激光后向散射法颗粒流动参数测量系统研究

摘要

气固两相流动广泛存在于电力、化工、制药、冶金等工业生产中，实现其流动参数（固相速度和浓度）的在线准确测量，对工业生产过程的安全、经济、高效运行具有重要意义。现有的颗粒流动参数测量系统，往往难以满足恶劣环境下的在线测量要求。本文基于激光后向散射法基本原理，结合激光光纤探头，开发了一套颗粒流动参数在线测量系统，并进行了系统标定及湍动流化床实验研究。主要工作内容如下： 首先介绍了光散射理论，并在此基础上阐述了Mie散射理论、瑞利散射理论。根据Mie散射理论，推导出了颗粒散射光强的空间分布，进一步解释了颗粒后向散射的特征和适用条件。结合浓度测量和数据采样原理，推导出了离散化的后向散射法颗粒浓度和流动速度计算公式。 其次，根据后向散射法颗粒浓度和速度测量基本原理，开发了一套基于激光与光纤耦合的颗粒流动参数在线测量系统。系统主要由供电系统、光路系统、光电转换与信号调制系统、数据采集与处理软件系统组成。光路系统由激光器、光纤接口、光纤传光束和光电耦合元件组成，实现了激光的光路耦合、传输及散射光的采集。光电转换和信号调制系统利用光电二极管和PCB电路板，将散射光信号转换为电压信号并调理放大。数据采集与处理软件系统是基于NI数据采集卡（NI-6353）在LabVIEW开发环境下编制的，完成电压信号数据采集、处理与存储，并实时显示颗粒浓度和流动速度的动态曲线图。 最后，在实验室对所开发的测量系统进行了标定实验研究，并在湍动流化床上进行了实验研究。通过标定，获得了颗粒浓度和输出电压之间的函数关系以及速度的测量误差。湍动流化床实验中，研究了不同流化风量条件下床内颗粒浓度和流动速度的空间分布。结果表明：测量系统能够较为准确地测量颗粒的浓度和流动速度，测量结果稳定可靠；系统可以很好地监测湍动流化床的环核流动、颗粒返混等现象。

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