第四部分-先进流体测量技术专题

1、第四部分第四部分 先进流体测量先进流体测量技术专题技术专题郑州大学化工学院郑州大学化工学院过程装备与控制工程系过程装备与控制工程系接触式流体测量技术接触式流体测量技术非非接触式流体测量技术接触式流体测量技术v 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；v 流体测量参数中最常见的有温度、压力、速度、浓度、热导流体测量参数中最常见的有温度、压力、速度、浓度、热导率、化学成分等；率、化学成分等；v 测量方法可分为接触式测量与非接触式测量。目

2、前研究开发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；v 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，从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、传热传质的强化以及进一步的而为流动和传热状况的改善、传热传质的强化以及进一步

3、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。 接触式流体测量技术接触式流体测量技术v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；v现代接触式流体测量技术的发展重点之一是各类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。 接触式流体测量接触式流体测量光纤传感器光纤传感器静电传感器静电传感器电容探头电容探头固体动量探头固体动量探头光纤传感器（光纤传感器（Fiber Optic Sensor） v光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发光纤

4、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。光纤传感具有抗电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、可进行分磁干扰、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，是近年来国际上布式测量、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。v光纤传感器可分为两大类：功能型传感器和非功能型传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。v功能型光纤传感器功能型光

5、纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将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。其工作原理基于光纤的光调制效应，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，频电场、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。再通过对被调制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。光纤在的光信号进行解调，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

6、仅是导光介质，而且也是敏感元件；v非功能型传感器非功能型传感器是利用其他敏感元件感受被测量信号的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，常用来传输远端场变化，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。 静电传感器（静电传感器（Electrostatic Sensor） v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。v带电颗粒在流经静电传感器时，由于静电感应致使传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，同时由于感器电极的内外表面上产生等量异号电荷，同时由于颗粒

7、的移动，其在静电传感器周围产生的准静电场不颗粒的移动，其在静电传感器周围产生的准静电场不断变化，致使静电传感器上产生的感应电荷和感应电断变化，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。感应电荷或感应电势信号的波动反势也在不断波动。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）。v另外，感应电信号的大小与颗粒尺寸有关。通过对信另外，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

8、域处理，还可以得到颗粒的平均直径。 电容探头（电容探头（Capacitance Probe） v由于电容极板之间的颗粒浓度的变化会引起介电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，故电容探头可用于测量多相流中的常数的变化，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。固体动量探头固体动量探头（Solid Momentum Probe） v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。两根测压管测得的压力差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。压力差值由计值对应于气固两相流动的

9、净动量。压力差值由计算机进行分析后，获得动量值。可用于研究气固算机进行分析后，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。 非接触式流体测量非接触式流体测量激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术超声波多普勒测速技术超声波多普勒测速技术粒子图像测速技术粒子图像测速技术计算机断层扫描技术计算机断层扫描技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术（Laser Doppler Velocimetry，LDV） vLDV技术出现于上世纪技术出现于上世纪60年代，现在广泛用于相年代，现在广泛用于相对稳定和周期性变化的单相流场的测量，可测量对稳定和周期性变化的单相流场的测量，可测量气

10、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，获得流动的平均速度、湍流度、剪切系数、平坦系数等各种统计速度、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结果，其中，平均速度测量精度可达0.1的量级。的量级。v一般由激光发生器、发射和接收光路系统、位移一般由激光发生器、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。v 基本工作原理是利基本工作原理是利用发射和接收光路用发射和接收光路系统探测运动微粒系统探测运动微粒（即示踪粒子）在（即示踪粒子）在通过激光束测量区通过激光束测量区的多普勒信号，然的多普勒信号，然后通过

11、信号处理和后通过信号处理和数据处理后，获得数据处理后，获得测量区内示踪粒子测量区内示踪粒子的准确速度以及其的准确速度以及其他运动特性，并以他运动特性，并以此表征该处流体的此表征该处流体的真实运动特性。真实运动特性。v激光发生器产生激光，经发射光路系统后分成多组激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，相交时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。v只要光的波长、两束光的夹角确定后，干涉条纹之间只要光的波长、两束光的夹角确定后

12、，干涉条纹之间的间距即可确定。当有示踪粒子垂直于条纹穿越测量的间距即可确定。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，经光电器点时，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。这些信号转变成电信号，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。通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，就可获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，以此表征流场中测量点处的真实得示踪粒子的速度，以此表征流场中测量点处的真实流速。流速。vLDV实现的是单次单

13、点测量，且因难以从包含各实现的是单次单点测量，且因难以从包含各种尺寸和形状的光散射界面中分离出真正的可用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。v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）是由LDV发展而来的，测量原发展而来的，测量原理也是建立在多普勒频移基础上的。依靠运动微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，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而通过分

14、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小。射的散射光产生的相位移动来确定粒径的大小。方向性与方向性与LDV一样，技术含量高于一样，技术含量高于LDV，适合于，适合于既要测量粒子速度，又要测量粒子粒径的场合，既要测量粒子速度，又要测量粒子粒径的场合，可用于研究多相动态流动特性。可用于研究多相动态流动特性。超声波多普勒测速技术（超声波多普勒测速技术（Ultrasound Doppler Velocimetry，UDV） v 与与LDV利用光学多普勒效应不同的是，利用光学多普勒效应不同的是，UDV是利用声学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

15、速的技术。v 根据声学多普勒效应，当声源与反射界面或散射体之间存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。超声波多普勒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，随流体一起运测速方法中，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，将入射超声波反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，就是由射回接收器。发射声波与接收声波之

16、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。由于这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。v利用超声波多普勒测速方法，能同时测得瞬态速度的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。目前这方面的空间分布，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，透射式超声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

17、液体系的局部固含率。v超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温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，以及高温下被测流体传声速度的料耐温程度的限制，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。 粒子图像测速技术（粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV） v PIV出现于上世纪出现于上世纪90年代初，年代初，利用示踪粒子散射光强来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可在

18、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；v 是在传统流动显示的基础是在传统流动显示的基础上，利用图形图像处理技上，利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流术发展起来的一种新的流动测量技术；动测量技术；v 综合了单点测量技术和显综合了单点测量技术和显示测量技术的优点，既具示测量技术的优点，既具备了单点测量技术的精度备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬流场显示的整体结构和瞬态图像。态图像。v 其基本方法是，在流场中散其基本方法是，在流场中散布示踪粒子，将激光发生器布示踪粒子，将激光发生器产生的激光束经透镜散射后产生的激光束经透镜

19、散射后形成片光源，入射到流场中形成片光源，入射到流场中的待测区域，使用摄像装置的待测区域，使用摄像装置以垂直于片光源的方向对准以垂直于片光源的方向对准测量区域，利用示踪粒子对测量区域，利用示踪粒子对光的散射作用，记录下两次光的散射作用，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，采用自利用图像处理技术，采用自相关或互相关统计技术求取相关或互相关统计技术求取测量区内粒子位移的大小和测量区内粒子位移的大小和方向，根据脉冲间隔时间求方向，根据脉冲间隔时间求取粒子速度矢量，从而对流取粒子速度矢量，从而对流场某一切面的状态进行全面场某一切面的状态进行全面测量，包括各点

20、的速度、涡测量，包括各点的速度、涡量、流线以及等速度线等流量、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。v PIV实现的是单次多点测量，可以对流场某一截面的瞬时实现的是单次多点测量，可以对流场某一截面的瞬时状态整体成像。但目前难以用于湍流细微结构的研究，也状态整体成像。但目前难以用于湍流细微结构的研究，也难以用于流动场的谱分析。难以用于流动场的谱分析。v 由于由于PIV测量的是一个区域内所有粒子的空间平均速度，测量的是一个区域内所有粒子的空间平均速度，受测量空间的限制，有时对于流场中关键局部区域的流态受测量空间的限制，有时对于流场中关键局部区域的流态进行细观研究时往往难以应对，如

21、接近壁面处的速度场。进行细观研究时往往难以应对，如接近壁面处的速度场。故基于故基于PIV产生了产生了PTV（ParticleTrackingVelocimetry）技）技术，利用从流场中所得到的图像中提取单个颗粒的信息从术，利用从流场中所得到的图像中提取单个颗粒的信息从而获得颗粒的运动数据以及颗粒的表面特性。而获得颗粒的运动数据以及颗粒的表面特性。PTV的图像的图像处理过程主要分为：图像识别与颗粒配对过程。图像识别处理过程主要分为：图像识别与颗粒配对过程。图像识别过程就是把图像中的颗粒信息通过一定的图像处理方法提过程就是把图像中的颗粒信息通过一定的图像处理方法提取出来的过程。当获取颗粒图像信息后，需要采用颗粒配取出来的过程。当获取颗粒图像信息后，需要采用颗粒配对的法实现对颗粒速度信息的计算。对的法实现对颗粒速度信息的计算。, PIV和和PTV的联合的联合使用，有望在两相流动测量中发挥更大作用。使用，有望在两相流动测量中发挥更大作用。 计算机断层扫描技术（计算机断层扫描技术（Computer Tomograghy，CT） vCT技术最早用于医学领域，上世纪技术最早用于医学领域，上世纪70年代末开始年代末开始用于工业产品的无损检测。在流场测量领域，可用于工业产品的无损检测。在流场测量领域，可用于多相流速度场和浓度场等的