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一種基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，包括真空箱以及設(shè)置在真空箱內(nèi)的測試管，測試管具有兩個內(nèi)光窗玻璃，真空箱具有兩個外光窗玻璃，還包括光學(xué)測量系統(tǒng)，光學(xué)測量系統(tǒng)包括：激光發(fā)射器、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)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(fā)明通過激光干涉法獲得低溫流體面濃度分布，能準(zhǔn)確地實時可視化監(jiān)測低溫流體的行為特性；通過設(shè)置四個光窗玻璃使得光線能夠穿過低溫流體，通過設(shè)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(xué)測量系統(tǒng)設(shè)置在真空箱外側(cè)，真空箱的體積較小，且試驗時能夠隨時對光學(xué)測量系統(tǒng)各部件進(jìn)行調(diào)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(jiān)測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)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(jiān)測裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 低溫液體（比如液氧、液氮等）是非常重要的商品，被廣泛應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)、化學(xué) 工業(yè)、食品工業(yè)以及航天軍工等領(lǐng)域。目前對低溫流體的研究，由于涉及到密封、絕熱等關(guān) 鍵問題，尚缺乏實時監(jiān)測流體行為的有效方法。
[0003] 非接觸式的低溫流體可視化監(jiān)測裝置對于研究低溫流體流動狀態(tài)、干擾影響以及 傳熱傳質(zhì)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(zhǔn)確地實時可視化監(jiān)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(dá)到定量監(jiān)測流體行為的目的，這些都給設(shè)計 帶來挑戰(zhàn)。尤其是透明有機玻璃與流道主體金屬材料熱膨脹系數(shù)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(dāng)有機玻璃內(nèi)表面與流道不能持平時，可能造 成湍流混淆測量結(jié)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(chǎn)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(huán)境、能夠保 證絕熱性能且對流體本身沒有影響的可視化監(jiān)測裝置。
[0004] 現(xiàn)有的技術(shù)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(xiàn)公開了一種耐高低溫的攝像監(jiān)視裝置，包括：外筒、波紋管內(nèi)筒、 外視鏡法蘭、內(nèi)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(jìn)氣管、回氣管、真空管、環(huán)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(nèi)筒之間采用真空多層絕熱的保溫措施，當(dāng)外部環(huán) 境工況為高溫工況時采用氮氣冷卻，當(dāng)外部環(huán)境工況為低溫工況時采用主動加熱補償，實 現(xiàn)在高低溫環(huán)境下攝像監(jiān)視及照明設(shè)備正常工作。但是該裝置僅適合于觀察靜態(tài)的低溫介 質(zhì)，并不能滿足觀察低溫流體流態(tài)變化的要求。
[0005] 申請公布號為CN103728193A的專利文獻(xiàn)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(zhì)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(nèi)的汽蝕部件；位于真空箱內(nèi)用于采集汽蝕部件實時 圖像的攝像機；位于真空箱內(nèi)用于采集測試介質(zhì)流量的流量計。所述供液單元包括：測試 介質(zhì)儲罐；壓力源；連通在測試介質(zhì)儲罐和壓力源之間的導(dǎo)氣管；連通在測試介質(zhì)儲罐和 汽蝕部件之間的輸液管。該專利文獻(xiàn)絕熱效果好，性能穩(wěn)定，可供實驗人員在普通實驗室使 用。但是該專利文獻(xiàn)公開的裝置，攝像機設(shè)置在真空箱的內(nèi)部，導(dǎo)致整個真空箱體積較大， 且在實驗時，攝像機在真空箱內(nèi)，不能很好的對攝像機的位置姿勢等進(jìn)行調(diào)節(jié)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)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(jiān)測裝置。 解決了現(xiàn)有技術(shù)不能滿足觀察低溫流體流態(tài)變化的問題，以及攝像機設(shè)置在真空箱內(nèi)導(dǎo)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(jìn)行調(diào)節(jié)的問題。
[0007] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：
[0008] -種基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，包括真空箱以及布置在真空箱 內(nèi)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(nèi)部低溫流體的內(nèi)光 窗玻璃，兩個內(nèi)光窗玻璃關(guān)于測試管軸線對稱布置，所述真空箱與兩個內(nèi)光窗玻璃對應(yīng)位 置處分別設(shè)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(shè)置在真空箱 外側(cè)的光學(xué)測量系統(tǒng)，所述光學(xué)測量系統(tǒng)包括：
[0009] 激光發(fā)射器，用于發(fā)射激光；
[0010] 擴(kuò)束鏡，用于將來自激光發(fā)射器的激光變?yōu)閿U(kuò)束光；
[0011] 準(zhǔn)直透鏡，用于將擴(kuò)束鏡出來的擴(kuò)束光變?yōu)槠叫泄猓?br> [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(cè)，用于接收貫穿各內(nèi)、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(fā)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(chǎn)生擾動，從而準(zhǔn)確地實時可視化監(jiān)測低溫流體的行為特性；通過設(shè)置四個光窗玻 璃使得光線能夠穿過低溫流體，且通過設(shè)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(xué)測量系統(tǒng)設(shè)置在真空箱外側(cè)，真空箱的體積較小，且試驗 時能夠隨時對光學(xué)測量系統(tǒng)各部件進(jìn)行調(diào)整，實驗更方便。
[0019] 作為優(yōu)選，所述激光發(fā)射器為氦氖激光器。
[0020] 作為優(yōu)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(nèi)光窗玻璃設(shè)置在測試段上，所述測 試段上遠(yuǎn)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(cè)，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(tài)變化。
[0023] 作為優(yōu)選，所述集液段包括：
[0024] 進(jìn)液管，固定在密封盤上，一端為進(jìn)液口，另一端伸入真空罩；
[0025] 流量計，設(shè)置在真空罩內(nèi)，與所述進(jìn)液管連接；
[0026] 擴(kuò)流管，一端與流量計連通，另一端與測試段連通。
[0027] 作為優(yōu)選，所述擴(kuò)流管內(nèi)填有導(dǎo)流絲網(wǎng)。
[0028] 通過流量計測量低溫流體的流量，通過導(dǎo)流絲網(wǎng)對流入測試段的低溫流體進(jìn)行導(dǎo) 流和整流。
[0029] 作為優(yōu)選，所述測試段包括通過法蘭與擴(kuò)流管連接的管體，所述內(nèi)光窗玻璃設(shè)置 在管體上，所述管體上設(shè)有溫度傳感器。
[0030] 通過溫度傳感器能夠測得管體內(nèi)低溫流體的實時溫度。
[0031] 作為優(yōu)選，所述出氣管與管體連通，管體遠(yuǎn)離擴(kuò)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(yōu)選，所述整流管固定有環(huán)氧導(dǎo)向套，所述真空罩的內(nèi)壁具有與所述環(huán)氧導(dǎo) 向套配合的導(dǎo)向孔。
[0033] 環(huán)氧導(dǎo)向套的導(dǎo)熱系數(shù)低，通過環(huán)氧導(dǎo)向套和導(dǎo)向孔的配合能夠?qū)y試管進(jìn)行支 撐，保證真空罩內(nèi)各部件的穩(wěn)定性。
[0034] 為了防止內(nèi)光窗玻璃對管體內(nèi)低溫流體造成湍流，混淆測量結(jié)果，作為優(yōu)選，所述 內(nèi)光窗玻璃靠近低溫流體的一側(cè)與所述管體的內(nèi)表面平齊。
[0035] 本發(fā)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(xiàn)定量測量，能觀察動態(tài)的低溫流體，并能精確獲得低溫流體 的面濃度分布，從而準(zhǔn)確地實時可視化監(jiān)測低溫流體的行為特性；通過設(shè)置四個光窗玻璃 使得光線能夠穿過低溫流體，通過設(shè)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(xué)測量系統(tǒng)設(shè)置在真空箱外側(cè)，真空箱的體積較小，且試驗時能 夠隨時對光學(xué)測量系統(tǒng)各部件進(jìn)行調(diào)整，實驗更方便；內(nèi)光窗玻璃靠近低溫流體的一側(cè)與 所述管體的內(nèi)表面平齊，能夠防止內(nèi)光窗玻璃對管體內(nèi)低溫流體造成湍流，混淆測量結(jié)果。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0036] 圖1是本發(fā)明基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置除去真空罩后的結(jié)構(gòu) 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(nèi)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(xué)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043] 圖中各附圖標(biāo)記為：
[0044] 1.密封盤，2.密封接頭，3.裝置扶手，4.進(jìn)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(huán)氧導(dǎo)向套，14.整流管， 15.管體，16.溫度傳感器，17.內(nèi)光窗玻璃，18.內(nèi)光窗玻璃壓塊法蘭，19.擴(kuò)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(fā)射器，38.擴(kuò)束鏡，39.準(zhǔn)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(jié)合各附圖，對本發(fā)明基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置做詳細(xì)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(jiān)測裝置，包括由密封盤 1和真空罩21構(gòu)成的真空箱。
[0047] 如圖1所示，密封盤上還設(shè)有密封接頭2,裝置扶手3。如圖2、3、4真空罩21的側(cè) 壁還設(shè)有支架22和KF40管接頭26。
[0048] 真空罩21內(nèi)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(shè)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(jìn)液管4,固定在密封盤上，一端為進(jìn)液口，另一端伸入真空罩；
[0051] 流量計20,設(shè)置在真空罩內(nèi)，與進(jìn)液管4連接；
[0052] 擴(kuò)流管19, 一端與流量計連通，另一端與測試段連通，擴(kuò)流管內(nèi)填有導(dǎo)流絲網(wǎng)。
[0053] 測試段包括通過法蘭與擴(kuò)流管連接的管體15。
[0054] 管體15設(shè)有溫度傳感器16以及兩個用于觀察測試管內(nèi)部低溫流體的內(nèi)光窗玻璃 17,兩個內(nèi)光窗玻璃關(guān)于管體的軸線對稱布置，內(nèi)光窗玻璃17通過內(nèi)光窗玻璃壓塊法蘭18 固定在管體上，且內(nèi)光窗玻璃靠近低溫流體的一側(cè)與管體的內(nèi)表面平齊。
[0055] 出氣管11與管體的上壁面連通，管體遠(yuǎn)離擴(kuò)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(huán)氧導(dǎo)向套13,相應(yīng)的真空罩的內(nèi)壁具有一凸柱25,凸 柱25上設(shè)有與環(huán)氧導(dǎo)向套配合的導(dǎo)向孔。
[0056] 真空罩與兩個內(nèi)光窗玻璃對應(yīng)位置處分別設(shè)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(shè)計使得光線能夠穿過低溫流體。
[0058] 如圖7所示，本發(fā)明的裝置還包括設(shè)置在真空箱外側(cè)的光學(xué)測量系統(tǒng)，光學(xué)測量 系統(tǒng)包括：
[0059] 激光發(fā)射器37,用于發(fā)射激光，本實施例為氦氖激光器；
[0060] 擴(kuò)束鏡38,用于將來自激光發(fā)射器的激光變?yōu)閿U(kuò)束光；
[0061] 準(zhǔn)直透鏡39,用于將擴(kuò)束鏡出來的擴(kuò)束光變?yōu)槠叫泄?，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(cè)，用于接收貫穿各內(nèi)、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(fā)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(xiàn)定量測量，能觀察動態(tài)的低溫流體，并能精確獲得低溫流體的面濃度分布，從而 準(zhǔn)確地實時可視化監(jiān)測低溫流體的行為特性；通過設(shè)置四個光窗玻璃使得光線能夠穿過低 溫流體，通過設(shè)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(xué)測量系統(tǒng)設(shè)置在真空箱外側(cè)，真空箱的體積較小，且試驗時能夠隨時對光學(xué)測量 系統(tǒng)各部件進(jìn)行調(diào)整，實驗更方便；內(nèi)光窗玻璃靠近低溫流體的一側(cè)與所述管體的內(nèi)表面 平齊，能夠防止內(nèi)光窗玻璃對管體內(nèi)低溫流體造成湍流，混淆測量結(jié)果。
[〇〇68] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此即限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，凡 是運用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換，直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù) 領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，包括真空箱以及布置在真空箱內(nèi) 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(nèi)部低溫 流體的內(nèi)光窗玻璃，兩個內(nèi)光窗玻璃關(guān)于測試管軸線對稱布置，所述真空箱與兩個內(nèi)光窗 玻璃對應(yīng)位置處分別設(shè)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(shè) 置在真空箱外側(cè)的光學(xué)測量系統(tǒng)，所述光學(xué)測量系統(tǒng)包括： 激光發(fā)射器，用于發(fā)射激光； 擴(kuò)束鏡，用于將來自激光發(fā)射器的激光變?yōu)閿U(kuò)束光； 準(zhǔn)直透鏡，用于將擴(kuò)束鏡出來的擴(kuò)束光變?yōu)槠叫泄猓? 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(cè)，用于接收貫穿各內(nèi)、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(quán)利要求1所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，其特征在于，所 述激光發(fā)射器為氦氖激光器。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，其特征在于，所 述攝像機為CCD高速攝像儀。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)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(nèi)光窗玻璃設(shè)置在測試段上，所述測試段上遠(yuǎn)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(quán)利要求4所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，其特征在于，所 述集液段包括： 進(jìn)液管，固定在密封盤上，一端為進(jìn)液口，另一端伸入真空罩； 流量計，設(shè)置在真空罩內(nèi)，與所述進(jìn)液管連接； 擴(kuò)流管，一端與流量計連通，另一端與測試段連通。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，其特征在于，所 述擴(kuò)流管內(nèi)填有導(dǎo)流絲網(wǎng)。
7. 如權(quán)利要求5所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，其特征在于，所 述測試段包括通過法蘭與擴(kuò)流管連接的管體，所述內(nèi)光窗玻璃設(shè)置在管體上，所述管體上 設(shè)有溫度傳 感器。
8. 如權(quán)利要求7所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，其特征在于，所 述出氣管與管體連通，管體遠(yuǎn)離擴(kuò)流管的一端具有整流管，整流管與所述回液管連通。
9. 如權(quán)利要求8所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，其特征在于，所 述整流管固定有環(huán)氧導(dǎo)向套，所述真空罩的內(nèi)壁具有與所述環(huán)氧導(dǎo)向套配合的導(dǎo)向孔。
10. 如權(quán)利要求7所述的基于激光干涉法的低溫流體可視化監(jiān)測裝置，其特征在于，所 述內(nèi)光窗玻璃靠近低溫流體的一側(cè)與所述管體的內(nèi)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(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】張金輝, 包士然, 邱利民, 張小斌 申請人:浙江大學(xué)