[发明专利]基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于两相流/多相流检测技术领域，尤其涉及一种基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法。

背景技术

太赫兹(1THz＝10¹²Hz)辐射通常是指频率范围在0.1THz到10THz的电磁波辐射，这一波段的电磁波正好处于微波与红外光之间。太赫兹波具有以下特点：(1)太赫兹辐射的光子能量很低，频率在1THz左右的光子能量大约为4meV，它是X射线的1/106，对人体没有任何辐射危害，因此是一种非常安全的射线。(2)THz波对于大多数的非极性物质具有很强的穿透能力，能够穿过包装材料对内部的物质进行检测。(3)利用太赫兹时域谱可以获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，而且通过取样测量技术，能够有效地除去背景辐射噪声的干扰，信噪比可以达到10¹⁰。

气固两相流广泛地存在于工业生产，环境保护，能源利用等诸多领域，但是由于气固两相流的流动非常复杂，气固两相流参数的准确检测仍然存在困难。其中，气固两相流颗粒浓度的检测是气固两相流参数检测中的一个重要问题，它是获得气固两相流的各相流体的体积流量和质量流量的关键，因此快速准确地获得气固两相流颗粒浓度的信息对于气固两相流流动过程的监测和控制具有重要的意义和作用。目前工业上使用较为普遍的检测气固两相流颗粒浓度的非接触的测量方法主要是基于辐射强度衰减的测量方法。传统的基于X射线、γ射线、β射线等辐射源的气固两相流颗粒浓度的检测仪表的原理是通过测量射线经过流体的辐射强度衰减来获得气固两相流中颗粒的浓度，但是它往往存在安全性的问题，而且对操作的要求也较高，并且需要定期标定射线源。基于激光的光学检测方法一般只适用于低浓度的气固两相流颗粒浓度的检测，而不适用于高浓度的颗粒浓度的检测。基于微波辐射源的检测装置存在安装和校准较为困难等缺点，且测量结果容易受流体中其他化学成份(如水，氨气等)的影响。因此，探索新的检测方法对气固两相流进行检测是工业中迫切需要解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度的检测装置及方法。

基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度检测装置具有测量管，测量管设置在待测管道两侧，在待测管道两侧的测量管上对称设有第一石英玻璃保护镜片、第二石英玻璃保护镜片、第一吹气法兰、第二吹气法兰、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜，在测量管的发射端设有光电导天线型太赫兹发射器，光电导天线型太赫兹发射器一端与高频功率放大器、锁相放大器、电脑相连接，光电导天线型太赫兹发射器另一端与光纤分束器的輸出光纤相连接，光纤分束器与飞秒激光器相连接，在测量管的接收端设有太赫兹探测器，太赫兹探测器一端与锁相放大器、电脑相连接，太赫兹探测器另一端与第二光纤耦合器的输出光纤相连接，第一光纤耦合器通过光纤与光纤分束器相连接，第一光纤耦合器的出射光线被第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后耦合进入第二光纤耦合器。

所述太赫兹探测器包括高阻硅超半球透镜与GaAs半导体基底连接，金属偶极天线在GaAs半导体基底上，金属偶极天线由电极导线与锁相放大器相连，光纤聚焦镜将光纤中的飞秒激光光束聚焦到金属偶极天线的中心位置。光纤聚焦透镜包括透镜、聚焦调整环、光纤适配器。

基于太赫兹发射与探测装置的气固两相流颗粒浓度检测方法包括如下步骤：

1)当测量得到的太赫兹时域信号相对原始信号衰减较弱时，利用基于辐射强度衰减的模型计算气固两相流颗粒浓度，首先对测量得到的太赫兹时域波形进行快速傅里叶变换分解，然后选取波长λ₁和λ₂的强度分量I₁和I₂，然后利用强度分量I₁和I₂的值计算出气固两相流颗粒的浓度为：