水滴流场离散截面水滴平均直径变化曲线测量方法及装置

摘要

本发明公开一种水滴流场离散截面水滴平均直径变化曲线测量方法及装置，通过激光器向水滴流场离散截面间隔相同时间步长发射激光束，激光束受到衰减后进入到光强感应器中得到光强分布图，通过监测分析装置由光强分布图中得出各时刻衰减后激光束光强散色程度最强位置上的光强，并根据其中合理的光强得出对应时刻的水滴流场离散截面水滴平均直径。通过一段时间测量后，根据这段时间里得到的水滴流场离散截面平均水滴直径，还原水滴流场离散截面平均水滴直径变化曲线。本发明的优点在于：不仅可测得水滴流场中不同时刻不同离散截面上的水滴平均直径，还可获得水滴流场不同时刻不同截面水滴平均直径变化曲线。

说明书

技术领域

本专利涉及电子工程、光电工程、软件工程、通信工程、数字信号处理等技术领域， 具体来说，是一种用来测量水滴流场不同时刻不同离散截面上的水滴平均直径变化曲线的 测量方法及测量装置。

背景技术

探测水滴直径技术早在上个世纪70年代，就开始活跃起来。早期的测量水滴直径的 方法主要有：热力学法、光学法、示踪与导电法、分离法、临界速度法及利用板孔测量等。 从上世纪70年代开始，世界上一些主要研究机构和制造商相继展开用光学法测量水滴直 径的工作。如前苏联莫斯科动力学院热工研究所，德国阿亨工大，斯图加特大学，日本东 芝、三菱，美国西屋、通用，英国CERL，法国EDF，意大利ENEL，瑞士ABB，美国 EPRI和捷克布拉格工大等先后研制了不同的光学探针用于测量湿蒸汽水滴平均直径。根 据工作原理的不同，这些光学探针可分为全散射法测量和角散射法测量两大类。全散射法 的基本原理是通过测量光束穿过湿蒸汽后的投射光衰减得到水滴粒径分布和平均粒径。角 散射法则是通过测量水滴在某一角度下的散射光强或某一个空间立体角内的散射光通量 来确定水滴的尺寸。

探针式的测量方法有它的不足，这是一种侵入式的测量方法，如果把其应用到流场进 行测量，势必对水滴流场产生干扰；且上述方法均无法测量随流场运动的水滴在流场中不 同时刻不同截面的平均水滴变化直径。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种水滴流场离散截面水滴平均直径变化曲 线测量方法及装置，不仅可以测出水滴流场不同时刻不同离散截面上的水滴平均直径，还 可以得到水滴流场离散截面不同时刻水滴平均直径的变化情况。

本发明水滴流场离散截面上水滴平均直径变化曲线测量方法，通过以下步骤来完成：

步骤1：设备调试；

调整激光器发射激光的角度，使激光器发射的激光束射由水滴流场的离散截面周向上 一点a射入，由水滴流场的离散截面周向上与点a对称的点b射出；同时，设置光强接收 器接收衰减后的激光束。

步骤2：设置激光束激光发射频率；

设置激光器每间隔相同时间步长Δt发射一条激光束；设激光器所发射的第i条激光束 对应的发射时刻为t_i，0＜i，i为正整数；t_i时刻激光器发射的激光束受到水滴流场离散截 面上的水滴折射作用后强度衰减，t_i时刻衰减后激光束由水滴流场的离散截面另一侧射出。

步骤3：获得t_i时刻衰减后激光束光强散色程度最强的位置上的光强I_i，max；

通过光强感应器接收t_i时刻衰减后激光束，得到t_i时刻衰减后激光束的光强分布图， 并根据光强分布图得到t_i时刻衰减后激光束光强散色程度最强的位置上的光强I_i，max。

步骤4：判断的I_i，max是否合理；

若0＜I_i，max＜I_i，初，则I_i，max合理，I_i，初为t_i时刻由激光器发射的条激光束的强度，通 过合理的I_i，max得到t_i时刻的水滴流场离散截面上的水滴平均直径；若I_i，max≤0或I_i，max≥I_i，初，则I_i，max不合理，进入步骤5。

步骤5：对不合理的I_i，max进行判断；

当三个连续时刻t_i-1，t_i，t_i+1的中间时刻衰减后激光束光强散色程度最强的位置上的光 强I_i，max不合理时，则通过步骤4中得到的t_i时刻前一时刻t_i-1与后一时刻t_i+1水滴流场离 散截面水滴平均直径相加后取平均值，即可得到t_i时刻水滴流场离散截面水滴平均直径。

当两个连续时刻t_i，t_i+1中衰减后激光束光强散色程度最强的位置上的光强I_i，max与I_i+1，max均不合理，则对t_i，t_i+1时刻水滴流场离散截面水滴平均直径忽略不计。

步骤6：得到水滴流场离散截面上水滴平均直径变化曲线；

将步骤4与步骤5中所得到的t_i时刻水滴流场离散截面水滴平均直径进行进行频谱分 析，选取适当频谱范围，还原各时刻水滴流场离散截面上的水滴平均直径变化曲线。

本发明一种水滴流场不同时刻不同离散截面水滴平均直径变化曲线测量装置，包括控 制器、激光器、水滴流场通道、光强感应器、监测分析器；

其中，控制器包括供电模块与控制模块，供电模块用来将经过变压器转换后的电压转 换成直流电压为激光器与控制模块供电。

所述控制模块包括晶振电路、复位电路、单片机、时间步长显示电路、激光开关电路、 当前时间显示电路；晶振电路用来为单片机提供工作信号脉冲；复位电路用来在单片机中 程序出错时复位单片机；激光器开关电路通过单片机来控制，用来开启或断开激光器的电 源；当前时间显示电路用来显示当前工作时间；时间步长显示电路用来显示设定的间隔时 间步长Δt；控制器与激光器相连，通过控制器控制激光器每间隔时间步长Δt发射一次激光 束，设激光器所发射的第i条激光束对应的发射时刻为t_i，0＜i，i为正整数。

激光器的激光发射端前方设置有筒状水滴流场通道；水滴流场由水滴流场通道一端进 入后，由另一端流出，水滴流场通道周侧上相对开有激光束入口与激光束出口，激光器在 t_i时刻发射的激光束由激光束入口射入到水滴流场通道内部，衰减后的激光束由出口射出 到光强感应器中，通过光强感应器得到t_i时刻衰减后的激光束光强分布图，发送给监测分 析器。

所述监测分析器包括数据传递模块、数据前处理模块、分析计算模块、频谱分析模块 与显示模块。

其中，数据传递模块用来接收由光强传感器发送的t_i时刻衰减后的激光束光强分布 图，并发送给数据前处理模块。

数据前处理模块对每t_i时刻衰减后的激光束光强分布图进行分析，得到t_i时刻衰减后 的激光束光强散色程度最强位置上的强度I_i，max，并对I_i，max进行判断；若0＜I_i，max＜I_i，初， 则判断I_i，max合理，则将I_i，max发送到分析计算模块；若I_i，max≤0或I_i，max≥I_i，初，则I_i，max不合理，则将I_i，max舍去，并向分析计算模块发送Null值；上述I_i，初为t_i时刻激光器发 射的激光束强度。

分析计算模块根据接收到的合理I_i，max，得到与合理I_i，max对应的t_i时刻水滴流场离 散截面上的水滴平均直径，发送给频谱分析模块。

频谱分析模块用来接收到的t_i时刻水滴流场离散截面上的水滴平均直径进行频谱分 析，还原各时刻水滴流场离散截面上的水滴平均直径变化曲线，并在显示模块中进行显示。 本发明的优点在于：

1、本发明测量方法不仅可测得水滴流场中不同时刻不同离散截面上的水滴平均直径， 还可获得水滴流场不同时刻不同截面水滴平均直径变化曲线；

2、本发明测量装置结构简单，操作方便，测得的水滴流场截面水滴平均直径精确不 失真。

附图说明

图1是本发明测量方法流程图；

图2是本发明测量装置整体结构示意图；

图3是本发明测量装置中控制器结构框图；

图4是本发明测量装置中水滴流场通道结构示意图；

图5是本发明测量装置中监测分析器结构框图。

图中：

1-控制器2-激光器3-反射镜4-水滴流场通道

5-光强感应器6-分析器7-变压器101-供电模块

102-控制模块102a-晶振电路102b-复位电路102c-单片机

401-激光束入口402-激光束出口102d-时间步长显示电路

102e-激光开关电路102f-当前时间显示电路601-数据传递模块

602-数据前处理模块603-分析计算模块604-频谱分析模块

605-显示模块

具体实施方式

下面通过附图对本发明做进一步说明。

本发明水滴流场离散截面上水滴平均直径曲线测量方法，如图1所示，通过以下步骤 来完成：

步骤1：设备调试；

调整激光器发射激光的角度，使激光器发射的激光束射由水滴流场的离散截面周向上 一点a射入，由水滴流场的离散截面周向上与点a对称的点b射出；同时，将光强接收器 设置在可接收到衰减后的激光束的位置。为了调整激光器发射激光的角度，本发明在激光 器的发射端与水滴流场间设置有反射镜，调整反射镜的角度，来调整激光器所发射激光的 角度，由此可在保持激光器不动得情况下对激光器射出激光角度的调整，方便了设备的调 试。

步骤2：设置激光束激光发射频率；

设置激光器每间隔相同时间步长Δt发射一条激光束；为了便于说明，设激光器所发 射的第i条激光束对应的发射时刻为t_i，0＜i，i为正整数。t_i时刻激光器发射的激光束受 到水滴流场离散截面上的水滴折射作用后强度衰减，i条衰减后激光束由水滴流场的离散 截面另一侧射出。

步骤3：获得t_i时刻衰减后激光束光强散色程度最强的位置上的光强I_i，max；

通过光强感应器接收t_i时刻衰减后激光束，得到t_i时刻衰减后激光束的光强分布图， 并根据光强分布图得到t_i时刻衰减后激光束光强散色程度最强的位置上的光强I_i，max。

步骤4：判断的I_i，max是否合理；

若0＜I_i，max＜I_i，初，则I_i，max合理，I_i，初为t_i时刻由激光器发射的条激光束的强度，通 过合理的I_i，max得到t_i时刻的水滴流场离散截面上的水滴平均直径(参考文献《Mie光散射 理论数值计算方法》，项建胜、何俊华)；若I_i，max≤0或I_i，max≥I_i，初，则I_i，max不合理，进 入步骤5；

步骤5：对不合理的I_i，max进行判断；

为了保证测量过程中各时刻水滴流场截面水滴平均直径数据的完整性，因此，根据激 光束发射激光束的间隔步长相同，从而在本发明测量方法中，当三个连续时刻t_i-1，t_i，t_i+1的中间时刻衰减后激光束光强散色程度最强的位置上的光强I_i，max不合理时，则通过步骤4 中得到的t_i时刻前一时刻t_i-1与后一时刻t_i+1水滴流场离散截面水滴平均直径相加后取平均 值，即可得到t_i时刻水滴流场离散截面水滴平均直径。

当两个连续时刻t_i，t_i+1中衰减后激光束光强散色程度最强的位置上的光强I_i，max与I_i+1，max均不合理，则对t_i，t_i+1时刻水滴流场离散截面水滴平均直径忽略不计。

步骤6：得到水滴流场离散截面上水滴平均直径变化曲线；

将步骤4与步骤5中所得到的t_i时刻水滴流场离散截面水滴平均直径进行进行频谱分 析，选取适当频谱范围，还原各时刻水滴流场离散截面上的水滴平均直径变化曲线。

上述步骤2中Δt需满足：0＜Δt≤1/2f_max，由此使最终获得的水滴流场离散截面上 水滴平均直径更加精确不失真。其中，f_max通过下述方法得到：

①、通过标准化的水滴喷射器分别以固定频率f_max，1，f_max，2，…，f_max，n喷射由相同 直径的水滴构成的水滴流场；n≥2，n为正整数；

②、设置激光头以与①中水滴喷射器相同频率发射激光束，使激光束分别穿过①中以固 定频率f_max，n喷射的水滴流场后衰减，进行步骤3～6，得到n条水滴流场离散截面水滴平 均直径曲线，并得到n条水滴流场离散截面水滴平均直径曲线的最大频率f₁，f₂，…，f_n。

③、将f_max，1，f_max，2，…，f_max，n与f₁，f₂，…，f_n进行曲线拟合，得到经验公式：

f_max＝a₁fⁿ+a₂f^(n-1)+a₃f^(n-2)+……+a_(n-1)f¹+a_n    (1)

其中，a₁、a₂、…、a_n为系数，根据如下矩阵公式求得：

$\left(\begin{array}{c}{f}_{\max ,1}\\ f_{\max ,2}\\ .\\ .\\ .\\ f_{\max ,n}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccc}{f}_1^n& f_1^{(n-1)}& ...& {f_1}^1& 1\\ f_2^n& f_2^{(n-1)}& ...& {f_2}^1& 1\\ & .& & & \\ & .& & & \\ & .& & & \\ f_n^n& f_n^{(n-1)}& ...& {f_n}^1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ .\\ .\\ .\\ a_n\end{array}\right)---\left(2\right)$

④、控制激光头以相同时间步长Δt发射激光束，使激光束穿过水滴流场通道内的水滴 流场后衰减，进行步骤3～6，得到n条水滴流场离散截面水滴平均直径曲线，并得到n条 水滴流场离散截面水滴平均直径曲线的最大频率f；并将f代入③中的经验公式得到f_max。

基于上述方法本发明提出一种水滴流场不同时刻不同离散截面水滴平均直径曲线测 量装置，包括控制器1、激光器2、反射镜3、水滴流场通道4、光强感应器5、分析器6， 如图2所示。

其中，控制器1包括供电模块101与控制模块102，供电模块101用来将经过变压 器7转换后的电压转换成直流电压为激光器2与控制模块102供电。具体为：变压器7 将电压(日常用电电压)转换成15V和9V电压提供给控制器1中的供电模块101，15V 电压与9V电压均经过供电模块101中的桥电路进行整流后，再分别经过供电模块中的 7812稳压电路与7805稳压电路进行稳压后，得到12V与5V的直流电压；其中12V电 压用来为激光器2供电，5V电压用来为控制器1中控制模块102供电。

所述控制模块102包括晶振电路102a、复位电路102b、单片机102c、时间步长 显示电路102d、激光开关电路102e、当前时间显示电路102f，如图3所示。晶振电路 102a是控制器1的核心，用来为单片机102c提供工作信号脉冲。复位电路102b用来 在单片机102c中程序出错时复位单片机102c，保证单片机102c稳定可靠工作当。激光 器开关电路102e通过单片机102c来控制，用来开启或断开激光器2的电源，从而控制 激光器2发射激光束的间隔间隔时间步长Δt。当前时间显示电路102f用来显示当前工作 时间。时间步长显示电路102d用来显示设定的间隔时间步长Δt。控制器1与激光器2相 连，通过控制器1控制激光器2每间隔时间步长Δt发射一次激光束，设激光器所发射的 第i条激光束对应的发射时刻为t_i，0＜i，i为正整数。

激光器2的激光发射端前方设置有水滴流场通道4。所述水滴流场通道4为横向设置 的筒状结构，如图4所示，水滴流场由水滴流场通道4一端进入后，由另一端流出，通过 水滴流场通道4控制水滴流场的流动范围，使水滴流场的运动局限在水滴流场通道4内部。 水滴流场通道4周侧上对称开有激光束入口401与激光束出口402，激光器2在t_i时刻 发射的激光束由激光束入口401射入到水滴流场通道4内部后，受到水滴流场通道4内 水滴流场离散截面上的水滴折射作用后强度衰减，衰减后的激光束由出口402射出到光强 感应器5中，通过光强感应器5得到t_i时刻衰减后的激光束光强分布图，发送给监测分析 器。

为了在不移动水滴流场通道4以及激光器2的情况下，使激光器2射出的激光束准 确的由激光束入口401处进入到水滴流场通道4内部，因此在激光器2的射入端与水滴 流场通道4间设置有反光镜3，通过反光镜3来改变激光器2射出的激光束路径，从而通 过反光镜3对激光器2射出的激光束角度进行调整。

所述监测分析器6包括数据传递模块601、数据前处理模块602、分析计算模块603、 频谱分析模块604与显示模块605，如图5所示。

其中，数据传递模块601用来接收由光强传感器5发送的t_i时刻衰减后的激光束光 强分布图，并发送给数据前处理模块602。

数据前处理模块对每t_i时刻衰减后的激光束光强分布图进行分析，得到t_i时刻衰减后 的激光束光强散色程度最强的位置P和强度I_i，max，并对I_i，max进行判断；若0＜I_i，max＜I_i，初，则判断I_i，max合理，则将I_i，max发送到分析计算模块；若I_i，max≤0或I_i，max≥I_i，初，则 I_i，max不合理，则将I_i，max舍去，并向分析计算模块发送Null值；上述I_i，初为t_i时刻激光 器发射的激光束强度。

分析计算模块603根据接收到的合理I_i，max，得到与合理I_i，max对应的t_i时刻水滴流 场离散截面上的水滴平均直径，发送给频谱分析模块604。

为了最终获得各个时刻水滴流场离散截面上的水滴平均直径的数据，保证数据的完整 性，分析计算模块603还对数据前处理模块602发送的Null值进行分析判断，当Null 值不连续时，由于激光束发射频率固定，则通过Null值对应的t_i时刻的前后时刻t_i-1与t_i+1时水滴流场离散截面水滴平均直径相加取平均值，得到Null值对应的t_i时刻的水滴流场离 散截面上的水滴平均直径，并发送给。当Null值连续时，则发出报警信号。

频谱分析模块604用来接收到的t_i时刻水滴流场离散截面上的水滴平均直径进行频 谱分析，选取适当频谱范围，还原各时刻水滴流场离散截面上的水滴平均直径变化曲线， 使曲线控制在失真范围内，并在显示模块中进行显示。