2018傳熱傳質(zhì)學(xué)年會集月

學(xué)術(shù)會 段卜月1，呂妍2，*，王迪1，（1.東北石油大學(xué)土木建筑，黑龍江大慶163318；2.東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶163318；3.北部灣大學(xué)石油與化，廣西欽州535000；）(*通訊作 : 摘要：天然氣含水量影響管輸熱力和凍堵特性，非接觸激光檢測是其濃度測量方式之一。針對激光檢測過程中存在高溫壁面雜散輻射問題，設(shè)計了激光測量管輸天然氣含水量光路，利用TracePro光學(xué)設(shè)計軟件InfluenceofhightemperaturewallradiationonlasermeasurementofwatercontentinnaturalgasDuanBuyue1,LvYan2,LiDong*,WangDi1,Wu（1.SchoolofCivilEngineeringandArchitectureNortheastPetroleumUniversity,Daqing163318, ;2.SchoolofElectronicScienceNortheastPetroleumUniversity,Daqing163318, ;3.SchoolofpetroleumandchemicalengineeringBeibuwanUniversity,Qinzhou535000, (*Corresponding : :Thewatercontentofnaturalgasaffectsthethermaland zingcharacteristicsofpipelinetransportation,andnon-contactlaserdetectionisoneofthemethodsofconcentrationmeasurement.Aimingattheproblemofhigh-temperaturestrayradiationintheprocessoflaserdetection,theopticalpathoflasermeasurementofwatercontentinnaturalgaspipelineisdesigned.Theinfluenceofhigh-temperaturestrayradiationonthereceivedsignalofdetectorissimulatedbyTraceProopticaldesignsoftware,andtheopticalcharacteristicsoftheprocessareyzedbasedontheprincipleofspectralabsorption.Theresultsshowthatthereisobviousstrayradiationintheprocessofmeasuringwatercontentofnaturalgaspipelinebylaser,thehigherthetemperatureis,thestrongertheeffectofstrayradiation:naturalgas;watercontent;laserdetection;stray目前，常用激光收光譜術(shù)用于檢測組氣體的含。激光收光譜術(shù)光敏面除常光線，其他線和量。對紅光學(xué)系而言，散輻射（N），[25]6]Qean7--

000IIe(0

其中，為氣體在波長為時的吸收截面，cm2/mol；C為待測氣體分子數(shù)密3C ln

C。 simplelight emittersimpleI0I0ILIIe1氣體吸收過程示意Fig.1Schematicdiagramofgasabsorption為選取合適的吸收波長，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。利用HITRAN1atm、296K1282~1515nmLorenz21392nm。00吸收系數(shù)吸收系數(shù)/cm-000

波數(shù)/cm-2Fig.2Nearinfraredabsorptionspectrumlineofwater2.1設(shè)計如圖3所示的反射式光路測量系統(tǒng)，截取集輸管道直徑為100mm，高為250mm，DFB2mm10W1392nm。激光光束PMMA的菲透鏡，厚度1mm，環(huán)距0.5mm，通光口徑20mm，F(xiàn)數(shù)1.6，折射系數(shù)1.4935，對波長為1392nm激光光束的透過率為92%。光路中被水氣信息吸收的光信號由Thorlabs公司生產(chǎn)的PDA10CS探測器在天然氣集輸過程中，管道公稱直徑依天然氣輸氣量的不同，其大小介于實時監(jiān)測。OpticalOpticalFocusinglaserDataprocessing3Fig.3Openopticalpathdetectionsystem2.2MgF2、ZnS4所示為藍寶石單晶（α-Al2O3）0.15μm~6μm波段內(nèi)藍寶石單晶（α-Al2O3）0.5μm~4.5μm波段范圍內(nèi)，藍寶石單晶（α-Al2O3）具有十分顯著的光學(xué)透過率，其透過率高達85%~90%，而本文激光檢測光路系統(tǒng)發(fā)射波長為1.392μm，符合此光學(xué)窗口材料0 4藍寶石單晶（α-Al2O3）透過Fig.4Sapphiresinglecrystal(α-Al2O3)1所示。因此，將藍寶石單晶（α-Al2O3）作為此測量系統(tǒng)的光學(xué)窗口1藍寶石單晶（α-Al2O3）Table.1Performanceparametersofsapphiresinglecrystal(α-密硬楊氏模3.1如圖5所示，有兩個微元表面dAs和dAr，其間距為L。drs、dsr分別為兩微元表面法線nsnrL的夾角。LsLr為兩微元表面的輻射亮度[10-14]。則由表面dAs向dAr發(fā)射的輻射功率為：

LscossdAsdAr

微元表面dAr對dAs dAr

根據(jù)輻射表面（BRDF）定義可知

BRDFdsEs

BRDF

dAdAr

rsBRDFsFsr由式（8）可知，接收表面所接收到的能量來自于源表面BRDFFsr。因此，在源表面FsrBRDF影響。

ssL 5Fig.5Theprincipleofenergytransmissiononthesurfaceofstray3.2TracePro將此光學(xué)系統(tǒng)模型導(dǎo)入TracePro采用BlackPaint黑漆涂層，壁面與信號接收系統(tǒng)各表面均選向表面散射分布函數(shù)模型。其中：A=0.064，B=1，g=0298K523K高溫環(huán)境下。模6所示，其中激光光線有一部分被液滴吸收，另一部分在液滴表面分別發(fā)生了折射（n=1.3334）、直接反射和多次反射，并經(jīng)管道壁面反射。反射后的激光光線經(jīng)菲透鏡聚焦并發(fā)生折射，最終由激光探測器接收。其中，光線顏色的不同代33%~0%、66%~33%100%~66%。oflightlossOpticalNaturallaserFocusing6探測器接收光路圖Fig.6Detectorreceivingopticalpath1.2754W；改變壁6.7962W4倍。由于溫度升高，管道壁面高溫雜散輻射使入射

總光通量

總光通量7Fig.7Surfaceirradiancedistributionof圖88-5mm~7mm引-9mm~-5mm7mm~9mm范圍內(nèi)，由于沒有其他水蒸氣的影響，激光光束透過中心水蒸常溫壁輻照密輻照密度/W·mm0- - - 離心距8Fig.8Radiationdensitycontrast結(jié)TracePro光學(xué)設(shè)計軟件建立管輸天然氣高溫壁面和常溫壁面兩種模型屬[1] ,,王武昌,等.油氣混輸管道中天然氣水合物的形成和堵塞過程研究J.石油與天然氣化工,01,4(0384.李珉,柏逢明.基于TDLAS-WMS技術(shù)的高靈敏度紅外甲烷檢測儀[J].激光,2015,36(10):75-,,樊宏,,鮑健,等.天然氣管道泄漏可調(diào)諧二極管激光遙感探測的研究[J].光譜學(xué)與光譜分趙楠,薛育,王晶.利用蒙特卡洛法分析紅外光學(xué)系統(tǒng)的雜散輻射[J].中國光學(xué)與應(yīng)用光TianQ,ChangS,LiZ,etal.Amethodtomeasureinternalstrayradiationofcryogenicinfraredimagingsystemsundervariousambienttemperatures[J].InfraredPhysics&Technology,2016,81:1-6.陳凱,.基于激光傳感器的氣體濃度檢測研究[J].激光,2018,39(07):50-,魯一冰,,張玉鈞 ,尤坤,劉國華,唐七星,,余冬琪.中紅外激光吸收光譜CO檢測,任國棟,,蘭衛(wèi)華,,潘.短波紅外成像系統(tǒng)的雜散輻射分析與抑制研究[J].激光與光電子學(xué)進姚秀文,,曾曙光,,張彬.紅外光學(xué)系統(tǒng)自身雜散輻射分析及抑制J.激光與光電子學(xué)進展,00,4(1919.張順德,,戴貴龍,于,顏維旭.石英光學(xué)窗口的高溫?zé)彷椛湮镄詫嶒炑芯縖J.工程熱物理學(xué)報,01,3(0103-13.XiaXL,ShuaiY,TanHP.CalculationtechniqueswiththeMonteCarlomethodinstrayradiationevaluation[J].JournaloftativeSpectroscopy&RadiativeTransfer,