技术领域
[0001] 本
发明涉及一种示踪剂的产生、注入的装置及方法，属于激光
光谱应用技术领域。
背景技术
[0002] PLIF【平面激光诱导
荧光技术，Planner Laser Induced Fluorescence】作为一种激光光谱技术，目前主要应用于
发动机内的高速燃烧场诊断。
[0003] 在发动机的研究过程中，
燃料和
氧化剂的充分混合是产生燃烧的必要条件。而燃料与
氧化剂混合的均匀性，当量比等特性会对发动机点火，火焰传播速度以及火焰的
稳定性产生很大影响。因此，对于混合燃气进行高时间，高空间
分辨率的定量测量是研制发动机的关键所在。而传统测量方法，如老式探针测试法，对于原有流场产生干扰，测量的
时间分辨率也较低，应用范围有限。PLIF诊断技术凭借其测量手段的非
接触性以及较高的时间分辨率和空间分辨率，可以用来定量的诊断高速变化的浓度场与
温度场。
[0004] PLIF诊断技术的示踪剂主要分为气态示踪剂和液态示踪剂。气态示踪剂主要包括NO，SO2等，气态示踪剂最大的优势在于易于投放到观测的流场之中。然而由于气态示踪剂的激
光激发波长较为特殊，产生特定波长的相关设备较为复杂，而且部分气态示踪剂有不同程度的毒性，所以应用受到很大限制。
[0005] 液态的PLIF示踪剂，如丙
酮，
甲苯等拥有较大的吸收截面，无毒，而且用于激发示踪剂的激光较易获得，激光相关设备简单，可靠性高。所以液态示踪剂是应用较为广泛的示踪剂。
[0006] 然而液态示踪剂在标准状况条件下为液态，需要通过一些技术手段使其变为气态示踪剂，以便于实验投放。一般情况下想要得到固定浓度的示踪剂
蒸汽并不方便。而某些特定实验环境，如高压，
真空，高温等特殊实验条件，对于投放的气态示踪剂温度，压
力和浓度都有一定要求，以防止其发生
液化。目前，在利用PLIF诊断技术对混合燃气进行高时间，高空间分辨率的定量测量的过程中，因无法精准确定混合蒸汽的温度，气压和浓度而影响实验的准确性。
发明内容
[0007] 本发明为解决在利用PLIF诊断技术对混合燃气进行高时间，高空间分辨率的定量测量的过程中，因无法精准确定混合蒸汽的温度，气压和浓度而影响实验的准确性的问题，进而提出一种用于PLIF流场诊断示踪剂的产生、注入的装置及方法。
[0008] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0009] 一种用于PLIF流场诊断示踪剂的产生、注入的装置，所述装置包括发生罐、混气罐、真空
泵、稀释气体瓶、第一压力计、第一
热电偶、第二压力计、第二热电偶、第一输气管道、第二输气管道、第三输气管道、第四输气管道、球
阀、三个针阀、多个第一加热圈和多个第二加热圈；
[0010] 所述发生罐通过第一输气管道与混气罐相连通，所述发生罐上设置有第一热电偶，所述混气罐上设置有第二热电偶，所述第一输气管道上安装有第一压力计，所述混气罐通过第三输气管道与稀释气体瓶相连通，所述第三输气管道上连通有第四输气管道的一端，所述第四输气管道的另一端连通有
真空泵，所述第四输气管道上设置有
球阀，所述第二输气管道的一端与混气罐相连通，所述第二输气管道的另一端为朝向实验工作环境的气体出口端，第二输气管道上设置有第二压力计，所述第一输气管道、第二输气管道和第三输气管道上各设置有一个针阀，所述发生罐上缠绕有多个第一加热圈，所述混气罐上缠绕有多个第二加热圈。
[0011] 一种利用具体实施方式四所述装置实现用于PLIF流场诊断示踪剂的产生、注入的方法，所述方法包括以下步骤：
[0012] 步骤一：纯示踪剂蒸汽的形成：首先将液体示踪剂放入发生罐中，关闭第二输气管道和第三输气管道上的针阀，分别打开球阀和第一输气管道上的针阀，启动真空泵，通过真空泵抽空发生罐、混气罐和第一输气管道内的气体使发生罐、混气罐和第一输气管道内处于真空状态，然后依次关闭第一输气管道上的针阀、球阀及真空泵，利用发生罐外缠绕的多个第一加热圈使发生罐内的温度维持在290～1200K，经过15～30min后，液体示踪剂在发生罐内挥发产生纯示踪剂蒸汽，此时第一热电偶显示温度为T1，第一压力计上显示的压力值为P1，该气压值P1为
饱和蒸汽压，T1和P1的关系满足安托因方程log P1＝A-B/(T1+C)，其中A、B和C均为物质的Antonie常数；
[0013] 步骤二：调试混合气体浓度的过程：启动混气罐外的多个第二加热圈进行加热，使第二热电偶显示温度达到与第一热电偶显示温度T1同温时，开启第一输气管道上的针阀，使纯示踪剂蒸汽进入混气罐中，当混气罐上设置的第二压力计所显示压强值稳定且与第一压力计上显示的压力值P1相同时，关闭第一输气管道上的针阀后打开第三输气管道上的针阀，通过调节第三输气管道上的针阀控制从稀释气体瓶进入混气罐内惰性气体的流量，同时时刻监测第二压力计所显示的读数P2，最终得到的混合气体中示踪剂浓度即为P1/P2；整个步骤二过程保持混气罐内的温度T1不变；
[0014] 步骤三：根据理想气体
状态方程PV＝nRT，在步骤二的
基础上，对示踪剂浓度为P1/P2的混合气体进行加热，使第二热电偶显示温度变化达到所需要的温度T，最终得到符合实验要求的浓度为A，温度为T和气压为P的混合气体；
[0015] 步骤四：混合气体的注入过程：通过减压阀和气体
质量流量计的调控，将配制好的混合气体以低于10slpm的流量投放到实验观察区域中。
[0017] 1、本发明利用示踪剂饱和
蒸汽压与温度的关系以及理想气体状态方程，在混气罐部分通过冲入稀释气体以及加热圈加热的功能，得到所需要的，拥有合适浓度，温度与压强的示踪剂混合气体。
[0018] 2、本发明设计利用示踪剂
饱和蒸汽压与温度的关系以及理想气体状态方程，研制了气态PLIF示踪剂的产生、注入的装置，该装置中发生罐为产生示踪剂蒸汽的示踪剂发生罐，通过对其配备的第一热电偶和第一压力计，能够实现对发生罐内示踪剂蒸汽温度和压力的测定；混气罐为示踪剂蒸汽与惰性气体形成混合气体用的罐体，通过第二热电偶和第二压力计的设置实现对混合气体温度和压力的测定。发生罐和混气罐均缠绕有加热圈以控制各自内部气体的温度。混气罐连通有真空泵和稀释气体瓶，以便抽空整个装置以及稀释示踪剂蒸汽。
[0019] 3、本发明的示踪剂的产生兼备注入的方法操作流程科学合理，灵活性强，可自行调节示踪剂投放温度，方便进行不用要求的实验。通过本方法可实现自由控制不同流量的示踪剂投放的效果，通过多次实验得出适合特定实验的流量。可实现对于投放示踪剂浓度的精确控制，可以在较长时间内获得浓度，温度流量稳定的气态示踪剂。使用方法较之前的液态示踪剂
气化投放方法简单。经过功能的集成，每次使用的设备可以直接使用，省去安装麻烦。
附图说明
[0020] 图1是本发明中装置的使用过程的
流程图。
具体实施方式
[0021] 具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述装置包括发生罐1、混气罐2、真空泵3、稀释气体瓶4、第一压力计5、第一热电偶6、第二压力计7、第二热电偶8、第一输气管道9、第二输气管道10、第三输气管道11、第四输气管道12、球阀13、三个针阀14、多个第一加热圈和多个第二加热圈；
[0022] 所述发生罐1通过第一输气管道9与混气罐2相连通，所述发生罐1上设置有第一热电偶6，所述混气罐2上设置有第二热电偶8，所述第一输气管道9上安装有第一压力计5，所述混气罐2通过第三输气管道11与稀释气体瓶4相连通，所述第三输气管道11上连通有第四输气管道12的一端，所述第四输气管道12的另一端连通有真空泵3，所述第四输气管道12上设置有球阀13，所述第二输气管道10的一端与混气罐2相连通，所述第二输气管道10的另一端为朝向实验工作环境的气体出口端，第二输气管道10上设置有第二压力计7，所述第一输气管道9、第二输气管道10和第三输气管道11上各设置有一个针阀14，所述发生罐1上缠绕有多个第一加热圈，所述混气罐2上缠绕有多个第二加热圈。
[0023] 本发明包括示踪剂产生装置，在PLIF实验中，主要由示踪剂产生装置、可调谐
激光器【用于激发示踪剂】、片光整形系统【将光束整形为片状光束】、ICCD【荧光
信号采集装置】、数字延时器【调控各个装置的时序】以及观测流场组成。实验过程是：先将特定浓度，温度的气态示踪剂以一定的流量投放到观测流场中，将调谐好的特定波长的激光经过片光整形系统整形为片状光束并进入观测流场，激光会激发示踪剂产生荧光，而荧
光信号由ICCD搜集储存，整个过程的时序由数字延时器控制。
[0024] 本装置中第一输气管道9、第二输气管道10和第三输气管道11上各自设置的针阀14均为已有产品且均为高
精度针阀。
[0025] 本发明是根据利用示踪剂饱和蒸汽压与温度的关系以及理想气体状态方程，得到所需要的，拥有合适浓度，温度与压强的示踪剂混合气体。理想气体状态方程为PV＝nRT，其中P为气体压强，V为气体体积，n为气体的物质的量，R为理想气体常数，T为气体的温度。根据公式可知在等温等体积的条件下，混合气体中各组分的摩尔数之比即为压强之比，由此可以通过控制示踪剂蒸汽和稀释气体的压强之比来配比任意浓度的示踪剂混合气体。
[0026] 具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述第一输气管道9、第二输气管道10和第四输气管道12上均缠绕有加热圈。
[0027] 本实施方式中将整个输气管道均缠绕有加热圈的目的是保证示踪剂蒸汽在输运过程中不会发生液化现象。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。
[0028] 具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述装置还包括减压阀15、气体质量流量计16、第三压力计17、第四压力计18，所述第二输气管道10上从靠近混气罐2的一端至气体出口端依次设置有减压阀15和气体质量流量计16，所述第二输气管道10上还安装有第三压力计17和第四压力计18，所述第三压力计17位于减压阀15和气体质量流量计16之间，所述第四压力计18位于气体质量流量计16和气体出口端之间。本实施方式中在混气罐2上连通减压阀15和气体质量流量计16的目的是为了控制混合气体的流出速度便于投放到实验场19中。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。
[0029] 具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述稀释气体瓶4中装有惰性气体，所述发生罐1中装有液态的PLIF示踪剂。根据多次样品试验的经验得出，惰性气体为氮气、有利于降低实验成本。液态的PLIF示踪剂为丙酮或甲苯，丙酮或甲苯拥有较大的吸收截面，无毒，而且用于激发示踪剂的激光较易获得，激光相关设备简单，可靠性高。其它类型的液态示踪剂也可。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。
[0030] 具体实施方式五：结合图1及具体实施方式四所述装置说明本实施方式，所述方法包括以下步骤：
[0031] 步骤一：纯示踪剂蒸汽的形成：首先将液体示踪剂放入发生罐1中，关闭第二输气管道10和第三输气管道11上的针阀14，分别打开球阀13和第一输气管道9上的针阀14，启动真空泵3，通过真空泵3抽空发生罐1、混气罐2和第一输气管道9内的气体使发生罐1、混气罐2和第一输气管道9内处于真空状态，然后依次关闭第一输气管道9上的针阀14、球阀13及真空泵3，利用发生罐1外缠绕的多个第一加热圈使发生罐1内的温度维持在290～1200K，经过
15～30min后，液体示踪剂在发生罐1内挥发产生纯示踪剂蒸汽，此时第一热电偶6显示温度为T1，第一压力计5上显示的压力值为P1，该气压值P1为饱和蒸汽压，T1和P1的关系满足安托因方程log P1＝A-B/(T1+C)，其中A、B和C均为物质的Antonie常数；本步骤中安托因方程log P1＝A-B/(T1+C)中A、B和C均为物质的Antonie常数，通过查询相关标准表即可获得；
[0032] 步骤二：调试混合气体浓度的过程：启动混气罐2外的多个第二加热圈进行加热，使第二热电偶8显示温度达到与第一热电偶6显示温度T1同温时，开启第一输气管道9上的针阀14，使纯示踪剂蒸汽进入混气罐2中，当混气罐2上设置的第二压力计7所显示压强值稳定且与第一压力计5上显示的压力值P1相同时，关闭第一输气管道9上的针阀14后打开第三输气管道11上的针阀14，通过调节第三输气管道11上的针阀14控制从稀释气体瓶4进入混气罐2内惰性气体的流量，同时时刻监测第二压力计7所显示的读数P2，最终得到的混合气体中示踪剂浓度即为P1/P2；整个步骤二过程保持混气罐2内的温度T1不变；
[0033] 步骤三：根据理想气体状态方程PV＝nRT，在步骤二的基础上，对示踪剂浓度为P1/P2的混合气体进行加热，使第二热电偶8显示温度变化达到所需要的温度T，最终得到符合实验要求的浓度为A，温度为T和气压为P的混合气体；
[0034] 本步骤中通过样品试验得知，最终得到示踪剂混合气体的气压一般要大于预定值的气压，但不影响实验
进程与结果；
[0035] 步骤四：混合气体的注入过程：通过减压阀15和气体质量流量计16的调控，将配制好的混合气体以低于10slpm的流量投放到实验观察区域中。
[0036] 本实施方式中的步骤三主要是等体积等物质的量的情况下加热特定浓度的示踪剂混合气体，使其达到所要求的的温度,这一步主要是在步骤二的基础上加热，当然压强也会提升，即T大于T1，P大于P1。
[0037] 本发明是根据利用示踪剂饱和蒸汽压与温度的关系以及理想气体状态方程，得到所需要的，拥有合适浓度，温度与压强的示踪剂混合气体。理想气体状态方程为PV＝nRT，其中P为气体压强，V为气体体积，n为气体的物质的量，R为理想气体常数，T为气体的温度。根据公式可知在等温等体积的条件下，混合气体中各组分的摩尔数之比即为压强之比，由此可以通过控制示踪剂蒸汽和稀释气体的压强之比来配比任意浓度的示踪剂混合气体。
[0038] 示踪剂蒸汽液化主要有两个原因。首先是蒸汽在输运过程中因为种种原因导致其温度降低，新的温度不足以支持蒸汽原有的气压，所以部分示踪剂蒸汽液化。另外由于示踪剂蒸汽遭遇加压过程，导致其气压超过所在温度的饱和蒸汽压，也会有部分蒸汽发生液化。
[0039] 示踪剂的温度与它的饱和蒸汽压的关系可由Antonie方程log P1＝A-B/(T1+C)求得。
[0040] 对于不同的示踪剂，A,B和C的值不同。例如丙酮的A,B和C分别是A＝16.6513，B＝2940.46，C＝-35.93，P就是示踪剂蒸汽温度为T的饱和蒸汽压，其中T为
热力学温度，P单位是mmHg。
[0041] 由Antonie方程并根据实验环境的温度T，我们可以知道在此环境下示踪剂的饱和蒸汽压P，即投放的由示踪剂与稀释气体组成的混合气体中示踪剂分压不超过P即不会液化。
[0042] 在某些特定实验条件下，需要一定气压，温度的示踪剂混合气体时，可以通过对特定浓度的混合气体进行等体积等物质的量加热，这样可以得到符合要求的注入示踪剂混合气体。进而到达在特定实验环境下制备出符合需求的示踪剂混合气体的目的，特定实验环境为本领域中高压，低压或高温的环境。
[0043] 本实施方式中的步骤三还可以如下过程进行操作：已知需要混合气体温度为T，压强为P，浓度为w。则可知示踪剂分压为Pw，根据特定示踪剂的Antonie方程，可知此分压对应需要的示踪剂的温度为t。通过步骤1可到温度为t，压力为Pw的纯丙酮蒸汽。再通过步骤二得到温度为t，压力为P的混合气体，此时浓度为w。之后再对混气罐进行加热，使混合气体温度达到T，此时混合气体压力为P*T/t，较预定压力大一些，但使用时间更长，不影响实验结果。本步骤一个大前提就是T必须大于t，即混气罐中的示踪剂分压要小于其所在温度所对应的的饱和蒸汽压.
[0044] 本方法中涉及温度的单位均为K，K为开尔文，为热力学温标或绝对温标，是国际单位制中的温度单位。
[0045] 本方法中发生罐1和混气罐2均具备较强的承压承温能力，使示踪剂
热解之前温度不受限。1000K以下都不会热解。示踪剂热解前的温度是根据特定实验要求设置即可。
[0046] 具体实施方式六：本实施方式为对具体实施五作出进一步的限定，本实施方式中所述发生罐1的温度小于等于混气罐2的温度。这样才不易放生液化问题。其它未提及的方法及步骤与具体实施方式五相同。
[0047] 具体实施方式七：本实施方式为对具体实施六作出进一步的限定，本实施方式中在步骤二中，第二热电偶8的显示温度与第一热电偶6的显示温度相同，在步骤三中，第二热电偶8的显示温度为最终所需要的混合气体的温度T。
[0048] 在具体实施方式五中的步骤二是这样的，第二热电偶的温度应该维持在步骤一中的T1.然而在步骤三中，需要对特定浓度的示踪剂混合气体进行等体积等物质的量的加热，则此时第二热电偶示数会变化，最终变为混合气体所要求的的温度。
[0049] 本实施方式为对步骤二的限定，在示踪剂蒸汽进入混气罐2前、进入混气罐2后以及稀释气体进入混气罐2后都要保持温度不变，根据理想气体状态方程可知，只有保持恒温不变才能保证压力之比P1/P2为混合气体的浓度。其它未提及的方法及步骤与具体实施方式六相同。
[0050] 具体实施方式八：本实施方式为对具体实施六作出进一步的限定，本实施方式中惰性气体为氮气。氮气易购且廉价，有利于降低本发明的操作成本，其它类型的惰性气体均可。其它未提及的方法及步骤与具体实施方式七相同。
[0051] 结合本发明的具体实施方式一至八说明以下
实施例：
[0052] 实施例一：配制特定浓度的示踪剂混合气体。综合ICCD距离实验区的距离大小，ICCD的镜头口径和增益能力，激光强度等等条件，可以设定一个合适的示踪剂混合气体浓度，已得到较好的PLIF诊断图像。本实施方案就是通过本
专利的方法与设施得到特定浓度的示踪剂混合气体。
[0053] 向示踪剂发生罐中灌入一定量的液体示踪剂，封好罐口。在关闭所有阀
门的情况下，开启第一输气管道9上的针阀14。打开真空泵3后，开启球阀13，用真空泵3抽空整个装置。抽空后依次关闭第一输气管道9上的针阀14、球阀13以及真空泵3。经过30min后，发生罐1中的液体示踪剂挥发直至为纯示踪剂蒸汽，时第一热电偶6显示温度为T1，第一压力计5上显示的压力值为P1，该气压值P1为饱和蒸汽压。第一输气管道9上的针阀14，使纯示踪剂蒸汽进入混气罐2，第二热电偶8显示温度为T1条件下经过20min后，混气罐2压强稳定在P1，关闭第一输气管道9上的针阀14。此时打开第三输气管道11上的针阀14，通过调节第三输气管道
11上的针阀14控制进入混气罐2的氮气的流量，同时时刻监测压力表2的读数P3，最终得到的混合气体中示踪剂浓度即为P1/P3。
[0054] 本实施方式中，需要保证在配比所需浓度的示踪剂混合气体过程中温度不变，即在向混气罐中通入纯示踪剂气体和通入氮气这两个过程中第二热电偶8的示数应该是不变的，一直保持为T1，通入的氮气温度也应为T1。
[0055] 本实施例中，在对整个装置进行抽气的过程中，由于示踪剂的易挥发性，所以长时间也很难抽到预想的真空度。可以监测第一压力计5，当它长时间压力保持不变的情况下，可以认为此时抽气速度与示踪剂挥发的速度相同。此时可以关闭第一输气管道9上的针阀14，只抽混气罐2，在混气罐2达到预定真空度后，关闭球阀13，关闭真空泵3。
[0056] 本实施例中由于温度不变为T，即根据Antonie方程可知饱和蒸汽压P1为固定值。所以，想要控制混合气体浓度的变化，就需要调节第三输气管道11上的针阀14，控制流入混气罐2的稀释气体的物质的量，较精确的的控制最终压强P2，这样就可以得到所需要的特定浓度的示踪剂混合气体。
[0057] 实施例二：本实施例为示踪剂混合气体的投放。为了保证PLIF实验的观测效果，需要示踪剂混合气体以固定的流量流入实验观测区域。本专利中使用了气体质量流量计16来控制混合气体流量。根据示踪剂以及稀释气体的相对分子质量和混合气体浓度，可以计算得出混合气体的相对分子质量，由此设定气体质量流量计16的相对系数，由此可以控制混合气体流入实验区域的流量。第三压力计17和第四压力计18是用来检测气体质量流量计16两端压力变化的，以此来保证其可以处于正常的压力环境中工作使用。
[0058] 实施例三：本实施例为举例说明在某个特定的丙酮PLIF实验中，所需求的示踪剂混合气体的相关参数是如何得到的，根据实验场19条件综合得出需要丙酮浓度为10％的混合蒸汽，流量设为500sccm。这个浓度和流量可以得到
信噪比对比度比较好的图像，为了观测温度的分布，设定喷入冷流的混合气体温度为400K。实验需要多次观察，所以维持时间设置为60分钟，流量设置为500sccm。则实样过程中需要的混合气体的物质的量为500*60/1000/22.4＝1.34mol。所用的混气罐体积为9420毫升，再根据理想气体状态方程根据PV＝nRT可知混气罐内的混合气体压强为472840Pa。适当取更高的压强5个
大气压。综上可知，根据实验条件和需求，可得本次实验需要的是丙酮浓度为10％，温度为400K，罐内压力为
500000Pa【丙酮分压为50000Pa】的混合气体。
[0059] 本次实验的实验观测区域是真空状态。而实验区域是高压状态的情况下，需要考虑投放示踪剂时的压强变得更高。以上过程为如何确定所需要的混合气体的浓度温度和压力。
[0060] 实施例四：本实施例中丙酮分压为50000Pa，根据及Antonie方程可知丙酮发生罐1内在310K时的饱和蒸汽压约为50000Pa。则可以通过具体实施方式五中的步骤一得到温度为310K，压强为50000Pa的纯丙酮蒸汽。然后通过具体实施方式五中的步骤二冲入稀释气体，得到温度为310K，压强为500000Pa的混合气体【丙酮分压为50000Pa】。最后通过步骤三，使用多个第二加热圈对混气罐2进行加热，使混气罐2的混合气体达到400K，则此时混气罐2混合气体总压强约为650000Pa，浓度为10％，温度为400K。压强较需求更高没有问题，因为压强更高则在流量为500sccm情况下使用时间更长，可以满足实验需求。
