一種基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,包括真空箱以及設置在真空箱內的測試管,測試管具有兩個內光窗玻璃,真空箱具有兩個外光窗玻璃,還包括光學測量系統,光學測量系統包括:激光發射器、擴束鏡、準直透鏡、分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、幕布、以及攝像機。本發明通過激光干涉法獲得低溫流體面濃度分布,能準確地實時可視化監測低溫流體的行為特性;通過設置四個光窗玻璃使得光線能夠穿過低溫流體,通過設置第二反射鏡,能使光線在低溫流體中傳播兩次,能夠加強干涉效果;本裝置的光學測量系統設置在真空箱外側,真空箱的體積較小,且試驗時能夠隨時對光學測量系統各部件進行調整,實驗更方便。
【專利說明】一種基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及低溫流體流動實驗裝置,具體涉及一種基于激光干涉法的低溫流體可 視化監測裝置。
【背景技術】
[0002] 低溫液體(比如液氧、液氮等)是非常重要的商品,被廣泛應用于鋼鐵工業、化學 工業、食品工業以及航天軍工等領域。目前對低溫流體的研究,由于涉及到密封、絕熱等關 鍵問題,尚缺乏實時監測流體行為的有效方法。
[0003] 非接觸式的低溫流體可視化監測裝置對于研究低溫流體流動狀態、干擾影響以及 傳熱傳質過程有著重要意義。借助該實驗裝置,可以利用激光干涉法獲得流體面濃度分布 而對流體本身沒有任何影響,從而準確地實時可視化監測其行為特性。對于低溫流體實驗 裝置,其絕熱性能極其重要,而真空是唯一滿足絕熱要求的方法。該裝置不僅要選擇合適的 耐低溫透明材料與裝置主體良好密封,還得達到定量監測流體行為的目的,這些都給設計 帶來挑戰。尤其是透明有機玻璃與流道主體金屬材料熱膨脹系數相差較大,在同時接觸低 溫流體時,收縮不同可能使密封性能變差;而當有機玻璃內表面與流道不能持平時,可能造 成湍流混淆測量結果。目前對于低溫流體的濃度測量,多采用取樣法,不僅會對流體本身 產生一定的干擾,而且無法獲取大范圍的面信息。因此,需要一種適用于低溫環境、能夠保 證絕熱性能且對流體本身沒有影響的可視化監測裝置。
[0004] 現有的技術中,已有針對低溫流體的可視化實驗裝置。申請公布號為 CN102333186A的專利文獻公開了一種耐高低溫的攝像監視裝置,包括:外筒、波紋管內筒、 外視鏡法蘭、內視鏡法蘭、固定端蓋焊接法蘭、第一真空雙層玻璃視鏡、電加熱絲、LED照明 燈、攝像頭、進氣管、回氣管、真空管、環形散流圈、氣密性航空接插件、第一 KF接頭、第二KF 接頭、第三KF接頭、絕熱支撐,第一無氧銅密封圈、第二無氧銅密封圈、第三無氧銅密封圈、 螺栓和第二真空雙層玻璃視鏡,外筒與內筒之間采用真空多層絕熱的保溫措施,當外部環 境工況為高溫工況時采用氮氣冷卻,當外部環境工況為低溫工況時采用主動加熱補償,實 現在高低溫環境下攝像監視及照明設備正常工作。但是該裝置僅適合于觀察靜態的低溫介 質,并不能滿足觀察低溫流體流態變化的要求。
[0005] 申請公布號為CN103728193A的專利文獻公開了一種可視化小型流體汽蝕測試裝 置,包括可視化測試單元以及向該可視化測試單元提供測試介質的供液單元;所述可視化 測試單元包括:真空箱;位于真空箱內的汽蝕部件;位于真空箱內用于采集汽蝕部件實時 圖像的攝像機;位于真空箱內用于采集測試介質流量的流量計。所述供液單元包括:測試 介質儲罐;壓力源;連通在測試介質儲罐和壓力源之間的導氣管;連通在測試介質儲罐和 汽蝕部件之間的輸液管。該專利文獻絕熱效果好,性能穩定,可供實驗人員在普通實驗室使 用。但是該專利文獻公開的裝置,攝像機設置在真空箱的內部,導致整個真空箱體積較大, 且在實驗時,攝像機在真空箱內,不能很好的對攝像機的位置姿勢等進行調節。
【發明內容】
[0006] 本發明針對上述問題,提出了一種基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置。 解決了現有技術不能滿足觀察低溫流體流態變化的問題,以及攝像機設置在真空箱內導致 真空箱體積較大,且試驗時不能對攝像機的位置、姿勢等進行調節的問題。
[0007] 本發明采取的技術方案如下:
[0008] -種基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,包括真空箱以及布置在真空箱 內用于通過低溫流體的測試管,所述測試管具有兩個用于觀察測試管內部低溫流體的內光 窗玻璃,兩個內光窗玻璃關于測試管軸線對稱布置,所述真空箱與兩個內光窗玻璃對應位 置處分別設有一觀察口,各觀察口上均安裝有外光窗玻璃,所述裝置還包括設置在真空箱 外側的光學測量系統,所述光學測量系統包括:
[0009] 激光發射器,用于發射激光;
[0010] 擴束鏡,用于將來自激光發射器的激光變為擴束光;
[0011] 準直透鏡,用于將擴束鏡出來的擴束光變為平行光;
[0012] 分光鏡,用于將所述平行光分為第一光線和第二光線;
[0013] 第一反射鏡;用于接收第一光線,形成第一反射光線;
[0014] 第二反射鏡;與分光鏡分處在真空箱兩側,用于接收貫穿各內、外光窗玻璃后的 第二光線,形成第二反射光線,該第二反射光線與所述第一反射光線在分光鏡處形成干涉 光;
[0015] 幕布,用于接收所述干涉光;
[0016] 攝像機,用于拍攝所述干涉光在幕布上的成像。
[0017] 本發明所述的低溫流體沒有具體溫度限制,既可以理解為普通低溫流體,也可以 理解為深低溫流體,即溫度非常低的液體,如液氮、液氧、液氦等。
[0018] 本裝置通過激光干涉法獲得低溫流體面濃度分布,對低溫流體本身沒有任何影 響,沒有產生擾動,從而準確地實時可視化監測低溫流體的行為特性;通過設置四個光窗玻 璃使得光線能夠穿過低溫流體,且通過設置第二反射鏡,能使光線在低溫流體中傳播兩次, 能夠加強干涉效果;本裝置的光學測量系統設置在真空箱外側,真空箱的體積較小,且試驗 時能夠隨時對光學測量系統各部件進行調整,實驗更方便。
[0019] 作為優選,所述激光發射器為氦氖激光器。
[0020] 作為優選,所述攝像機為(XD高速攝像儀。
[0021] 所述真空箱包括真空罩以及與真空罩固定的密封盤,所述測試管包括相互連通的 集液段和測試段,且集液段一端穿出所述密封盤,所述內光窗玻璃設置在測試段上,所述測 試段上遠離集液整流段的一端具有分別穿出所述密封盤的回液管和出氣管。
[0022] 低溫流體通過集液段流入測試段,在測試段氣化后的氣體通過出氣管排至真空箱 外側,低溫流體通過回液管流出至真空箱外,本裝置能夠觀察低溫流體流態變化。
[0023] 作為優選,所述集液段包括:
[0024] 進液管,固定在密封盤上,一端為進液口,另一端伸入真空罩;
[0025] 流量計,設置在真空罩內,與所述進液管連接;
[0026] 擴流管,一端與流量計連通,另一端與測試段連通。
[0027] 作為優選,所述擴流管內填有導流絲網。
[0028] 通過流量計測量低溫流體的流量,通過導流絲網對流入測試段的低溫流體進行導 流和整流。
[0029] 作為優選,所述測試段包括通過法蘭與擴流管連接的管體,所述內光窗玻璃設置 在管體上,所述管體上設有溫度傳感器。
[0030] 通過溫度傳感器能夠測得管體內低溫流體的實時溫度。
[0031] 作為優選,所述出氣管與管體連通,管體遠離擴流管的一端具有整流管,整流管與 所述回液管連通。
[0032] 作為優選,所述整流管固定有環氧導向套,所述真空罩的內壁具有與所述環氧導 向套配合的導向孔。
[0033] 環氧導向套的導熱系數低,通過環氧導向套和導向孔的配合能夠對測試管進行支 撐,保證真空罩內各部件的穩定性。
[0034] 為了防止內光窗玻璃對管體內低溫流體造成湍流,混淆測量結果,作為優選,所述 內光窗玻璃靠近低溫流體的一側與所述管體的內表面平齊。
[0035] 本發明的有益效果是:本裝置通過激光干涉法獲得低溫流體面濃度分布,對低溫 流體本身沒有任何影響,能實現定量測量,能觀察動態的低溫流體,并能精確獲得低溫流體 的面濃度分布,從而準確地實時可視化監測低溫流體的行為特性;通過設置四個光窗玻璃 使得光線能夠穿過低溫流體,通過設置第二反射鏡,能使光線在低溫流體中傳播兩次,能夠 加強干涉效果;本裝置的光學測量系統設置在真空箱外側,真空箱的體積較小,且試驗時能 夠隨時對光學測量系統各部件進行調整,實驗更方便;內光窗玻璃靠近低溫流體的一側與 所述管體的內表面平齊,能夠防止內光窗玻璃對管體內低溫流體造成湍流,混淆測量結果。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0036] 圖1是本發明基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置除去真空罩后的結構 示意圖;
[0037] 圖2是真空罩的主視圖;
[0038] 圖3是真空罩右視圖;
[0039] 圖4是真空罩的俯視圖;
[0040] 圖5是內光窗玻璃的主視圖;
[0041] 圖6是圖5的A-A剖面圖;
[0042] 圖7是光學測量系統結構示意圖。
[0043] 圖中各附圖標記為:
[0044] 1.密封盤,2.密封接頭,3.裝置扶手,4.進液管,5.出液口,6.出氣口,7.備用壓 力傳感器接管,8.安全閥,9.壓力表,11.出氣管,12.回液管,13.環氧導向套,14.整流管, 15.管體,16.溫度傳感器,17.內光窗玻璃,18.內光窗玻璃壓塊法蘭,19.擴流管,20.流量 計,21.真空罩,22.支架,23.外光窗玻璃,24.外光窗玻璃壓塊法蘭,25.凸柱,26. KF40管 接頭,27.觀察口,37.激光發射器,38.擴束鏡,39.準直透鏡,40.攝像機,41.幕布,42.第 二反射鏡,43.分光鏡,44.第一反射鏡。
【具體實施方式】:
[0045] 下面結合各附圖,對本發明基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置做詳細描 述。
[0046] 如圖1?6所示,一種基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,包括由密封盤 1和真空罩21構成的真空箱。
[0047] 如圖1所示,密封盤上還設有密封接頭2,裝置扶手3。如圖2、3、4真空罩21的側 壁還設有支架22和KF40管接頭26。
[0048] 真空罩21內具有一測試管,該測試管包括集液段和測試段,測試段的末端還具有 分別穿出密封盤的回液管12和出氣管11,其中,回液管12穿出密封盤的一端具有出液口 5,出氣管11穿出密封盤的一端具有出氣口 6,出氣口與密封盤之間管路中還設有備用壓力 傳感器接管7,安全閥8,以及壓力表9。
[0049] 集液段包括:
[0050] 進液管4,固定在密封盤上,一端為進液口,另一端伸入真空罩;
[0051] 流量計20,設置在真空罩內,與進液管4連接;
[0052] 擴流管19, 一端與流量計連通,另一端與測試段連通,擴流管內填有導流絲網。
[0053] 測試段包括通過法蘭與擴流管連接的管體15。
[0054] 管體15設有溫度傳感器16以及兩個用于觀察測試管內部低溫流體的內光窗玻璃 17,兩個內光窗玻璃關于管體的軸線對稱布置,內光窗玻璃17通過內光窗玻璃壓塊法蘭18 固定在管體上,且內光窗玻璃靠近低溫流體的一側與管體的內表面平齊。
[0055] 出氣管11與管體的上壁面連通,管體遠離擴流管的一端具有整流管14,整流管與 回液管12連通。整流管14固定有環氧導向套13,相應的真空罩的內壁具有一凸柱25,凸 柱25上設有與環氧導向套配合的導向孔。
[0056] 真空罩與兩個內光窗玻璃對應位置處分別設有一觀察口 27,各觀察口上均通過外 光窗玻璃壓塊法蘭24固定有外光窗玻璃23。
[0057] 通過四個光窗玻璃的設計使得光線能夠穿過低溫流體。
[0058] 如圖7所示,本發明的裝置還包括設置在真空箱外側的光學測量系統,光學測量 系統包括:
[0059] 激光發射器37,用于發射激光,本實施例為氦氖激光器;
[0060] 擴束鏡38,用于將來自激光發射器的激光變為擴束光;
[0061] 準直透鏡39,用于將擴束鏡出來的擴束光變為平行光,平行光垂直與各光窗玻 璃;
[0062] 分光鏡43,用于將平行光分為第一光線和第二光線,分光鏡正對其中一個外光窗 玻璃,且分光鏡與平行光成45°布置,第一光線垂直于平行光,第二光線與平行光平行且射 向各光窗玻璃;
[0063] 第一反射鏡44 ;用于接收第一光線,形成第一反射光線,第一光線與第一反射光 線平行;
[0064] 第二反射鏡42 ;與分光鏡分處在真空箱兩側,用于接收貫穿各內、外光窗玻璃后 的第二光線,形成第二反射光線,第二光線與第二反射光線平行,該第二反射光線與第一反 射光線在分光鏡處形成干涉光;
[0065] 幕布41,用于接收干涉光;
[0066] 攝像機40,用于拍攝干涉光在.布上的成像,本實施例為攝像機為CCD 1?速攝像 儀。
[0067] 本發明通過激光干涉法獲得低溫流體面濃度分布,對低溫流體本身沒有任何影 響,能實現定量測量,能觀察動態的低溫流體,并能精確獲得低溫流體的面濃度分布,從而 準確地實時可視化監測低溫流體的行為特性;通過設置四個光窗玻璃使得光線能夠穿過低 溫流體,通過設置第二反射鏡,能使光線在低溫流體中傳播兩次,能夠加強干涉效果;本裝 置的光學測量系統設置在真空箱外側,真空箱的體積較小,且試驗時能夠隨時對光學測量 系統各部件進行調整,實驗更方便;內光窗玻璃靠近低溫流體的一側與所述管體的內表面 平齊,能夠防止內光窗玻璃對管體內低溫流體造成湍流,混淆測量結果。
[〇〇68] 以上所述僅為本發明的優選實施例,并非因此即限制本發明的專利保護范圍,凡 是運用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換,直接或間接運用在其他相關的技術 領域,均同理包括在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,包括真空箱以及布置在真空箱內 用于通過低溫流體的測試管,其特征在于,所述測試管具有兩個用于觀察測試管內部低溫 流體的內光窗玻璃,兩個內光窗玻璃關于測試管軸線對稱布置,所述真空箱與兩個內光窗 玻璃對應位置處分別設有一觀察口,各觀察口上均安裝有外光窗玻璃,所述裝置還包括設 置在真空箱外側的光學測量系統,所述光學測量系統包括: 激光發射器,用于發射激光; 擴束鏡,用于將來自激光發射器的激光變為擴束光; 準直透鏡,用于將擴束鏡出來的擴束光變為平行光; 分光鏡,用于將所述平行光分為第一光線和第二光線; 第一反射鏡;用于接收第一光線,形成第一反射光線; 第二反射鏡;與分光鏡分處在真空箱兩側,用于接收貫穿各內、外光窗玻璃后的第二光 線,形成第二反射光線,該第二反射光線與所述第一反射光線在分光鏡處形成干涉光; 幕布,用于接收所述干涉光; 攝像機,用于拍攝所述干涉光在幕布上的成像。
2. 如權利要求1所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,其特征在于,所 述激光發射器為氦氖激光器。
3. 如權利要求1所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,其特征在于,所 述攝像機為CCD高速攝像儀。
4. 如權利要求1所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,其特征在于,所 述真空箱包括真空罩以及與真空罩固定的密封盤,所述測試管包括相互連通的集液段和測 試段,且集液段一端穿出所述密封盤,所述內光窗玻璃設置在測試段上,所述測試段上遠離 集液整流段的一端具有分別穿出所述密封盤的回液管和出氣管。
5. 如權利要求4所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,其特征在于,所 述集液段包括: 進液管,固定在密封盤上,一端為進液口,另一端伸入真空罩; 流量計,設置在真空罩內,與所述進液管連接; 擴流管,一端與流量計連通,另一端與測試段連通。
6. 如權利要求5所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,其特征在于,所 述擴流管內填有導流絲網。
7. 如權利要求5所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,其特征在于,所 述測試段包括通過法蘭與擴流管連接的管體,所述內光窗玻璃設置在管體上,所述管體上 設有溫度傳 感器。
8. 如權利要求7所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,其特征在于,所 述出氣管與管體連通,管體遠離擴流管的一端具有整流管,整流管與所述回液管連通。
9. 如權利要求8所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,其特征在于,所 述整流管固定有環氧導向套,所述真空罩的內壁具有與所述環氧導向套配合的導向孔。
10. 如權利要求7所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監測裝置,其特征在于,所 述內光窗玻璃靠近低溫流體的一側與所述管體的內表面平齊。
【文檔編號】G01N21/45GK104089928SQ201410323660
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月8日 優先權日:2014年7月8日
【發明者】張金輝, 包士然, 邱利民, 張小斌 申請人:浙江大學