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成果发布丨上海理工大学成果汇编第十七期【202217】

来源:大科城博士科技 2022-09-01


凝聚专家智慧

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推动社会发展


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期待在成果转化的道路上

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成果35:传感器响应时间测量仪器


◆技术领域:仪器仪表类


◆技术属性:新产品


◆成果概述:

自主研发1E级传感器响应时间测量技术专用仪器包括:热电阻响应时间测试装置、压力变送器斜坡响应时间测试装置和噪声法响应时间测试装置。热电阻响应时间测试装置可以给安装在管道中的热电阻温度传感器在不拆除的情况下测其响应时间,变送器斜坡响应时间测试装置可以给安装在管道中的压力变送器在不拆除的情况下测其响应时间,噪声法响应时间测试装置可以待测压力变送器正常工作的情况下测其响应时间,同时,该装置还可以用于对于液位测量磁浮子信号进行分析。装置已应用于国内三门、海阳核电企业,反馈良好。


◆相关技术指标:

斜坡变送器斜坡响应时间测试装置工作压力与温度:-0.1MPa~20MPa、常温,产品尺寸:高:578mm宽:539mm深:285mm,净重:29kg。

热电阻响应时间测试装置尺寸:长:388mm 宽:359mm 高:262mm。

响应时间偏差<10%.(按国标规定和浸入式方法对比)


◆技术创新点:

1E级传感器响应时间测量技术专用仪器属于国内首创,可代替国外同类型测试装置。


◆知识产权情况:

自行研制,发表相关论文。


◆技术的成熟度:

装置经国家能源核电站仪表研发(实验)中心、上海市计量测试技术研究院测试和三门核电现场验证,设备性能满足技术指标要求,研发成果符合课题任务书验收准则。


◆与同类技术优势比较:

技术装置属于国内首创,测试结果对比美国AMS公司测试结果具有相当的重复性、稳定性和结果一致性,测量结果偏差能够满足技术指标中±10%的要求。


◆已有合作单位情况:

上海自动化仪表研究院有限公


◆适宜推广地区:

对传感器性能有要求的核电、火电、航空等相关企业。


◆成果(技术)图片:

热电阻响应时间测试装置:已经交付给上海工业自动化仪表研究院有限公司,工程师已经正常使用,原理及实物如1、2所示:

图1 热电阻响应时间测试装置原理图


图2 开发热电阻响应时间测试仪器实物图

变送器斜坡响应时间测试装置、噪声法响应时间测试装置示范项目,均提交给核电厂使用,反馈良好。斜坡装置、噪声法响应时间测试及三门核电站现场应用如图3~5所示:

图3 斜坡响应时间测试装置
图4 噪声法响应时间测试装置

  

图5 斜坡法响应时间装置在三门核电站现场测试照

◆项目负责人/团队介绍:

苏明旭,教 授。上海市颗粒学会副理事长、中国颗粒学会青年理事、颗粒测试分会理事,中国计量学会多相流测试专委会委员。主持自然科学基金项目3项,作为副组长负责863高科技项目1项,负责重大研发“两机”专项子课题1项,参与自然科学基金重大、重点项目各1项,负责和参与了省部级项目、承担中国燃气涡轮研究院、中国工程物理研究院、湖南五凌电力、上海电力科研项目20余项。发表论文70余篇(其中SCI、EI检索50余篇),发明专利20余项,主要参与编写了颗粒测试专著《颗粒粒度测量技术及应用》,负责编制超声法颗粒测量相关国家标准2项。先后两次获得上海市自然科学二等奖、上海市青年五四奖章(集体),中国颗粒学会科技进步一等奖。

(统计至2021年5月)



成果36:光散射颗粒和雾化测量

◆技术领域:环保


◆技术属性:新技术、新装备


◆成果简介:

针对涡轮发动机等各类喷嘴燃油雾化试验,或水雾两相流中颗粒度测量,研究两相流参数测试技术。重点研究:(1)喷嘴雾化场中雾滴的粒径分布、各种等效粒径参数(如中位径、索太尔直径D32、X10和X90等)以及雾滴浓度的测试方法和实现技术;(2)对喷嘴雾化场中雾滴多参数的空间分布特性进行测试;(3)对喷嘴雾化的不同工况,例如不同压力、流量、油气比条件下进行测试,分析不同工况下雾化特性,获得变化规律。


◆相关技术指标:

(1)液滴粒径测量精度:±5%;

(2)浓度测量精度:±5%;

(3)测量空间分辨率:≯5mm。


◆技术创新点:

(1)一套喷嘴雾化场两相流场雾滴粒径分布测试探针,探针能覆盖雾滴的粒径范围和浓度动态范围;

(2)设计方案可以实现探测光环尺寸动态设计,针对不同颗粒大小自适应对数分档方式;

(3)引入一种非独立模式差分进化算法进行颗粒粒度反演。


◆知识产权情况:

自行研发,已发表相关论文。


◆技术的成熟度:

拥有分体式和探针式两类成熟产品,实现对于雾化液滴颗粒度快速准确测量。


◆与同类技术优势比较:

该探针能对液固、气液和气固两相流进行在线测量,具有可灵活移动、适用测试对象更广等方面的优点。


◆已有合作单位情况:

中国航发四川燃气涡轮研究院


◆成果(技术)图片:

光散射颗粒和雾化测量(附件)

1.雾滴粒径及其分布和雾滴浓度的测试探针

研究喷嘴雾化场中雾滴的粒径分布、各种等效粒径参数(如中位径、索太尔直径D32、X10和X90等)以及雾滴浓度、速度参数的测试方法和实现技术。

采用基于Mie光散射理论的颗粒测量技术,根据散射信号空间分布与颗粒特征参数的相互关系,对雾滴的粒径分布、各种等效粒径参数和雾滴浓度参数实现测量。研制探针式测量装置,实现雾化场中的单点测量(具有较高的空间分辨率)。

测试探针系统由测试探针和测试软件二部分构成。测试探针的功能模块分别为激光发射模块、信号接收模块、光学系统保护模块、信号处理模块、信号采集模块和测量区,测试软件安装在计算机中,其功能包括信号分析模块、结果显示模块、结果打印模块和结果保存调用模块。如图1所示。

图1 测试探针功能框图

测试探针封装在一个铝材外壳中。为了保证测试探针调较后能满足一定的稳定性,探针外壳需保证足够的刚性。从硬件结构来说,激光发射模块由激光器和扩束器构成,信号接收模块由接收透镜和光电探测器构成,光学系统保护模块由导气管和保护气腔体构成,信号处理模块由多通道切换电路和二级信号放大电路构成,信号采集模块采用USB采样卡实现,如图2所示。

图2 雾滴探针示意图,由激光光源发射模块1、光学防污保护模块2、散射光信号探测及接收转换模块3和测量区4构成。

激光光源发射模块发射的激光照射流经测量区的雾滴,雾滴散射光信号被散射光信号探测及接收转换模块接收处理,并由专门的软件计算得到雾滴的粒径分布、各种等效粒径参数和雾滴浓度参数。

如图3所示为专门设计的笼式结构一体化探针示意图,为减轻装置重量,探针设计采用笼式结构。笼式结构使用四根坚固的刚制支杆,光学元件可以沿着共同的光轴安装。采用海普克(HepcoMotion)PSD120型轻载丝杠传动直线模组,梁长700mm,有效行程453mm,竖直移动;海普克(HepcoMotion)PSD120型轻载丝杠传动直线模组,梁长度1500mm,有效行程1253mm,水平移动;模组可以选配有NEMA34型步进电机,满足移动行程为300mm×1000mm的设计要求。

图3 专门设计的笼式结构一体化探针示意图
(1为CCD相机和镜头模组;2为轴向可调傅里叶接收透镜模组;3为10mm光栅模组;4为扩束准直器模组;5为650nm滤光片模组,6为0.01%×1%组合衰减片模组;7为半导体激光发射器模组)

2.CCD探测器设计

如图4所示为光电探测模块,光电探测器采用高性能CCD相机和远心镜头,可以有效表面散射光相差影响。图5为两类探测器示意图,采用CCD探测器代替传统探测器,具有较大的径向尺寸和探测单元,与接收透镜的配合可确保较大的散射角响应,由此可测量较大的雾滴粒径范围和精准连续的粒径分档。探测单元除了探测小散射角范围内的信号外,还用于监测激光光源发射模块与散射光信号探测空间对应以确保探针良好的工作状态。测量区的截面积为直径8mm以下的圆,其长度可根据喷嘴雾化特征进行定义,一般小于60mm以确保较高的空间分辨率,并防止复散射干扰。雾滴粒径测量范围在1微米-200微米之间,并可根据需要做适当调整。雾滴体积浓度可测量范围为0.5-15%。探针式测量装置可在喷嘴出口下方移动,以获取不同位置的雾化场两相流参数并由此得到雾化场的空间分布信息。


图4 光电探测模块

图5  两类探测器示意图

采用本设计方案可以实现探测光环尺寸设计。通常分环数越多,则反演粒级区间和测量分辨率高,但复杂性增大,系数矩阵T通常属病态矩阵,通过针对不同颗粒大小自适应对数分档方式,有利于改善矩阵性态,且在小角度范围内可获得更多探测区间,利于对大颗粒的检测,如图6为CCD探测器光环尺寸设计系数矩阵三维图。

图6 CCD探测器光环尺寸设计系数矩阵三维图

3.应用案例

先后为北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学、东北大学、北京工业大学、华东理工大学、福州大学、上海交通大学等十余所大学、北京防化院、中国船舶重工集团公司703所、无锡海纳喷嘴有限公司、灵谷喷嘴有限公司等开发了雾化两相流颗粒粒径、浓度和速度测试分析装置和仪器。

图7 测试装置照片

图8 测试装置软件界

◆项目负责人/团队介绍:

苏明旭,教授。上海市颗粒学会副理事长、中国颗粒学会青年理事、颗粒测试分会理事,中国计量学会多相流测试专委会委员。主持自然科学基金项目3项,作为副组长负责863高科技项目1项,负责重大研发“两机”专项子课题1项,参与自然科学基金重大、重点项目各1项,负责和参与了省部级项目、承担中国燃气涡轮研究院、中国工程物理研究院、湖南五凌电力、上海电力科研项目20余项。发表论文70余篇(其中SCI、EI检索50余篇),发明专利20余项,主要参与编写了颗粒测试专著《颗粒粒度测量技术及应用》,负责编制超声法颗粒测量相关国家标准2项。先后两次获得上海市自然科学二等奖、上海市青年五四奖章(集体),中国颗粒学会科技进步一等奖。

(统计至2021年5月)




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