占总床料量的比例为0.5%〜2%。[0023]上述方法还包括磷光示踪剂余辉强度信号修正计算，所述修正计算包括：[0024]获得磷光颗粒激发后的余辉随时间自然衰减的曲线，根据衰减曲线I=C·ΓΒ获得磷光颗粒衰减特B的数值；[0025]利用相同浓度示踪颗粒在不同时刻的余辉强度修正公式，选定基准时刻^即可得到其它时刻的修正数值，消除自然衰减的影响。[0026]本发明具有以下突出优点及效果：1可有效实现气固两相流流场内同步多点测量，较为准确地反映流场的整体状态;2可减少注入枪头与检测环在流场中产生的静电，减少颗粒的吸附，保证实验的准确性;3可以保证每次喷入的磷光颗粒量大体相同，而且通过控制示踪物料中磷光颗粒与床料的比例可以方便的控制磷光颗粒的注入量;4可以通过控制储气瓶内气体压力来控制颗粒注入速度，从而控制注入过程对原有流场产生的干扰。附图说明[0027]图1是本发明所涉及的一种循环流化床锅炉底灰脱硫系统示意图。[0028]图中：1一脉冲注入装置；11一注入枪头；12—电磁阀；13—气瓶；2—闪光激发装置;21—激发环;22—闪光灯管;3—磷光探测装置:4一数据采集及控制装置;5—待测管。具体实施方式[0029]下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。[0030]本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。[0031]本发明提供一种能够用于气固两相流待测管5中的颗粒示踪检测的磷光颗粒示踪多点测量系统及方法。[0032]如图1所示，一种磷光颗粒示踪多点测量系统，包括脉冲注入装置1、闪光激发装置2、磷光探测装置3、数据采集与控制装置4。脉冲注入装置1包括一端伸入待测管5内的注入喷枪11和连接在注入喷枪11另一端的气瓶13,注入喷枪11与气瓶13之间设置有电磁阀12，且靠近气瓶13—侧设置。[0033]按气固两相流来流方向，脉冲注入装置1的注入喷枪11设置在待测管5的上游。如图1所示的实施例，待测管5为提升管，气固两相流来流方向是从下到上。[0034]闪光激发装置2包括激发环21和闪光灯管22。激发环21整个伸入在待测管5内，闪光灯管22—端连接在激发环21上，因此闪光灯管22—部分也在待测管5内。激发环21设置在注入喷枪11的下游。通常，待测管5管壁上分别开设有放置注入喷枪11和闪光灯管22的孔。激发环21和闪光灯管22均采用防静电吸附的材料。[0035]闪光灯管22实际上为磷光颗粒的激发光源，选用激光光源。闪光灯管22与激发环21的连接处机物闪光灯管22光源出口，在此处设置一字镜，使激光光源发散形成线光源。一字镜使激光光源发散形成的线光源发散角为100°〜150°。激光光源优选2〜8瓦蓝光激光。同时，激发环21的使用，使激发光源被限定在激发环21的范围内。[0036]磷光探测装置3设置在待测管5的中下游，包括若干个光敏元件，光敏元件选用光灵敏度高的元器件。本发明中，光敏元件选用光电倍增管。光电倍增管选用阴极光照灵敏度为120〜140μΑ1πι、阴极蓝光灵敏度为10〜15μΑ1πι，阳极光照灵敏度在700〜800Alm、阳极蓝光灵敏度为60〜70Alm，阳极暗电流我0.3〜0.4nA。若干个光敏元件设置在待测管5内同一横截面不同位置，以获得示踪颗粒在磷光探测装置所在平面的分布。[0037]数据采集与控制装置4分别与电磁阀12、闪光灯管22和光敏元件连接，对各部件控制并采集、获取信号数据。[0038]—种磷光颗粒示踪多点测量方法，包括磷光颗粒物料弹制备、磷光颗粒注入和激发以及磷光余辉检测。[0039]将磷光颗粒和床料混合制成物料弹;物料可以装填在一小段不锈钢管中，形成物料弹。物料弹中磷光颗粒量占总床料量的比例为0.5%〜2%。物料弹的制备使得每次喷入的磷光颗粒量能够大体相同。[0040]将物料弹安装到注入喷枪11中。[0041]将注入喷枪11、闪光激发装置的激发环21和闪光灯管22连接段伸入到待测管5上游相应位置。[0042]根据测点需要，将相应的光电倍增管布置到待测管5的待测平面。[0043]启动数据采集与控制装置4,通过数据采集与控制装置4启动电磁阀12,使物料弹内的磷光颗粒和床料混合物在气瓶13内气体的作用下快速喷入到待测管5中，与待测管5内的气固两相流混合。气体压力和速度的选择以尽量减少对待测管内流场的扰动为准则。[0044]通过数据采集与控制装置4启动闪光灯管22的激光光源，激光光源发射形成线光源并在激发环21内形成激光光源圈，使随着待测管5内气固两相流流动的磷光颗粒在经过激光光源圈时被激发发出余辉成为磷光示踪剂。由于磷光颗粒是在受到激发光源激发后才发出余辉，成为示踪剂，从而使得闪光激发装置2的激发环21所在位置成为真正意义上的示踪剂注入位置，这样能够在磷光颗粒通过注入喷枪11注入后随气固两相流流动平稳无扰动后才被激发，最大限度的减少了示踪剂对待测气固两相流的扰动，从而能够相对真实的检测到流场分布状况。此外，激发环21的使用，既可以在激发环21直径较小时实现点激发，也可以使闪光灯管22的激光点源激发状态变成了均匀的场激发，保证了下游的多点检测有效性。[0045]使磷光示踪剂随着气固两相流在待测管5内流动，到达光敏元件所在的平面时，磷光示踪剂的余辉被光敏元件探测到，光敏元件将探测信号反馈到数据采集与控制装置4,从而获得磷光示踪剂余辉强度信号，并经过修正计算得到磷光示踪剂浓度曲线。[0046]磷光示踪剂余辉强度信号修正计算包括：[0047]获得磷光颗粒激发后的余辉随时间自然衰减的曲线，根据衰减曲线I=C·ΓΒ获得磷光颗粒衰减特性B的数值;本文的实施例中，B=I.35。[0048]利用相同浓度示踪颗粒在不同时刻的余辉强度修正公式，选定基准时刻^即可得到其它时刻的修正数值，消除自然衰减的影响。利用修正后的示踪颗粒浓度数值，结合颗粒扩散和颗粒流摆动等影响因素，对气固两相流中颗粒浓度分布模型进行重构。[0049]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种磷光颗粒示踪多点测量系统，所述系统能够用于气固两相流待测管（5中的颗粒示踪检测，其特征在于，所述系统包括脉冲注入装置（1、闪光激发装置2、磷光探测装置3、数据采集与控制装置4;所述脉冲注入装置⑴包括一端伸入待测管⑶内的注入喷枪11和连接在注入喷枪11另一端的气瓶（13，所述注入喷枪11靠近气瓶13—侧设置有电磁阀（12;按气固两相流来流方向，所述脉冲注入装置1的注入喷枪11设置在待测管5的上游;所述闪光激发装置2包括伸入待测管5内的激发环21和连接在所述激发环21上的闪光灯管22;所述激发环21设置在所述注入喷枪（11的下游;所述磷光探测装置3包括若干个光敏元件，所述若干个光敏元件设置在待测管5内同一横截面不同位置;所述数据采集与控制装置⑷分别与电磁阀（12、闪光灯管22和光敏元件连接。2.根据权利要求1所述的一种磷光颗粒示踪多点测量系统，其特征在于，所述闪光灯管22选用激光光源，且在所述闪光灯管22与所述激发环21的连接处在闪光灯管22光源出口设置一字镜，使激光光源发散形成线光源。3.根据权利要求2所述的一种磷光颗粒示踪多点测量系统，其特征在于，所述一字镜使激光光源发散形成的线光源发散角为I〇〇°〜150°。4.根据权利要求2所述的一种磷光颗粒示踪多点测量系统，其特征在于，所述激光光源优选2〜8瓦蓝光激光。5.根据权利要求1所述的一种磷光颗粒示踪多点测量系统，其特征在于，所述光敏元件选用光电倍增管。6.根据权利要求5所述的一种磷光颗粒示踪多点测量系统，其特征在于，所述光电倍增管选用阴极光照灵敏度为120〜140μΑ1πι、阳极光照灵敏度在700〜800Alm。7.根据权利要求1所述的一种磷光颗粒示踪多点测量系统，其特征在于，激发环21和闪光灯管22均采用防静电吸附的材料。8.—种磷光颗粒示踪多点测量方法，其使用如权利要求1所述的磷光颗粒示踪多点测量系统，其特征在于，所述方法包括：将磷光颗粒和床料混合制成物料弹；将物料弹安装到注入喷枪11中；将注入喷枪（I1、闪光激发装置的激发环（21和部分闪光灯管22伸入到待测管（5上游相应位置；根据测点需要，将相应的光敏元件布置到待测管⑶的待测平面；启动数据采集与控制装置4，通过数据采集与控制装置4启动电磁阀（12，使物料弹内的磷光颗粒和床料混合物在气瓶（13内气体的作用下快速喷入到待测管5中，与待测管⑶内的气固两相流混合；通过数据采集与控制装置4启动闪光灯管（22的激光光源，激光光源发射形成线光源并在激发环21内形成激光光源圈，使随着待测管5内气固两相流流动的磷光颗粒在经过激光光源圈时被激发发出余辉成为磷光示踪剂；使磷光示踪剂随着气固两相流在待测管5内流动，到达光敏元件所在的平面时，磷光示踪剂的余辉被光敏元件探测到，光敏元件将探测信号反馈到数据采集与控制装置⑷，从而获得磷光示踪剂余辉强度信号，并经过修正计算得到磷光示踪剂浓度曲线。9.根据权利要求8所述的一种磷光颗粒示踪多点测量方法，其特征在于，所述物料弹中磷光颗粒量占总床料量的比例为〇.5%〜2%。10.根据权利要求8所述的一种磷光颗粒示踪多点测量方法，其特征在于，所述方法还包括磷光示踪剂余辉强度信号修正计算，所述修正计算包括：获得磷光颗粒激发后的余辉随时间自然衰减的曲线，根据衰减曲线I=C·^6获得磷光颗粒衰减特性B的数值；利用相同浓度示踪颗粒在不同时刻的余辉强度„修正公式，选定基准时刻以即可得到其它时刻的修正数值，消除自然衰减的影响。

百度查询： 清华大学 一种磷光颗粒示踪多点测量系统及方法

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