基于光纖四探針的脈沖篩板萃取柱水力學(xué)性能測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于光纖四探針的脈沖篩板萃取柱水力學(xué)性能測量方法。將四光纖探針放置在脈沖萃取柱中，調(diào)節(jié)脈沖萃取柱進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，利用光纖兩相流系統(tǒng)采集分散相液滴信號、輸出原始電壓數(shù)據(jù)，對原始電壓數(shù)據(jù)處理，整理輸出的數(shù)據(jù)得到脈沖篩板萃取水力學(xué)性能。本發(fā)明可以同時測量脈沖萃取柱內(nèi)液滴的三維速度，分散相液滴直徑和脈沖萃取柱內(nèi)局部存留分?jǐn)?shù)信息。幫助研究工作者方便快捷的掌握脈沖萃取柱內(nèi)的實際運行狀況，為脈沖篩板萃取的放大設(shè)計提供參考。
【專利說明】
基于光纖四探針的脈沖篩板萃取柱水力學(xué)性能測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種水力學(xué)性能測量方法，具體地說是一種脈沖篩板萃取柱的水 力學(xué)性能測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 溶劑萃取是一種有效的分離方法，萃取過程具有分離效率高、選擇性強、適應(yīng)性強 等優(yōu)點，在石油化工、濕法冶金、核燃料后處理、醫(yī)藥、食品和生物技術(shù)等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用。脈沖萃取柱是重要的溶劑萃取設(shè)備，其具有占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單、容易遠(yuǎn)距離操 作、無轉(zhuǎn)動部件且具有較高的萃取效率、較強的處理能力和對表面污染物不敏感等優(yōu)點，目 前已廣泛應(yīng)用于乏燃料后處理領(lǐng)域。對脈沖篩板萃取柱水力學(xué)性能和傳質(zhì)性能的研究一直 是脈沖篩板萃取柱研究的重點。萃取柱傳質(zhì)效率的高低、處理能力的大小主要取決于兩相 的流體力學(xué)特性。脈沖萃取柱重要的水力學(xué)性能主要包括:分散相液滴速度，分散相液滴大 小及分布，存留分?jǐn)?shù)，流場的分布特性和流場的分布特征。
[0003] 目前用于測量分散相液滴速度的方法有高速攝影法、雙光纖探針法和三光纖探針 法等;用于測量分散相液滴尺寸的方法有照相法、激光散射法和光纖探針法等;用于測量存 留分?jǐn)?shù)的方法有體積置換法、壓差法、取樣法和光纖探針法等。高速攝影法成本高，數(shù)據(jù)處 理時間長。雙光纖只能測量分散相液滴的豎直方向上的速度。三光纖探針技術(shù)只能測量液 滴的二維速度;照相法適于低存留分?jǐn)?shù)條件下，且處理照片的工作量非常繁重，同時還需要 考慮到液滴的光學(xué)形變。激光散射法的缺點是待測量體系必須具有一定的透光性。雙光纖 探針法和三光纖探針法測量得到的是近似的液滴直徑;體積置換法是測量平均存留分?jǐn)?shù)的 傳統(tǒng)方法，但是每次測量都需要關(guān)閉脈沖萃取柱，這會破壞萃取柱內(nèi)的穩(wěn)態(tài)平衡。壓差法、 超聲法和取樣法只能用于測量分散相存留分?jǐn)?shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種可以同時測量脈沖萃取柱內(nèi)液滴的三維速度、分散相 液滴直徑和脈沖萃取柱內(nèi)局部存留分?jǐn)?shù)信息，能方便快捷地掌握脈沖萃取柱內(nèi)的實際運行 狀況的基于光纖四探針的脈沖篩板萃取柱水力學(xué)性能測量方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0006] 將四光纖探針放置在脈沖萃取柱中，調(diào)節(jié)脈沖萃取柱進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，利用光 纖兩相流系統(tǒng)采集分散相液滴信號、輸出原始電壓數(shù)據(jù)，對原始電壓數(shù)據(jù)處理，整理輸出的 數(shù)據(jù)得到脈沖篩板萃取水力學(xué)性能，所述對原始電壓數(shù)據(jù)處理具體包括：
[0007] ①導(dǎo)入原始電壓數(shù)據(jù)并設(shè)定閾值進行閾值處理，判斷電壓值是否超過閾值，超過 閾值則為四光纖探針尖端處于分散相液滴中，低于閾值則為四光纖探針尖端處于連續(xù)相 中，統(tǒng)計四光纖探針尖端處于分散相液滴中的時間；
[0008] ②每組原始電壓數(shù)據(jù)輸入結(jié)束后，由四光纖尖端處于分散相中的時間與總測量時 間的比值得到局部存留分?jǐn)?shù)；
[0009] ③將閾值處理后的數(shù)據(jù)再次輸入，去除無關(guān)的電壓信號組，在響應(yīng)時間內(nèi)，判斷四 組電壓數(shù)據(jù)有沒有出現(xiàn)響應(yīng)的電壓峰，若沒有出現(xiàn)響應(yīng)的電壓峰，則為四光纖探針沒有完 全刺破液滴、電壓信號組為無效信號組將其剔除;該響應(yīng)時間范圍為:T min= Δ lmin/Vmax，Tmax =Δ lmax/Vmin(T是響應(yīng)時間，Δ 1是短探針尖端和長探針尖端在豎直方向上的距尚差，V是估 計的液滴速度值）；
[0010] ④若在一定的響應(yīng)時間內(nèi)出現(xiàn)了四個相應(yīng)的電壓峰，則為四光纖探針均刺破液 滴，再通過脈寬比較法去除部分刺偏的電壓信號，若電壓信號滿足脈寬比較法的關(guān)系式，則 為四個光纖探針較好的刺破了該液滴，該信號組為有效信號組;若不滿足脈寬比較法關(guān)系 式，則為存在部分光纖探針僅刺破了液滴的邊緣；
[0011] ⑤從有效信號組中提取并保存相關(guān)時間間隔，待整組數(shù)據(jù)輸入結(jié)束之后，將得到 的時間間隔輸入到測量算法公式中；
[0012] ⑥應(yīng)用測量算法公式，計算液滴的三維速度和液滴直徑；
[0013] ⑦輸出有效液滴的三維速度、液滴直徑和局部存留分?jǐn)?shù)信息。
[0014] 所述測量算法公式為：
[0017] V為液滴的速度，r為液滴的半徑，d32為液滴平均索特直徑，α、β和γ分別為液滴速 庶方向鈾、V鈾和由TF方向的## .
[0015]
[0016]
[0021] 各個行列式中的△ ^3是4號探針第一次接觸液滴和k號探針第一次接觸液滴的時 間差；△1^是4號探針第一次接觸液滴和k號探針第二次接觸液滴的時間差；At k。是4號探 針第二次接觸液滴和k號探針第二次接觸液滴的時間差，k= 1、2、3。長光纖的端面到三根短 光纖端面的向量分別表示為:S4-k=(xk，yk，zk)，k=l，2,3。
[0022] 所述四光纖探針的空間結(jié)構(gòu)是三角錐，在一個大導(dǎo)管內(nèi)置7個小導(dǎo)管，其中一個小 導(dǎo)管位于大導(dǎo)管的中心，6個小導(dǎo)管圍繞在中心小導(dǎo)管的周圍，中心小導(dǎo)管中插入長光纖， 在6個小導(dǎo)管中間隔插入短光纖，三根短光纖的長度一致，長光纖和三根短光纖均剝除一定 長度的光纖包殼，且四根光纖端面切割成平整端面，長光纖的端面到三根短光纖端面的向 量分別表示為:S4-k=(xk，yk，zk)，k=l，2,3。
[0023]本發(fā)明應(yīng)用兩相流液體對光的折射率不同，光纖探針尖端可以接收到強度不同的 反射光，利用光纖兩相流系統(tǒng)將光纖接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號;進一步分析得到的 電壓信號，提取出有效時間量，并通過本發(fā)明中的算法得到分散相液滴的速度、尺寸和局部 存留分?jǐn)?shù)信息?？梢酝瑫r測量脈沖萃取柱內(nèi)液滴的三維速度，分散相液滴直徑和脈沖萃取 柱內(nèi)局部存留分?jǐn)?shù)信息。幫助研究工作者方便快捷的掌握脈沖萃取柱內(nèi)的實際運行狀況， 為脈沖篩板萃取的放大設(shè)計提供參考。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的流程圖。
[0025]圖2為對原始電壓數(shù)據(jù)進行處理的流程圖。
[0026]圖3a為四光纖探針的空間結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖3b為圖3a的俯視圖。
[0028]圖3c為光纖探針的尖端放大圖。
[0029]圖4為原始波形圖。
[0030]圖5為閾值處理后的電壓信號。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0032] 結(jié)合圖1，本發(fā)明的具體流程步驟為：
[0033] (1)制作合適的四光纖探針，一方面，由于液液兩相中液滴尺寸較小，制作的四光 纖探針必須在保證精度的情況下做到最小化。第二方面，每一個探針必須對環(huán)境的變化具 有很高的靈敏度。光纖探針測量方法屬于局部測量，將四光纖探針放置在脈沖萃取柱中合 適的位置。
[0034]結(jié)合圖3a至圖3c，四光纖探針的空間結(jié)構(gòu)是三角錐。在大導(dǎo)管內(nèi)置七個小導(dǎo)管，在 1、2、3、4號小導(dǎo)管中插入光纖。中間的4號光纖為長光纖，周圍的三個為長度基本一致的短 光纖。四根光纖均剝除了一定長度的光纖包殼，并采用光纖切割刀(Fujikura CT-30)切取 平整的端面。長光纖的端面到三個短光纖端面的向量分別表示為：s4-k=( Xk，yk，Zk)，k=l， 2,3〇
[0035] (2)開啟脈沖篩板萃取柱，并調(diào)節(jié)萃取柱進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。在不同的操作條件 下，脈沖篩板萃取柱分為5個操作區(qū)，分別是脈沖強度不足的液泛區(qū)、混合澄清區(qū)、乳化區(qū)、 液泛過渡區(qū)和脈沖強度過大的液泛區(qū)。乳化區(qū)是脈沖萃取柱的最佳操作區(qū)，調(diào)節(jié)操作條件 使脈沖篩板萃取柱進入乳化區(qū)，并讓萃取柱穩(wěn)定運行，即可采集分散相液滴信息。
[0036] (3)利用光纖兩相流系統(tǒng)采集分散相液滴信號，輸出原始電壓數(shù)據(jù)。光纖耦合器將 光源產(chǎn)生的光等分為4束光，這四束光分別作為四個光纖探針的光源，光在光纖端面發(fā)生菲 涅爾反射，同時反射光被光纖親合器分為兩組，一組進入光電裝換器中，將光信號轉(zhuǎn)化為電 壓信號，電壓信號再經(jīng)過多級放大器后進入采集系統(tǒng)，輸出原始電壓數(shù)據(jù)。
[0037] (4)利用信號處理程序處理得到的原始電壓數(shù)據(jù)。結(jié)合圖2,信號處理程序具體包 括：
[0038]①首先導(dǎo)入原始電壓數(shù)據(jù)，并設(shè)定相應(yīng)的閾值，判斷電壓值是否超過閾值，超過閾 值則說明探針尖端處于分散相液滴中，低于閾值，則說明探針尖端處于連續(xù)小中，統(tǒng)計探針 尖端處于分散相液滴中的時間。
[0039] ②每組原始電壓數(shù)據(jù)輸入結(jié)束后，光纖尖端處于分散相中的時間與總測量時間之 間的比值即局部存留分?jǐn)?shù)。
[0040] ③將閾值處理后的數(shù)據(jù)再次輸入，去除無關(guān)的電壓信號組。在一定的響應(yīng)時間內(nèi)， 判斷四組電壓數(shù)據(jù)有沒有出現(xiàn)響應(yīng)的電壓峰。若沒有出現(xiàn)相應(yīng)的響應(yīng)峰，則說明四個光纖 探針沒有完全刺破該液滴，該信號組為無效信號組，需要剔除。
[0041] ④若在一定的響應(yīng)時間內(nèi)出現(xiàn)了四個相應(yīng)的電壓峰。則說明四個光纖探針均刺破 了該液滴。再通過脈寬比較法去除部分刺偏的電壓信號。若電壓信號滿足脈寬比較法的關(guān) 系式，則說明四個光纖較好的刺破了該液滴，該信號組為有效信號組，若不滿足脈寬比較法 關(guān)系式，則說明存在部分光纖探針僅刺破了液滴的邊緣。
[0042] ⑤從有效信號組中提取并保存相關(guān)時間間隔。待整組數(shù)據(jù)輸入結(jié)束之后，將得到 的時間間隔輸入到測量算法公式中。
[0043]⑥應(yīng)用測量算法公式，計算液滴的三維速度和液滴直徑。
[0044] ⑦輸出有效液滴的三維速度、液滴直徑和局部存留分?jǐn)?shù)等信息。
[0045] 光纖探針十分靈敏，一旦光纖探針的尖端所處環(huán)境改變，則相應(yīng)的電壓值會有明 顯的變化。由此來判斷探針尖端是處于哪一相液體里面。當(dāng)一系列液滴穿過光纖探針的時 候，在電壓圖中將會出現(xiàn)一系列的波形圖。理想的電壓信號波形圖為標(biāo)準(zhǔn)的矩形波形圖，但 由于液滴的表面張力，系統(tǒng)內(nèi)部誤差和外部環(huán)境等原因，得到的電壓信號不是標(biāo)準(zhǔn)的矩形 波形圖，而是圖4所示。
[0046] 圖4中的Af為脈沖強度，u。為連續(xù)相表觀流速，Ud為分散相表觀流速。為了方便后續(xù) 信號處理，通過設(shè)定閾值的方法，可以將原始波形圖轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的矩形波形圖。即對每一個 光纖探頭得到電壓信號設(shè)定一個閾值，電壓信號超過閾值，則將該電壓值設(shè)定為1;電壓信 號低于閾值，則設(shè)定為〇。將圖4的電壓信號通過閾值處理，即可得到圖5中的標(biāo)準(zhǔn)矩形波狀 圖：統(tǒng)計相關(guān)時間量即可得到局部存留分?jǐn)?shù)。
[0047] 閾值處理后的電壓信號需要進一步進行篩選，去除無關(guān)的電壓信號組。得到的信 號組可分為3類，第一類信號是不完全信號，指四光纖探針的四個探針沒有刺入同一個液滴 中，即在一段響應(yīng)時間內(nèi)，沒有出現(xiàn)四個電壓峰;第二類信號指完全信號中的刺偏信號，BP 四個探針中有一個或幾個光纖探針值刺到了液滴的邊緣，在電壓波形圖中的表現(xiàn)是在一段 響應(yīng)時間內(nèi)，雖然有四個電壓峰，但是某個或某幾個的電壓峰寬度很窄;第三類信號組是有 效信號，即有四個電壓峰，同時四個電壓峰的寬度相差不大。其中，第一類信號可以通過在 一定的響應(yīng)時間內(nèi)，判斷有沒有電壓峰出現(xiàn)來進行篩選，若沒有及時出現(xiàn)響應(yīng)峰，則剔除掉 該信號組，再通過脈寬比較法去除掉第二類無效信號。通過以上信號處理，即可篩選出有效 的信號組，并提取出相應(yīng)的時間差。
[0048] 液滴速度和尺寸算法：將提取出來的時間差和四光纖探針的參數(shù)代入以下公式 中，即可得到分散相液滴速度和尺寸信息。V為液滴的速度，r為液滴的半徑，d 32為液滴平均 索特直徑。α、β和γ分別為液滴速度方向與X軸、y軸和z軸正方向的夾角。坐標(biāo)系由四光纖的 空間位置決定。
[0054] 各個行列式中的△ ^3是4號探針第一次接觸液滴和k號探針第一次接觸液滴的時 間差；Atkb是4號探針第一次接觸液滴和k號探針第二次接觸液滴的時間差；At k。是4號探 針第二次接觸液滴和k號探針第二次接觸液滴的時間差(k= 1、2、3)。長光纖的端面到三根 短光纖端面的向量分別表示為:S4-k=(xk，yk，zk)，k=l，2,3。
[0055] (5)整理輸出的數(shù)據(jù)，即可得到脈沖篩板萃取水力學(xué)性能。
【主權(quán)項】
1. 一種基于光纖四探針的脈沖篩板萃取柱水力學(xué)性能測量方法，其特征是：將四光纖 探針放置在脈沖萃取柱中，調(diào)節(jié)脈沖萃取柱進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，利用光纖兩相流系統(tǒng)采集 分散相液滴信號、輸出原始電壓數(shù)據(jù)，對原始電壓數(shù)據(jù)處理，整理輸出的數(shù)據(jù)得到脈沖篩板 萃取水力學(xué)性能，所述對原始電壓數(shù)據(jù)處理具體包括： ① 導(dǎo)入原始電壓數(shù)據(jù)并設(shè)定閾值進行閾值處理，判斷電壓值是否超過閾值，超過閾值 則為四光纖探針尖端處于分散相液滴中，低于閾值則為四光纖探針尖端處于連續(xù)相中，統(tǒng) 計四光纖探針尖端處于分散相液滴中的時間； ② 每組原始電壓數(shù)據(jù)輸入結(jié)束后，由四光纖尖端處于分散相中的時間與總測量時間的 比值得到局部存留分?jǐn)?shù)； ③ 將閾值處理后的數(shù)據(jù)再次輸入，去除無關(guān)的電壓信號組，在響應(yīng)時間內(nèi)，判斷四組電 壓數(shù)據(jù)有沒有出現(xiàn)響應(yīng)的電壓峰，若沒有出現(xiàn)響應(yīng)的電壓峰，則為四光纖探針沒有完全刺 破液滴、電壓信號組為無效信號組將其剔除； ④ 若在一定的響應(yīng)時間內(nèi)出現(xiàn)了四個相應(yīng)的電壓峰，則為四光纖探針均刺破液滴，再 通過脈寬比較法去除部分刺偏的電壓信號，若電壓信號滿足脈寬比較法的關(guān)系式，則為四 個光纖探針較好的刺破了該液滴，該信號組為有效信號組;若不滿足脈寬比較法關(guān)系式，則 為存在部分光纖探針僅刺破了液滴的邊緣； ⑤ 從有效信號組中提取并保存相關(guān)時間間隔，待整組數(shù)據(jù)輸入結(jié)束之后，將得到的時 間間隔輸入到測量算法公式中； ⑥ 應(yīng)用測量算法公式，計算液滴的三維速度和液滴直徑； ⑦ 輸出有效液滴的三維速度、液滴直徑和局部存留分?jǐn)?shù)信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖四探針的脈沖篩板萃取柱水力學(xué)性能測量方法，其 特征是所述測量算法公式為：V為液滴的速度，r為液滴的半徑，d32為液滴平均索特直徑，α、β和γ分別為液滴速度方 向與X軸、y軸和ζ軸正方向的夾角，各個行列式中的A ^3是4號探針第一次接觸液滴和k號探針第一次接觸液滴的時間差； △ tkb是4號探針第一次接觸液滴和k號探針第二次接觸液滴的時間差；△ tk。是4號探針第二 次接觸液滴和k號探針第二次接觸液滴的時間差，k=l、2、3,長光纖的端面到三根短光纖端 面的向量分別表示為:S4-k=(xk，yk，zk)，k=l，2,3。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光纖四探針的脈沖篩板萃取柱水力學(xué)性能測量方法， 其特征是所述四光纖探針的空間結(jié)構(gòu)是三角錐，在一個大導(dǎo)管內(nèi)置7個小導(dǎo)管，其中一個小 導(dǎo)管位于大導(dǎo)管的中心，6個小導(dǎo)管圍繞在中心小導(dǎo)管的周圍，中心小導(dǎo)管中插入長光纖， 在6個小導(dǎo)管中間隔插入短光纖，三根短光纖的長度一致，長光纖和三根短光纖均剝除一定 長度的光纖包殼，且四根光纖端面切割成平整端面，長光纖的端面到三根短光纖端面的向 量分別表示為:S4-k=(xk，yk，zk)，k=l，2,3。
【文檔編號】G01N21/41GK105891153SQ201610388170
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】高楊, 袁譽坤
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)