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CN107421909A - 非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的测量装置及方法 - Google Patents

非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的测量装置及方法 Download PDF

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CN107421909A
CN107421909A CN201710347123.6A CN201710347123A CN107421909A CN 107421909 A CN107421909 A CN 107421909A CN 201710347123 A CN201710347123 A CN 201710347123A CN 107421909 A CN107421909 A CN 107421909A
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杨荟楠
蒋永
吴威
陈晶晶
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Abstract

本发明提供了一种非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置，包括：四个激光光源，用于产生四束波长不同的激光；波分复用器，对四束激光进行耦合形成发散光；准直器，将发散光形成平行光并进行聚焦；非透射固体表面，用于承载尿素水溶液液膜；凸透镜，对液膜表面的光以及非透射固体表面的光进行聚焦；积分球，具有入口及出口，入口用于收集凸透镜聚焦的光，出口用于将积分球内多次反射的光输出；多模光纤，对积分球输出的光进行进行传输；非球面镜，用于增大多模光纤传输的光的直径；光栅，对经过非球面镜的光进行分成四束波长不同的光；光谱采集构件，用于接收四束光，以及计算机，对四束光进行分析，得到尿素水溶液液膜的多个参数。

Description

非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及测量装置及测量方法，具体涉及一种非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的测量装置及方法。
背景技术
液膜形成的现象广泛地存在于各种工业过程中，例如在水平管降膜蒸发器中水滴撞击换热管表面液膜的形成，以及选择性催化还原系统(SCR)中汽车尾气排放管上的尿素水溶液液膜的形成等。
但是在实际工业过程中，液膜形成的现象都是发生在非透射表面上，然而传统的测量方法只能对透射表面上的液膜进行测量，导致非透射表面的液膜的参数无法测量。
另外，传统的测量方法只能实现对液膜的单个参数的测量，无法同时测量液膜的多个参数。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的测量装置及方法。
本发明提供了一种非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置，具有这样的特征，包括：四个激光光源，用于产生四束波长不同的激光；波分复用器，对四束激光进行耦合形成一束发散光；准直器，将发散光形成平行光并进行聚焦；非透射固体表面，用于承载尿素水溶液液膜；凸透镜，对液膜表面的光以及非透射固体表面的光进行聚焦；积分球，具有入口以及出口，入口用于收集凸透镜聚焦的光；出口用于将积分球内多次反射的光输出；多模光纤，对积分球输出的光进行进行传输；非球面镜，用于增大多模光纤传输的光的直径；光栅，将经过非球面镜的光进行分束，分成四束波长不同的光；光谱采集构件，用于接收四束光的强度，以及计算机，与光谱采集构件连接，对四束光进行分析，得到尿素水溶液液膜的多个参数。
在本发明提供的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置中，还可以具有这样的特征，还包括：透镜组，其中，该透镜组位于积分球以及光膜多纤之间，用于对积分球输出的光进行聚焦。
在本发明提供的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，四个激光光源均为半导体激光器。
在本发明提供的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，光谱采集构件为四个光电探测器。
在本发明提供的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，多个参数为尿素水溶液液膜的厚度、温度、浓度以及其他因素造成的光强衰减。
本发明还提供了上述非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置的测量方法，包括：采用四个激光光源产生四束波长为V1、V2、V3、V4的激光；采用波分复用器对四束激光进行耦合形成一束发散光；采用准直器将发散光形成平行光并进行聚焦；采用非透射固体表面承载尿素水溶液液膜，记录非透射固体表面的反射光强Iti(i＝1,2,3,4)；采用凸透镜对液膜表面的光以及非透射固体表面的光进行聚焦；采用具有入口以及出口的积分球，入口用于收集凸透镜聚焦的光；出口用于将积分球内多次反射的光输出；采用多模光纤对积分球输出的光进行进行传输；采用非球面镜增大多模光纤传输的光的直径；采用光栅将经过非球面镜的光进行分束，分成四束波长为V1、V2、V3、V4的光；采用光谱采集构件接收四束波长为V1、V2、V3、V4的光的强度，并记录光的背景光光强Ioi(i＝1,2,3,4)，以及采用与光谱采集构件连接计算机，对四束光的反射光强Iti(i＝1,2,3,4)以及背景光光强Ioi(i＝1,2,3,4)进行分析，通过联立以下公式：
Ki＝f(T),i＝(1,2)
Ki＝f(c),i＝3
得到尿素水溶液液膜的多个参数，多个参数为尿素水溶液液膜的厚度、温度、浓度以及其他因素造成的光强衰减，其中，上述公式中Iti为反射光强、Ioi为背景光光强、T为温度、d为厚度、c为浓度、u为其他因素造成的光强衰减。
发明的作用与效果
本发明所涉及的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置，是建立基于比尔-朗伯定律的溶液液膜多参数反演模型。该模型需要高精度、高灵敏度、同步测量非透射固体表面溶液液膜厚度d、温度T、浓度c以及如光散射、偏转等其他因素造成的光强衰减u；基于不同浓度、不同温度的尿素水溶液在红外区域高精度的吸收光谱，在红外区域优选确定四个波数进行分析。波数V1和V2分别对应尿素水溶液光谱吸收系数对浓度变化率为零，波数V3对应尿素水溶液光谱吸收系数对温度变化率为零，波数V4对应尿素水溶液光谱吸收系数较小；通过结合V1和V2，采用比值法可以确定尿素水溶液液膜的温度T和厚度d，同时结合V4确定其他因素造成的光强衰减u，再结合V3确定浓度c，从而实现对尿素水溶液液膜多参数同步测量。
附图说明
图1是本发明的实施例中非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例中溶液液膜非透射固体表面的光反射情况；以及
图3是本发明的实施例中溶液液膜足够厚时通过液膜表面的光被溶液完全吸收的情况。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置作具体阐述。
图1是本发明的实施例中非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置的结构示意图。
如图1所示，非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置100用于同步测量尿素水溶液液膜的多个参数，具有四个激光光源11、波分复用器12、准直器13、非透射固体表面14、凸透镜15、积分球16、透镜组17、多模光纤18、非球面镜19、光栅20、光谱采集构件21、计算机22。
四个激光光源11，用于产生四束波长不同的激光。在本实施例中，四个激光光源11均为半导体激光器。
波分复用器12对四束波长不同的激光进行耦合形成一束发散光。
准直器13将波分复用器传出的发散光变成平行光并对光进行聚焦。
非透射固体表面14用于承载尿素水溶液液膜。
凸透镜15对液膜表面反射光和非透射固体表面反射-折射光进行聚焦。
积分球16具有入口以及出口，入口用于收集液膜表面反射光和非透射固体表面反射-折射光；出口用于将积分球内多次反射的光输出。
透镜组17用于对积分球输出的光进行聚焦。
多模光纤18对积分球输出的光进行进行传输。
非球面镜19用于增大多模光纤传输的光的直径，有利于光栅20的进一步分光。
光栅20将经过非球面镜的光进行分束，将耦合成一条的光分成四条不同波长的光。
光谱采集构件21用于接收光栅分出的四条不同波长光的强度。在本实施例中，光谱采集构件21为四个光电探测器。
计算机22与光谱采集构件21连接，四个光电探测器测得的信号进行分析，得到尿素水溶液液膜的多个参数。在本实施例中，多个参数为尿素水溶液液膜的厚度、温度、浓度以及其他因素造成的光强衰减。
非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置100的测量方法包括以下步骤：
步骤一，采用四个激光光源11产生四束波长为V1、V2、V3、V4的激光；采用波分复用器12对四束激光进行耦合形成发散光；采用准直器13将发散光形成平行光并进行聚焦；采用非透射固体表面14承载尿素水溶液液膜，记录非透射固体表面的反射光强Iti(i＝1,2,3,4)；采用凸透镜15对液膜表面的光以及非透射固体表面的光进行聚焦；采用具有入口以及出口的积分球16，入口用于收集凸透镜聚焦的光；出口用于将积分球内多次反射的光输出；采用多模光纤18对积分球输出的光进行进行传输；采用非球面镜19增大多模光纤传输的光的直径；采用光栅20将经过非球面镜的光进行分束，分成四束波长为V1、V2、V3、V4的光；采用四个光电探测器探测四束波长为V1、V2、V3、V4的光，并记录光的背景光光强Ioi(i＝1,2,3,4)。在本实施例中，在测量过程中，要调节非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置100的各部件之间的位置以及角度。
图2是本发明的实施例中溶液液膜非透射固体表面的光反射情况；以及图3是本发明的实施例中溶液液膜足够厚时通过液膜表面的光被溶液完全吸收的情况。
如图2所示，当液膜厚度一定时，入射光照射到液膜表面，一部分光被反射，另外一部分光被液体介质吸收后在非透射固体表面再次反射；如图3所示，当溶液液膜足够厚时，入射光照射到液膜表面，一部分光被反射，另外一部分光被液体介质完全吸收。
步骤二，激光经承载尿素水溶液液膜的非透射固体表面14，排除液膜表面反射光强的影响即通过增加溶液液膜厚度使穿过液膜表面的光被完全吸收，经大量实验可发现液膜表面反射光强为常数，记录非透射固体表面的反射光强Iti(i＝1,2,3,4)。
步骤三，采用与光谱采集构件21连接的计算机22，对四束波长为V1、V2、V3、V4的光进行分析。对背景光光强I0i(i＝1,2,3,4)和非透射固体表面14反射光强Iti(i＝1,2,3,4)进行处理，从而确定尿素水溶液厚度d、温度T、浓度c以及其他因素造成的光强衰减u。
通过结合V1和V2，采用比值法可以确定尿素水溶液液膜的温度T和厚度d，同时结合波数V4可以确定其他因素造成的光强衰减u，进而通过结合V3可以确定浓度c，数据处理是基于比尔-朗伯定律：
尿素水溶液吸收系数Ki与浓度c和温度T的对应关系可由在傅里叶红外光谱仪上测得的不同浓度、不同温度下尿素水溶液的吸收系数获得：
Ki＝f(T),i＝(1,2)
Ki＝f(c),i＝3
通过联立以下公式：
Ki＝f(T),i＝(1,2)
Ki＝f(c),i＝3
得到尿素水溶液液膜的多个参数，多个参数为尿素水溶液液膜的厚度d、温度T、浓度c以及其他因素造成的光强衰减u，
其中，上述公式中Iti为反射光强、Ioi为背景光光强、T为温度、d为厚度、c为浓度、u为其他因素造成的光强衰减。
实施例的作用与效果
本实施例中的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置，是建立基于比尔-朗伯定律的溶液液膜多参数反演模型。该模型需要高精度、高灵敏度、同步测量非透射固体表面溶液液膜厚度d、温度T、浓度c以及如光散射、偏转等其他因素造成的光强衰减u；基于不同浓度、不同温度的尿素水溶液在红外区域高精度的吸收光谱，在红外区域优选确定四个波数进行分析。波数V1和V2分别对应尿素水溶液光谱吸收系数对浓度变化率为零，波数V3对应尿素水溶液光谱吸收系数对温度变化率为零，波数V4对应尿素水溶液光谱吸收系数较小；通过结合V1和V2，采用比值法可以确定尿素水溶液液膜的温度T和厚度d，同时结合V4确定其他因素造成的光强衰减u，再结合V3确定浓度c，从而实现对尿素水溶液液膜多参数同步测量。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置，用于同步测量尿素水溶液液膜的多个参数，其特征在于，包括：
四个激光光源，用于产生四束波长不同的激光；
波分复用器，对所述四束激光进行耦合形成一束发散光；
准直器，将所述发散光形成平行光并进行聚焦；
非透射固体表面，用于承载尿素水溶液液膜；
凸透镜，对所述液膜表面的光以及所述非透射固体表面的光进行聚焦；
积分球，具有入口以及出口，所述入口用于收集所述凸透镜聚焦的光；所述出口用于将所述积分球内多次反射的光输出；
多模光纤，对所述积分球输出的光进行进行传输；
非球面镜，用于增大所述多模光纤传输的光的直径；
光栅，将经过所述非球面镜的光进行分束，分成四束波长不同的光；
光谱采集构件，用于接收四束所述光的强度，以及
计算机，与所述光谱采集构件连接，对四束所述光进行分析，得到所述尿素水溶液液膜的多个参数。
2.根据权利要求1所述的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置，其特征在于，还包括：
透镜组，
其中，该透镜组位于所述积分球以及所述光膜多纤之间，用于对所述积分球输出的光进行聚焦。
3.根据权利要求1所述的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置，其特征在于：
其中，四个所述激光光源均为半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置，其特征在于：
其中，所述光谱采集构件为四个光电探测器。
5.根据权利要求1所述的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置，其特征在于：
其中，所述多个参数为所述尿素水溶液液膜的厚度、温度、浓度以及其他因素造成的光强衰减。
6.一种如权利要求1所述的非透射固体表面尿素水溶液液膜多参数的同步测量装置的测量方法，其特征在于，包括：
采用四个激光光源产生四束波长为V1、V2、V3、V4的激光；
采用波分复用器对所述四束激光进行耦合形成一束发散光；
采用准直器将所述发散光形成平行光并进行聚焦；
采用非透射固体表面承载尿素水溶液液膜，记录非透射固体表面的反射光强Iti(i＝1,2,3,4)；
采用凸透镜对所述液膜表面的光以及所述非透射固体表面的光进行聚焦；
采用具有入口以及出口的积分球，所述入口用于收集所述凸透镜聚焦的光；所述出口用于将所述积分球内多次反射的光输出；
采用多模光纤对所述积分球输出的光进行进行传输；
采用非球面镜增大所述多模光纤传输的光的直径；
采用光栅将经过所述非球面镜的光进行分束，分成四束波长为V1、V2、V3、V4的光；
采用光谱采集构件接收所述四束波长为V1、V2、V3、V4的光的强度，并记录光的背景光光强Ioi(i＝1,2,3,4)，以及
采用与所述光谱采集构件连接计算机，对四束所述光的反射光强Iti(i＝1,2,3,4)以及背景光光强Ioi(i＝1,2,3,4)进行分析，通过联立以下公式：
<mrow> <mfrac> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mn>0</mn> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>u</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
Ki＝f(T),i＝(1,2)
Ki＝f(c),i＝3
得到所述尿素水溶液液膜的多个参数，所述多个参数为所述尿素水溶液液膜的厚度、温度、浓度以及其他因素造成的光强衰减，
其中，上述公式中Iti为反射光强、Ioi为背景光光强、T为温度、d为厚度、c为浓度、u为其他因素造成的光强衰减。
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