光纤探针法如何测量颗粒速度及浓度

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颗粒广泛存在于能源化工领域，例如流化床、气力输送、浆态床、旋风分离器等都存在颗粒与气相或者液相组成的多相流系统。为了对设备的性能或工艺的运行参数进行评估和优化，通常需要对颗粒的速度和浓度进行测量。

目前能够对颗粒的浓度和速度进行原位测量的仪器并不多，近年来学者在研究颗粒的速度测量时，多采用激光多普勒测速技术、高速影像分析法、光纤颗粒速度探头测量法、碰撞动量法、等速采样法等，对于颗粒的浓度测量，多采用截面成像技术、光纤探头浓度测量法、电容探头测量技术、压差法等。

颗粒速度测量

在对颗粒速度进行测量时，普遍认为激光多普勒测速技术拥有较高精度，且为非接触式测量，对流场无干扰，不过激光束容易受到颗粒的阻挡，因此颗粒浓度较高的时候测量受到局限，且设备系统复杂，使用要求高，不适合在恶劣的环境下使用；

高速影像分析法对流场没有干扰，在获得颗粒速度的同时还可以获得颗粒运动的方向和加速度，不过该方法基于复杂的图像分析技术，数据处理复杂，且对流场内的照明要求高，需采用示踪粒子，对于尺寸小、运动速度高的颗粒往往不能准确测量；

碰撞动量法和等速采样法最大的优点在于测量设备非常简单，但都属于间接测量，必须同时测量其它参数，通过计算得出颗粒速度，且对流场有干扰，测量精度不高，操作复杂。

颗粒浓度测量

在对颗粒浓度进行测量时，截面成像技术对流场无干扰，对于管壁附近以及复杂的流动仍能获得可靠数据，但X射线和γ射线截面成像技术所需的测量时间长，时间分辨率低，价格昂贵，测量复杂且需要安全防护；

电容法灵敏度高，制造简单，能有效测量局部颗粒浓度的瞬时值，不过电容探头对湿度、温度、静电条件等非常敏感，测量结果容易受到环境因素影响；

压差法常用于循环流化床，可测得截面的平均颗粒浓度，方法简单有效，设备结构简单，操作方便，且不干涉流场，但压力传感器的标定曲线往往会对结果的准确性有较大影响。

作为唯一能够同时测量速度和浓度的方法，光纤探头法在实际应用中具有很大优势。光纤探头法采用激光反射的原理，根据对光反射信号的分析，同时获得颗粒的速度和浓度，能够对工艺过程进行原位测量；光纤探头对压力等不敏感，测量结果不会受到环境的影响；对探头稍加改进即可适应高温高压的测量环境；设备简单，操作方便，对流场干扰小。

光纤探针测量原理

Part 1

浓度测量

光纤探针测量颗粒的浓度主要依据颗粒对光的反射，当颗粒浓度越高时，对激光的反射越强，也就是说反射光的强度与颗粒的浓度正相关，因此，可以通过反射光的强度来表征颗粒的浓度。

在实际测量过程中，首先对设备进行标定，即建立反射光强度与颗粒浓度之间的关系，测量时即可根据光强确定颗粒的浓度。光强可以通过光电转换器转换成电信号，因此最终得到的标定曲线为电压信号与浓度之间的关系曲线，如下图所示。