林光耀，胡飛，姬忠禮，劉震

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

0 引言

天然氣作為一種清潔能源，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)起著舉足輕重的作用［1-2］。將天然氣以高壓狀態(tài)注入地下儲(chǔ)層進(jìn)行儲(chǔ)備，是為天然氣提供季節(jié)調(diào)峰的主要應(yīng)對(duì)措施之一［3-4］。儲(chǔ)氣庫(kù)通常采用大型往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行注采，而良好的潤(rùn)滑條件是壓縮機(jī)長(zhǎng)期可靠工作的重要保證。然而，潤(rùn)滑油在氣缸內(nèi)高溫高壓環(huán)境和機(jī)械剪切力作用下，潤(rùn)滑油膜破碎形成油霧，隨氣流夾帶流出，嚴(yán)重污染和堵塞儲(chǔ)層［5］。為此通常設(shè)置除油器來(lái)降低氣體中的潤(rùn)滑油夾帶量［6］。在線檢測(cè)除油器出口的油霧液滴濃度對(duì)確保分離效率是否達(dá)標(biāo)尤為重要，但目前面臨高壓（達(dá)30 MPa）大流量（每小時(shí)數(shù)百萬(wàn)標(biāo)方天然氣）及濃度波動(dòng)范圍大等難題，需要探索合適的油霧特性和濃度在線檢測(cè)技術(shù)。

針對(duì)油霧濃度的在線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展如下：XU R［7］采用粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)，利用石英玻璃視窗對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃油油霧濃度進(jìn)行了在線檢測(cè)，在高溫高壓工況下測(cè)得了幾十到上百微米大小的燃油液滴粒徑和濃度。SONG J H 等［8］利用蒙特卡洛算法，采用Stokes-Mueller 矩陣分析方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬仿真證實(shí)了油霧粒子的非偏振光學(xué)特性可用于油霧顆粒偏振檢測(cè)。ZIMMERMANN A 等［9-10］利用可視化技術(shù)，通過(guò)圖像處理檢測(cè)了壓縮機(jī)增壓室內(nèi)油霧的形狀、粒徑。但在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，這些方法受到諸多限制：一是壓縮機(jī)出口油霧為微納米級(jí)液滴顆粒，常規(guī)電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）無(wú)法滿足分辨精度；二是基于光學(xué)法（光散射法）檢測(cè)時(shí)通常采用設(shè)置視窗的方式，視窗易受污染，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。

近年來(lái)有學(xué)者提出了一種利用透射光光強(qiáng)起伏的標(biāo)準(zhǔn)差和顆粒物濃度之間的線性關(guān)系測(cè)量［11］顆粒物濃度的光閃爍法。光閃爍法屬于光學(xué)遙測(cè)，對(duì)工業(yè)管道煙氣流進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)無(wú)需介入管道，當(dāng)視窗受到污染，透光率下降，光強(qiáng)起伏的標(biāo)準(zhǔn)差不會(huì)改變。且測(cè)量結(jié)果與溫度、濕度、壓力等環(huán)境因素?zé)o關(guān)，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ墓I(yè)顆粒物檢測(cè)技術(shù)［12］。CHEN A S 等［13］采用泊松分布統(tǒng)計(jì)學(xué)方法描述了光閃爍與顆粒物濃度之間的關(guān)系，以數(shù)學(xué)推導(dǎo)方法從理論上證實(shí)了光閃爍法應(yīng)用于顆粒物濃度監(jiān)測(cè)的可行性。CLERK A G等［14］闡述了造成光閃爍的主要原因包括折射率的起伏、顆粒物隨機(jī)移入移出視場(chǎng)、顆粒物濃度場(chǎng)的隨機(jī)起伏以及工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程控制等，并采用二項(xiàng)分布描述了顆粒隨機(jī)出入視場(chǎng)導(dǎo)致的光閃爍強(qiáng)度變化。YANG Y 等［15］采用了最大互相關(guān)原理和“泰勒凍結(jié)”理論，揭示了光閃爍低頻（≤103Hz）信號(hào)部分用于濃度測(cè)量，高頻（＞103Hz）部分用于流速測(cè)試。CHEN J 等［16］給出了粒子隨即進(jìn)入、移出視場(chǎng)引起的光強(qiáng)起伏與顆粒物粒徑及濃度之間的關(guān)系，這種有粒子統(tǒng)計(jì)起伏造成的光閃爍僅在視場(chǎng)小、光程短、粒子直徑大和濃度低的情況下才能夠被觀測(cè)到。但相關(guān)理論還不完善，尚未從全散射理論方面闡述光閃爍現(xiàn)象的理論成因。

本文在顆粒系層模型的基礎(chǔ)上應(yīng)用全散射理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)，提出一種長(zhǎng)光程光閃爍法油霧濃度測(cè)量方法。針對(duì)壓縮機(jī)潤(rùn)滑油特性，采用主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）確定油霧檢測(cè)的最佳波長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)光閃爍信號(hào)頻率進(jìn)行了頻譜分析，探究了閃爍頻率的影響規(guī)律，通過(guò)光閃爍法與其它測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證實(shí)了光閃爍法可用于油霧濃度的在線檢測(cè)。

1 光閃爍法理論模型

光閃爍法理論模型建立在顆粒系層模型［17］的基礎(chǔ)上，如圖1。當(dāng)一束平行激光光束入射穿過(guò)流場(chǎng)，激光光束波長(zhǎng)為λW，光束直徑為D，光束長(zhǎng)度為光束在流場(chǎng)中的傳播距離，即光程L。

圖1 顆粒系層模型Fig.1 Layer model of particle system

假定流場(chǎng)中顆粒系均由粒徑為DP的單分散顆粒組成，且在流場(chǎng)中以速度v隨氣流方向勻速穿過(guò)光束。將光束沿傳播方向分成一系列單層，每層的厚度大于或等于顆粒的粒徑［18］，層數(shù)為N，每個(gè)單層厚度表示為

式中，KP≥1 為結(jié)構(gòu)系數(shù)，根據(jù)被測(cè)顆粒粒徑DP和顆粒間平均距離LP確定。

式中，τ為介質(zhì)中的濁度。

在每個(gè)體積為VM的柱狀測(cè)量體中由于顆粒對(duì)光的散射和吸收作用，k個(gè)粒徑DP的單分散球形顆粒在測(cè)量體內(nèi)導(dǎo)致的濁度τ為

式中，Kext為消光系數(shù)，是入射光波長(zhǎng)λW、被測(cè)顆粒粒徑DP、顆粒相對(duì)于周?chē)橘|(zhì)的相對(duì)折射率m=(n-iη)的函數(shù)，可由Mie 散射理論計(jì)算得出。將濁度τ代入后可得

式中，Ti為第i單層透光率（消光比），i=1，2，3，…，N。流場(chǎng)內(nèi)因顆粒系消光導(dǎo)致光束中的透光率T為

以單層透光率Ti為隨機(jī)變量的泊松分布，且每層之內(nèi)顆粒數(shù)ki滿足獨(dú)立分布，則光束中透光率T同樣滿足泊松分布，則

對(duì)式（6）中接收光I求取期望、方差可得

聯(lián)立式（8）～（10），求解出顆粒系個(gè)數(shù)濃度CN和質(zhì)量濃度Cm，即

光閃爍法的理論推導(dǎo)基于Gregory 的消光起伏法。在Gregory 模型中，光束場(chǎng)內(nèi)顆粒隨機(jī)出入的粒子數(shù)近似為泊松分布，這意味著測(cè)量體VM應(yīng)遠(yuǎn)大于單個(gè)顆粒的體積，使得測(cè)量體VM內(nèi)可以同時(shí)存在多個(gè)顆粒，并且能夠減小因顆粒的投影截面出現(xiàn)在光束截面邊界時(shí)的邊界效應(yīng)［21］的概率。然而，測(cè)量體VM體積的增加將降低接收光信號(hào)的分辨率，導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)的減小，不利于測(cè)量。WESSELY B 等［22］通過(guò)改變光束直徑大小方式修正了Gregory 模型，但是可測(cè)量的顆粒濃度依舊受到限制。

光閃爍法理論模型中通過(guò)在圓形光束下顆粒系的層處理，對(duì)每個(gè)單層下透光率Ti（不同于光場(chǎng)內(nèi)粒子數(shù)）進(jìn)行了泊松分布近似，對(duì)每一單層內(nèi)的透光率Ti由全散射理論計(jì)算。模型采用均勻光束進(jìn)行推導(dǎo)，并且假設(shè)射光源輸出穩(wěn)定，實(shí)際測(cè)量中激光器輸出的光多為非均勻光束（高斯光束），光源功率輸出不可避免存在漂移，非均勻光束影響可通過(guò)引入光束因子FS來(lái)修正［23-24］，通過(guò)反演算法［25］得到原始透射背景光強(qiáng)從而消除光源輸出漂移帶來(lái)的檢測(cè)誤差。

在消光起伏法中通過(guò)對(duì)光束（高斯光束）聚焦形成某一光能分布極強(qiáng)的區(qū)域（即測(cè)量區(qū)），測(cè)量因顆粒消光導(dǎo)致測(cè)量區(qū)內(nèi)透射信號(hào)的起伏量來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒濃度測(cè)量。不同于Gregory 的模型，光閃爍法模型通過(guò)層模型對(duì)光束進(jìn)行了切分，每個(gè)單層均為一個(gè)測(cè)量體VM，同一時(shí)間內(nèi)光場(chǎng)內(nèi)存在多個(gè)測(cè)量體VM共同組成測(cè)量區(qū)，以每個(gè)單層的透光率Ti作為一個(gè)“消光顆?！边M(jìn)行泊松分布計(jì)算，因此采用了長(zhǎng)光程。值得注意的是，光程過(guò)長(zhǎng)時(shí)測(cè)量區(qū)內(nèi)顆粒數(shù)增多，透光率（或消光值）的漲落（即起伏量）降低。為了展示每個(gè)測(cè)量體VM的透光率Ti，以單分散顆粒系為例，假定顆粒系顆粒間距均相等，在D=2 mm、KP=20 參數(shù)下，圖2 顯示了每個(gè)測(cè)量體VM內(nèi)的平均顆粒數(shù)。由圖2可知同一時(shí)間內(nèi)測(cè)量體VM內(nèi)僅存在幾個(gè)顆粒，而在KP=20下N≤102個(gè)/mm，過(guò)小的光程將難以滿足泊松分布統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)，因此增加光程有助于透光率Ti滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)原理并使得透射光閃爍量穩(wěn)定。

圖2 單分散顆粒系中不同濃度下測(cè)量體VM 內(nèi)平均顆粒數(shù)kˉFig.2 The average particles number in monodisperse particle system different concentrations

2 最佳檢測(cè)波長(zhǎng)

基于光閃爍法開(kāi)展油霧濃度測(cè)量時(shí)，通常采用單波長(zhǎng)激光作為入射光源，其原因在于，一是激光可以獲得光束質(zhì)量?jī)?yōu)異的平行光［26］，二是單波長(zhǎng)的光電探測(cè)器具有更快的采樣速度。因此應(yīng)首先明確在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍（400～780 nm）內(nèi)潤(rùn)滑油油霧濃度的最佳入射檢測(cè)波長(zhǎng)。

2.1 吸收光譜

首先對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行可見(jiàn)光吸收光譜測(cè)定。實(shí)驗(yàn)所用潤(rùn)滑油為殼牌工業(yè)軸承與循環(huán)潤(rùn)滑油（Shell Morlina S1 B 460），表1 為潤(rùn)滑油物性參數(shù)。采用可見(jiàn)光分光光度計(jì)（日立UH4150日本）對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行波譜掃描，分光光度計(jì)分辨率1 cm-1，石英玻璃比色皿光程長(zhǎng)度L=10 mm。圖3 為可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)潤(rùn)滑油分光光度計(jì)波普掃描結(jié)果。

表1 潤(rùn)滑油物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of lubricating oil

圖3 潤(rùn)滑油可見(jiàn)光吸收光譜Fig.3 Lube oil absorption spectrum

潤(rùn)滑油可見(jiàn)光吸收光譜測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)前光程L下，潤(rùn)滑油在400～700 nm 波長(zhǎng)范圍下吸收度在4%～8%，變化趨勢(shì)較緩。潤(rùn)滑油可見(jiàn)光吸收光譜存在兩個(gè)吸收峰，分別為442.68 nm 和723.18 nm，但值得注意的是，在723.18 nm 波長(zhǎng)下的吸收峰存在強(qiáng)烈吸收作用。在光度學(xué)中吸收峰對(duì)應(yīng)的檢測(cè)波長(zhǎng)通常包含待測(cè)樣品豐富的物性參數(shù)信息，具有最佳的濃度檢測(cè)靈敏度［27］。當(dāng)潤(rùn)滑油以油霧形式分散于氣體介質(zhì)中時(shí)，懸浮于氣體介質(zhì)中的油霧液滴形態(tài)為球形顆粒，粒徑為微納米級(jí)別，此時(shí)油霧液滴對(duì)入射光除了吸收特性還有散射特性，僅以潤(rùn)滑油吸收光譜作為最佳檢測(cè)波長(zhǎng)選擇的依據(jù)存在缺陷。

同時(shí)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行了紅外吸收光譜和三維熒光光譜（Three-dimensional Excitation Emission Matrix，3D EEM）測(cè)定。圖4 為紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)潤(rùn)滑油吸收光譜結(jié)果，圖5 為潤(rùn)滑油三維熒光光譜。紅外光譜測(cè)定結(jié)果顯示，潤(rùn)滑油在紅外波段下具有更強(qiáng)的吸收作用，吸收峰波長(zhǎng)下吸光度≥50%，理論來(lái)說(shuō)選用紅外波段能帶來(lái)更強(qiáng)的濃度檢測(cè)靈敏度，是測(cè)量油類物質(zhì)較為常用的波段，但當(dāng)待測(cè)樣品發(fā)生改變時(shí)紅外光譜相應(yīng)將發(fā)生改變，且當(dāng)應(yīng)用于天然氣介質(zhì)時(shí)烴類氣體在紅外波段具有較強(qiáng)吸收作用。因此不選用紅外波段作為潤(rùn)滑油的最佳檢測(cè)波長(zhǎng)［28］。三維熒光光譜表明了潤(rùn)滑油在紫外波段下就有一定的熒光效應(yīng)，即在紫外光發(fā)射下潤(rùn)滑油將激發(fā)出熒光光譜，這將加重光路中雜散光，影響試驗(yàn)精度。

圖4 潤(rùn)滑油紅外吸收光譜Fig.4 Lube oil infrared absorption spectroscopy

圖5 潤(rùn)滑油三維熒光光譜Fig.5 Lube oil three-dimensional excitation emission matrix

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線與波譜掃描

為了測(cè)試潤(rùn)滑油在液滴形態(tài)下可見(jiàn)光吸收光譜結(jié)果，將油霧液滴分散至水中配制成乳化液樣品，對(duì)不同濃度下潤(rùn)滑油乳化液進(jìn)行了波譜掃描并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線［29］，從而確定最佳檢測(cè)波長(zhǎng)。

將定量潤(rùn)滑油滴入去離子純水中，經(jīng)懸臂剪切儀剪切破碎和超聲波震蕩分散，形成油水乳化液，為了使乳化液中液滴穩(wěn)定分散不易破乳，加入了少量表面活性劑。油霧液滴乳化液設(shè)置9 組不同濃度梯度下樣品，濃度C依次為0（對(duì)照組）、500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、40 000 mg·m-3，每個(gè)濃度三個(gè)平行樣，采用了不溶性微粒檢測(cè)儀（Accusizer 780 A2000 SIS 美國(guó)）對(duì)乳化液中潤(rùn)滑油液滴開(kāi)展粒徑檢測(cè)，潤(rùn)滑油乳化液中油滴粒徑分布為多分散顆粒系，采用高斯函數(shù)擬合，擬合后粒徑分布函數(shù)為

利用分光光度計(jì)進(jìn)行波譜掃描，結(jié)果如圖6，獲得了不同波長(zhǎng)下的吸光度值。對(duì)得到的9 組光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)原點(diǎn)的線性回歸擬合，計(jì)算各個(gè)波長(zhǎng)下線性回歸函數(shù)斜率、回歸系數(shù)R2、線性截距，結(jié)果如圖7。

圖6 不同濃度梯度下潤(rùn)滑油液滴波譜掃描結(jié)果Fig.6 Spectral scanning results of lubricating oil droplets under different concentration gradients

圖7 吸收光譜波譜掃描數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.7 Absorption spectroscopy scan data fitting results

波譜掃描擬合數(shù)據(jù)中，斜率越大靈敏度越高，回歸系數(shù)越大意味著濃度變化時(shí)測(cè)試結(jié)果的偏差越小，線性截距則反映了數(shù)據(jù)結(jié)果的“零點(diǎn)漂移”程度［30］。結(jié)果表明，在波長(zhǎng)400～550 nm 范圍內(nèi)擁有最佳的吸收光譜響應(yīng)結(jié)果。值得注意的是，理論上不同波長(zhǎng)下吸收光譜波譜掃描擬合曲線應(yīng)過(guò)原點(diǎn)，即截距為0，圖6 中擬合曲線未過(guò)原點(diǎn)可能是由于潤(rùn)滑油乳化液加入分散劑的影響。

2.3 主成分分析

為了在400～550 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)確定單一最佳檢測(cè)波長(zhǎng)，采用主成分分析確定具體波長(zhǎng)數(shù)值。主成分分析作為一種多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的工具，普遍用于去除相關(guān)、特征提取和數(shù)據(jù)壓縮中。PCA 的中心目的是將數(shù)據(jù)降維，將原變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使少數(shù)幾個(gè)新變量（主成分）是原變量的線性組合，同時(shí)這些變量要盡可能多地表征原變量的數(shù)據(jù)特征而不丟失信息。經(jīng)轉(zhuǎn)換得到的新變量是互不相關(guān)的，用以消除眾多信息共存中相互重疊的部分［31］。

利用9 組不同濃度梯度下潤(rùn)滑油乳化液的吸收光譜波譜掃描數(shù)據(jù)來(lái)確定最佳波長(zhǎng)。PCA 總方差解釋如表2。主成分分析結(jié)果如圖7。

表2 總方差解釋Table 2 Total variance explanation

總方差解釋表意味挑選的主成分個(gè)數(shù)，表2 顯示1 個(gè)主成分的累積方差解釋率高達(dá)87.59%，進(jìn)一步計(jì)算因子權(quán)重可達(dá)93.77%。最佳主成分下的波長(zhǎng)即可作為最佳檢測(cè)波長(zhǎng)，圖8 展示了不同波長(zhǎng)作為主成分時(shí)的權(quán)重計(jì)算，由此看出，選用波長(zhǎng)400 nm 作為最佳主成分，即最佳檢測(cè)波長(zhǎng)時(shí)，擁有最大權(quán)重計(jì)算。

圖8 主成分分析結(jié)果Fig.8 Analyze the results of PCA

3 閃爍頻率

光閃爍法測(cè)量顆粒物濃度時(shí)，閃爍頻率的選擇是至關(guān)重要的，這將影響到透射光的閃爍信號(hào)結(jié)果，即接收光光強(qiáng)的方差D(I)。根據(jù)式（11），個(gè)數(shù)濃度CN與方差D(I)成正相關(guān)。造成光閃爍現(xiàn)象的原因是多種因素的復(fù)合結(jié)果，先前研究表明了流場(chǎng)內(nèi)因顆粒隨機(jī)出入或移出視場(chǎng)引起的的透射光信號(hào)閃爍僅在低頻部分與顆粒物濃度存在良好的線性關(guān)系［32］，高頻部分則通常用于流場(chǎng)內(nèi)氣速測(cè)量［33］。表3 為光閃爍現(xiàn)象的成因和對(duì)閃爍頻率的影響。

表3 光閃爍成因及閃爍頻率的影響因素Table 3 The causes of light scintillation and the influencing factors of scintillation frequency

閃爍頻率選擇的基本原則是：選取因顆粒在視場(chǎng)內(nèi)的隨機(jī)出入成因占比最大，其余成因影響最小的導(dǎo)致的光閃爍頻率。選擇的關(guān)鍵在于讓顆粒隨機(jī)出入光場(chǎng)的概率滿足泊松分布。為了確定閃爍頻率對(duì)光閃爍法濃度檢測(cè)結(jié)果的影響，選取了某一穩(wěn)定工況條件下的光閃爍實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究了閃爍頻率對(duì)閃爍信號(hào)方差的規(guī)律。所用條件如表4。

表4 光閃爍頻率實(shí)驗(yàn)工況Table 4 Operating conditions of light scintillation frequency experiment

獲取了表4 工況下的透射接收光時(shí)域功率譜，如圖9所示，此時(shí)閃爍頻率為光電探測(cè)器采樣速率頻率，f0=1 MHz，采樣時(shí)間為2 s。通過(guò)低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）進(jìn)行濾波處理，采用不同閃爍頻率對(duì)濾波后光功率譜進(jìn)行計(jì)算。圖10 展示了不同閃爍頻率下的光功率譜，圖11 為閃爍頻率對(duì)功率譜方差的影響。需要注意的是，對(duì)透射光功率譜進(jìn)行閃爍頻率計(jì)算并非是對(duì)光功率譜進(jìn)行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）后的特定頻率的抽取，而是一種一次特定時(shí)間間隔（頻率）對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的“抽取”后計(jì)算。對(duì)光功率譜進(jìn)行FFT 后可用于對(duì)光閃爍法粒徑分布的反演［34］。該工況實(shí)驗(yàn)中采用了單分散液滴，經(jīng)過(guò)合適的LPF 后可分離出該粒徑下透射光閃爍信號(hào)。

圖9 穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)工況下透射光強(qiáng)信號(hào)Fig.9 Transmitted light intensity signal under stable experimental conditions

圖10 不同閃爍頻率下透射光強(qiáng)信號(hào)Fig.10 Transmitted light intensity signals at different flicker frequencies

閃爍頻率對(duì)透射光強(qiáng)信號(hào)的方差影響可分為四個(gè)階段。

第一階段，介質(zhì)內(nèi)顆粒濃度場(chǎng)的不均光強(qiáng)信號(hào)的起伏。液滴在光場(chǎng)內(nèi)的隨即出入被濃度不均導(dǎo)致的起伏信號(hào)所“掩埋”，擬合方差在數(shù)值上無(wú)明顯趨勢(shì)，但伴隨頻率的提高，單位采樣時(shí)間的縮短（即采樣速率的增大），濃度不均帶來(lái)的方差影響逐漸降低，擬合方差趨于穩(wěn)定。

第二階段，擬合方差平穩(wěn)，此時(shí)頻率為該實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)下光閃爍法濃度測(cè)量的最佳閃爍頻率，最佳閃爍頻率取決于顆粒粒徑、光束直徑和氣速等因素。假定顆粒速度等于氣速v=2 m·s-1，則顆粒穿越直徑D=2 mm 的光束所需時(shí)間為0.001 s，此時(shí)閃爍頻率為103Hz，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中最佳閃爍頻率基本吻合。

第三階段，伴隨閃爍頻率增加，擬合方差急劇降低，此階段為光閃爍由低頻濃度測(cè)量向高頻流速測(cè)量的轉(zhuǎn)變階段，閃爍頻率的增加，等同于顆粒在測(cè)量體內(nèi)速度降低，開(kāi)始產(chǎn)生重合誤差，即每次閃爍測(cè)得的光強(qiáng)信號(hào)方差均來(lái)自同一顆粒。

第四階段，即為光閃爍高頻流速測(cè)試，此時(shí)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定方差數(shù)值可與氣體介質(zhì)流速線性對(duì)應(yīng)。

4 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖12 為光閃爍法檢測(cè)潤(rùn)滑油油霧濃度實(shí)驗(yàn)裝置示意。高粘度的潤(rùn)滑油（ISO 粘度等級(jí) 460）采用以“凝結(jié)核-冷凝-回?zé)帷睘樵淼哪Y(jié)核氣溶膠發(fā)生裝置產(chǎn)生單分散液滴顆粒進(jìn)入管道，在緩沖罐管內(nèi)與氣體介質(zhì)均勻混合后流入光閃爍檢測(cè)單元進(jìn)行濃度檢測(cè)。管路采用負(fù)壓設(shè)計(jì)。以高穩(wěn)定性的固態(tài)激光器作為入射光源，光源發(fā)出的球面波經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡，空間濾波器和透鏡組后，調(diào)制確定的光束直徑后平行入射，光束穿過(guò)流動(dòng)的油霧后到達(dá)接收透鏡，光電探測(cè)器探測(cè)光透射信號(hào)，經(jīng)電路放大解調(diào)，低通濾波后，由高性能數(shù)據(jù)采集卡對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由系統(tǒng)軟件對(duì)光閃爍信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析。為了減少雜散光對(duì)信號(hào)的影響，對(duì)檢測(cè)單元內(nèi)壁進(jìn)行了消光處理，同時(shí)在入射和接收光處設(shè)置了約束光孔。

圖12 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.12 Experimental instrument

在油霧液滴濃度檢測(cè)單元下游出口處設(shè)置了90°零點(diǎn)靜壓采樣嘴進(jìn)行采樣，油霧氣溶膠自采樣嘴采出后，經(jīng)過(guò)光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器（Optical Particle Counter，OPC）進(jìn)行濃度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與光閃爍檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)裝置中檢測(cè)了0～50 mg·m-3油霧濃度工況下的光閃爍法測(cè)試情況。使用基于Mie 散射為原理的OPC（Welas Digital 3000 德國(guó)）測(cè)量管路內(nèi)油霧粒徑分布和濃度，并作為基準(zhǔn)濃度標(biāo)定驗(yàn)證光閃爍法測(cè)試結(jié)果。裝置內(nèi)通過(guò)控制管路內(nèi)風(fēng)速得到了不改變粒徑分布情況下的穩(wěn)定均勻潤(rùn)滑油油霧。圖13 為裝置內(nèi)油霧液滴粒徑分布。

圖13 實(shí)驗(yàn)油霧液滴粒徑頻率分布Fig.13 Oil mist droplet size frequency distribution in experiment

按等效消光系數(shù)原則計(jì)算了油霧液滴在該粒徑分布下的索太爾直徑（Sauter Mean Diameter，SMD）D32=1.54 μm，采用連分式算法［35］計(jì)算了在入射波長(zhǎng)λ=400 nm 下，直徑D32=1.54 μm，折射率m=1.47 球形顆粒的消光系數(shù)Kext=2.34。為了獲得較為明顯的光閃爍信號(hào)，采用了長(zhǎng)光程L=400 mm 的裝置進(jìn)行測(cè)試，值得注意的是，在0～50 mg·m-3油霧濃度工況下長(zhǎng)光程消光同樣可在線檢測(cè)油霧濃度［36］。表5 為光閃爍法和光透射法濃度標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果。

表5 光閃爍法和光透射法濃度標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果（ρ=900 kg·m-3）Table 5 Experimental results of concentration calibration using scintillation and transmission methods

圖14 為在不同油霧濃度下透射光閃爍信號(hào)方差擬合情況。在合適的閃爍頻率下，油霧濃度與閃爍信號(hào)方差存在明顯的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.989，這與CHEN J 等［16］研究結(jié)論相一致，證實(shí)了光閃爍法的可行性。圖15 為在不同油霧濃度下光閃爍法和光透射法濃度測(cè)試結(jié)果?；贚ambert-Beer 定律的光透射法測(cè)量油霧濃度時(shí)，最佳消光比區(qū)間為0.05～0.8，當(dāng)待測(cè)油霧濃度較小，消光比處于低消光比狀態(tài)，在低消光比下基于光透射法進(jìn)行濃度測(cè)量時(shí)，透射光的衰減信號(hào)易受噪音、入射光強(qiáng)波動(dòng)等影響導(dǎo)致測(cè)量讀數(shù)誤差，為了減小此類誤差采用了基于長(zhǎng)光程的光透射法［37］。在0～50 mg·m-3低濃度油霧濃度工況下，光閃爍法擬合曲線為y=1.0306x-0.5760，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.984。光透射法擬合曲線為y=1.1103x-2.2462，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.956。當(dāng)前油霧濃度工況下，光閃爍法測(cè)量精度高于長(zhǎng)光程光透射法濃度測(cè)量精度。

圖14 光閃爍法方差擬合結(jié)果Fig.14 Variance fitting results of light scintillation method

圖15 光閃爍法和光透射法濃度測(cè)試結(jié)果Fig.15 Concentration test results of light scintillation and light transmission methods

5 結(jié)論

針對(duì)壓縮機(jī)出口油霧分離器下游的低濃度潤(rùn)滑油霧，在0～-50 mg·m-3低濃度油霧濃度工況下提出一種基于光閃爍理論的微納米級(jí)油霧液滴的濃度檢測(cè)方法。理論模型依據(jù)顆粒層模型，在Gregory 消光起伏頻譜法基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)光束場(chǎng)內(nèi)測(cè)量體的分割，以每個(gè)測(cè)量體透過(guò)率作為統(tǒng)計(jì)學(xué)上泊松分布的隨機(jī)變量，采用Lambert-Beer 定律計(jì)算了單個(gè)測(cè)量體的透光率，解釋了光閃爍法的成因和影響因素。其中閃爍頻率的選取至關(guān)重要，閃爍頻率的選擇關(guān)鍵在于讓顆粒隨機(jī)出入光場(chǎng)的概率滿足泊松分布。因此閃爍頻率的選取根據(jù)測(cè)量體大小、顆粒直徑和顆粒速度確定。同時(shí)針對(duì)天然氣工業(yè)中壓縮機(jī)潤(rùn)滑油，選用了ISO 粘度等級(jí)460 潤(rùn)滑油，通過(guò)波普掃描和主成分分析法，確定了400 nm 波長(zhǎng)對(duì)460 潤(rùn)滑油具有最佳的檢測(cè)靈敏度和正相關(guān)性。

基于該理論模型，對(duì)光閃爍法油霧濃度檢測(cè)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和性能分析。結(jié)果表明，在0～50 mg·m-3油霧濃度范圍內(nèi)，光閃爍法標(biāo)定測(cè)試結(jié)果的線性相關(guān)系數(shù)R2=0.989，測(cè)試誤差小于10%。相較于長(zhǎng)光程光透射法，在極低濃度下光閃爍法誤差低于光透射法，隨著標(biāo)定濃度的增大，光透射法測(cè)試誤差逐漸減小并與光閃爍法相當(dāng)。上述分析表明，光閃爍理論可實(shí)現(xiàn)低濃度下油霧濃度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，該方法不受光學(xué)視窗污染影響，光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量速度快，有望在未來(lái)應(yīng)用于高壓下壓縮機(jī)出口的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。