一种基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝特性测量装置技术领域
本发明涉及流体相变实验装置，具体涉及一种基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝
特性测量装置。
背景技术
水雾在熄灭电气、舰船、建筑各种类型火灾已得到广泛应用，在石油、天然气管道
输送和矿井瓦斯防爆抑爆领域也有了一定应用和发展。水雾浓度是表征空间内水雾特征的
重要参数之一。对于水蒸气及其他气体的冷凝特性的研究一般都限于与固体的接触式换热
研究，例如气体在圆管内表面或翅片表面的冷凝特性研究。气体内部换热冷凝形成的液体
往往是雾状的，且与气体混为一体，冷凝生成的液体的量难以测量，因此气体内部换热的冷
凝特性研究非常困难。所以想要研究气体内部换热的冷凝特性，关键在于实现冷凝生成的
液体的量的测量。
目前，水雾浓度测量一般采用传统量杯法和称重法的方式。这些方法存在以下不
足：1)测量过程需花费较长时间，不能实现实时测量；2)只能测量一定体积空间内的平均水
雾浓度，不能实现点测量。
吸收光谱检测物质浓度的依据是物质对光辐射具有特征吸收，当一束激光穿过待
测气体时，光线会被物质选择性吸收，使其在强度上具有特征变化。
气体内部换热冷凝形成的液体往往是雾状的，雾均匀分布在空气中，形成气溶胶
形态，其对特定强度及波长的激光的吸收特性与气体类似。然而，与纯气体不同，雾由无数
的微小水颗粒组成，这些微小水颗粒还会对特定的光谱产生散射效果，因此雾对特定强度
及波长的激光同时具有吸收和散射效果。结合雾对特定强度及波长的激光的吸收及散射，
水蒸气在空气中冷凝生成的水雾浓度可以快速测量。
公开号为CN101256130A的中国专利文献公开了一种高精度煤气机械水含量测量
方法及装置，它的特点是在玻纤滤筒里面装入适量的超细高纯度玻璃纤维，将该滤筒固定
于锥形套管内，利用聚四氟乙烯胶带将其固定，在其形成的玻璃纤维层内，可以将煤气中的
机械水拦截下来。通过精确称量装有玻璃纤维滤筒测量前后的重量差，并同时记下流过采
样管的气体流量，便可求出煤气中的机械水含量。该装置的测量精度达到0.1mg/m3，但是测
量一次需要10分钟，无法快速实时地测量空气中水雾含量。
公告号为CN103558187A的中国专利文献公开了一种水雾浓度测量装置及测量方
法，涉及水雾浓度测量仪、水雾浓度标定装置和水雾浓度测量方法。水雾浓度测量仪包括支
架，安装在支架两侧的光学发射单元和光学接收单元，气流吹扫装置。水雾浓度标定装置包
括装有水雾发生器的箱体，箱体一侧装有吹雾风扇，箱体另一侧装有门扇，箱体置于压力传
感器上，压力采集仪与压力传感器联接。测量方法是：预备水雾浓度测量仪、水雾浓度标定
装置；测量并建立相应沉降时刻下水雾浓度与散射电压的关系式；将该关系式置于单片机
控制电路中后，就可将水雾浓度测量仪安装在现实水雾环境中，实时测量水雾浓度值。
然而，该装置及方法存在以下几个缺陷：
1.该发明采用气体吹扫装置对发射透镜和接收透镜吹空气的方式，防止透镜沾上
水雾，若在含有水雾的大气环境中使用该发明装置测量水雾浓度，吹扫装置使用的空气同
样含有水雾，该发明中并没有提到吹扫装置具有水分过滤的前处理，因此在实际大气环境
的水雾浓度测量中无法防止透镜沾上水雾；
2.该发明的预备水雾浓度标定过程中确定标准水雾浓度采用以下方法：“采集吹
出悬浮水雾前后箱体的重量差即T1时间点箱体内的悬浮的水雾质量，用该水雾质量除以箱
体容积即为箱体内的水雾浓度”，这一方法忽略了水的相变过程带来的影响，吹出悬浮水雾
前，部分水雾在箱体内发生沉降，这一过程中的水雾并非一直保持液态，水雾会气化为水蒸
气，水相变的影响在短时间内并不显著，但是随着沉降时间的增长，相变过程对水雾浓度的
标定结果影响越来越大，带来较大误差，该发明采用的标定方式误差较大；
3.该发明内容中提到水雾浓度值标准偏差均小于5g/m3，参照《南岭山地浓雾的物
理特征》(邓雪娇等于2002年8月发表于《热带气象学报》第3期第18卷)，0.2g/m3的水雾浓度
已经属于浓雾范围，5g/m3的误差在实际大气环境的水雾浓度测量中是不允许的，测量误差
已经远远大于测量值。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝
特性测量装置，解决了气体内部换热冷凝特性研究中存在的以下几个问题：流场内部小范
围的局部水雾浓度难以快速准确测量的问题；不同位置的水雾浓度的测量问题；换热特性
研究的变工况控制问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝特性测量装置，包括用于气体混合换热的
冷凝腔以及设置在冷凝腔中的光学测量模块，所述的冷凝腔设于真空箱中，冷凝腔两端分
别设有进气口和排气口；所述的进气口带有并列的空气入口和氮气入口；所述的光学测量
模块包括U型支座和分别设置在U型支座两臂上的微型激光发生器和微型光谱检测仪；所述
的微型激光发生器下方设置有第二反射镜和第四反射镜；所述的微型光谱检测仪上方设置
有第一反射镜和第三反射镜，下方设置有微型温度传感器。
上述技术方案中，通过空气和低温氮气在冷凝腔中发生混合，使空气中的水蒸气
发生冷凝形成水雾。真空箱使冷凝腔与环境绝热，光学测量模块的微型激光发生器可产生
特定强度及波长的激光，此激光先后在第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜
的表面发生镜面反射，最终照射在微型光谱检测仪上，含有不同浓度水雾的空气对特定强
度及波长的激光的吸收率及散射率不同，通过微型光谱检测仪测量经过吸收及散射后的激
光强度，根据光强与水雾浓度的对应关系，能快速准确地测出空气中水雾的体积分数，以此
测量空气中的水雾浓度。微型光谱检测仪下方的微型温度传感器可用于测量检测处的气体
温度。
作为优选，所述的冷凝腔中并排设有对微型光谱检测仪进行供电的第一通电导轨
和对微型激光发生器进行供电的第二通电导轨；所述的第一通电导轨和第二通电导轨之间
设有用于传输微型光谱检测仪和微型温度传感器的电信号并对微型温度传感器进行供电
的第三通电导轨。光学测量模块可以沿三个导轨进行移动。
作为优选，所述U型支座的底部设有第一通道、第二通道和第三通道，所述的第一
通道上设有连接第一通电导轨的第一接触块，所述的第二通道上设有连接第二通电导轨的
第二接触块，所述的第三通道上设有连接第三通电导轨的第三接触块。
作为优选，所述冷凝腔的上壁内侧设有等间距布置的微型加热器，微型加热器对
冷凝腔内的气体进行局部加热，使其在沿气体流动方向的不同位置具有不同的温度。
作为优选，所述冷凝腔的下壁外侧设有动力滑轨以及沿动力滑轨运动的动力引导
块。
作为优选，所述的动力滑轨连接有控制动力引导块运动的步进电机。
作为优选，所述U型支座的底部与动力引导块的顶部分别设有相吸的第一永磁体
和第二永磁体，光学测量模块可以随动力引导块进行平移。
作为优选，所述的空气入口通过空气进气管路连通温湿控制箱；所述的空气进气
管路上依次设有空气气泵、空气气阀和空气流量计。通过温湿控制箱控制通入冷凝腔的空
气温湿度。空气气泵用于控制通入冷凝腔的空气流量；空气气阀用于控制空气管路的开关；
空气流量计用于测量通入冷凝腔的空气的流量。
作为优选，所述的氮气入口通过氮气进气管路连通设有液氮加热器的液氮罐；所
述的氮气进气管路上依次设有氮气气阀、氮气流量计、氮气加热器和氮气温度计。通过液氮
加热器发热使液氮沸腾气化形成低温氮气，改变液氮加热器的加热功率可改变通入冷凝腔
的氮气流量。氮气气阀是用于控制氮气管路的开关；氮气流量计用于测量通入冷凝腔的氮
气的流量；氮气加热器用于加热氮气，改变氮气加热器的加热功率可改变通入冷凝腔的氮
气温度。氮气温度计用于测量通入冷凝腔的氮气温度。
作为优选，所述的排气口连接设有排气阀的排气管路，排气阀用于控制冷凝腔向
外部环境排放混合气体。
作为优选，所述的微型光谱检测仪表面保护层、微型激光发生器镜头、第一反射
镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，所用的材料均为超疏水玻璃，防止水雾粘在相
关表面影响测量精度。
作为优选，所述的液氮罐设有安全阀，用于防止液氮罐压力过高发生爆炸。
作为优选，所述的水蒸气冷凝特性测量装置设有控制器，用于控制液氮加热器、氮
气加热器和微型加热器的加热功率，同时控制步进电机，为微型激光发生器和微型光谱检
测仪供电，并用于接收微型温度传感器和微型光谱检测仪的电信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的光学测量模块的U型支座利用磁力控制在冷凝腔内的滑轨上移动，充
分减小了冷凝腔中部件的数量及体积，从而在尽量减小测量部件对流场影响的情况下，获
得冷腔内不同位置的水雾浓度及温度。
(2)本发明的光学测量模块中布置了第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四
反射镜，在有限空间内增加了特定强度及波长的激光在微型激光发生器和微型光谱检测仪
之间的光程，提升了测量系统的灵敏度。
(3)本发明通过控制通入冷凝腔的空气及氮气的参数(空气温湿度、流量，氮气温
度、流量)、冷凝腔内的微型加热器发热改变不同位置的气体温度，可实现不同的工况，可研
究不同换热条件下的水蒸气冷凝特性。
附图说明
图1是本发明基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝特性测量装置的系统结构示意
图；
图2是本发明的真空箱内结构示意图；
图3是光学测量模块结构示意图；
图4是光学测量模块的U型支座的底部与通电导轨连接示意图；
图5是光学测量模块的光路示意图；
图中各附图标记为：
1.温湿控制箱；2.空气气泵；3.空气气阀；4.空气流量计；5.氮气加热器；6.氮气流
量计；7.氮气气阀；8.液氮罐；9.液氮加热器；10.安全阀；11.氮气温度计；12.真空箱；13.排
气阀；14.控制器；15.冷凝腔；16.微型加热器；17.光学测量模块；18.通电导轨；19.动力引
导块；20.动力滑轨；21.步进电机；22.微型光谱测量仪；23.微型激光发生器；24.第一永磁
体；25.第二永磁体；26.第一通电导轨；27.第二通电导轨；28.第三通电导轨；29；第一接触
块；30.第三接触块；31.第二接触块；32.微型温度传感器；33.微型激光发生器镜头；34.微
型光谱测量仪保护层；35.第一反射镜；36.第二反射镜；37.第三反射镜；38.第四反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝
特性测量装置作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于激光吸收及散射的水蒸气冷凝特性测量装置，包括真空箱12
以及设置在真空箱12内部用于气体混合换热的冷凝腔15，真空箱12使冷凝腔15与环境绝
热，冷凝腔15一端设有氮气入口和空气入口，氮气入口通过氮气进气管路与液氮罐8连通，
空气入口通过空气进气管路与温湿控制箱1连通。冷凝腔15另一端设有排气口，连接设有排
气阀13的排气管路，排气阀13用于控制冷凝腔向外部环境排放混合气体。
氮气进气管路上依次设有氮气气阀7、氮气流量计6、氮气加热器5和氮气温度计
11。氮气气阀7是用于控制氮气管路的开关；氮气流量计6用于测量通入冷凝腔15的氮气流
量；氮气加热器5用于加热氮气，改变氮气加热器5的加热功率可改变通入冷凝腔15的氮气
温度。氮气温度计11用于测量通入冷凝腔15的氮气温度。
空气进气管路上依次设有空气气泵2、空气气阀3和空气流量计4。空气气泵2用于
控制通入冷凝腔15的空气流量；空气气阀3用于控制空气管路的开关；空气流量计4用于测
量通入冷凝腔15的空气的流量。温湿控制箱1用于控制通入冷凝腔15的空气温湿度。
液氮罐8内有液氮加热器9，液氮加热器9发热使液氮沸腾气化形成低温氮气，改变
液氮加热器9的加热功率可改变通入冷凝腔15的氮气流量。液氮罐8设有安全阀10，用于防
止液氮罐8压力过高发生爆炸。氮气加热器5用于加热氮气，改变氮气加热器5的加热功率可
改变通入冷凝腔15的氮气温度。
整套装置设有一个控制器14。
如图2所示，真空箱12内部包括冷凝腔15，冷凝腔15上壁内侧等间距布置有微型加
热器16，微型加热器16对冷凝腔15内的气体进行加热，使其在沿速度方向的不同位置具有
不同的温度。冷凝腔15的下壁外侧设有动力滑轨20以及沿动力滑轨20运动的动力引导块
19。冷凝腔15内部布置有光学测量模块17和通电导轨18，光学测量模块17可沿通电导轨18
移动。光学测量模块17与动力引导块19通过磁力保持相对位置固定，步进电机21驱动动力
引导块19在动力滑轨20上移动，以此实现光学测量模块17在冷凝腔内的移动。
如图3、4所示，光学测量模块17的U型支座底部设有第一永磁体24，动力引导块19
的顶部设有第二永磁体25，第一永磁体24与第二永磁体25相吸，两者之间为冷凝腔15的壁，
动力引导块19通过磁力引导光学测量模块17移动。光学测量模块17的U型支座两臂上分别
布置有微型激光发生器23和微型光谱检测仪22，微型光谱检测仪22上方设置有第一反射镜
35和第三反射镜37，下方设置有微型温度传感器32，微型激光发生器23下方设置有第二反
射镜36和第四反射镜38。微型光谱检测仪表面保护层34、微型激光发生器镜头33、第一反射
镜35、第二反射镜36、第三反射镜37、第四反射镜38，所用的材料均为超疏水玻璃，防止水雾
粘在相关表面影响测量精度。微型激光发生器23可产生特定强度及波长的激光，此激光先
后在第一反射镜35、第二反射镜36、第三反射镜37、第四反射镜38的表面发生镜面反射，最
终照射在微型光谱检测仪22上，微型光谱检测仪22可检测经过吸收和散射后的激光强度，
依据不同水雾浓度与特定强度及波长的激光吸收及散射后的激光光强的对应关系可以得
出空气中水雾浓度。微型温度传感器32用于测量检测处的气体温度。
冷凝腔15内部的通电导轨18分为第一通电导轨26、第二通电导轨27和第三通电导
轨28，光学测量模块17的U型支座的底部设有第一通道、第二通道和第三通道，第一通道上
设有连接第一通电导轨26的第一接触块29，第二通道上设有连接第二通电导轨27的第二接
触块31，第三通道上设有连接第三通电导轨28的第三接触块30。接触块29、接触块31和接触
块30均具有导电性。通电导轨27为微型激光发生器23供电，通电导轨26为微型光谱检测仪
22供电，通电导轨28用于传输微型光谱检测仪22和微型温度传感器32的电信号。
在整套装置正常使用时，控制器14用于控制液氮加热器9、氮气加热器5和微型加
热器16的加热功率，同时控制步进电机21，为微型激光发生器23、微型光谱检测仪22和微型
温度传感器32供电，并用于接收微型温度传感器32和微型光谱检测仪22的电信号。
不同流量及温湿度的空气和不同流量及温度的氮气在冷凝腔15中发生混合，使空
气中的水蒸气发生冷凝形成水雾，微型加热器16加热冷凝腔15内的气体，改变冷凝腔15内
的温度分布，使得不同位置的水雾浓度发生变化，光学测量模块17在冷凝腔15内部移动，可
测量不同位置的水雾浓度及温度。
光学测量模块17需要用传统的吸收称重法进行标定，确定含有不同浓度水雾的空
气对特定强度及波长的激光的吸收及散射程度，拟合出水雾浓度与特定强度及波长激光吸
收及散射程度的对应曲线。标定之后的光学测量模块17可根据测量经过水雾吸收和散射后
的激光强度，快速计算得到空气中的水雾浓度。
采用标定方法拟如下:
1、控制通入冷凝腔的空气及氮气的参数(空气温湿度、流量，氮气温度、流量)，在
冷凝腔内产生一定浓度的水雾；
2、利用微型温度传感器可测量近出口处的气体温度，调节冷凝腔内的微型加热器
功率，使得冷凝腔内近出口处的气体温度与外界环境温度一致并稳定不变，保持气体温度
与室温一致可避免水雾排出冷凝腔后发生强烈相变影响标定精度，由于冷凝腔内气体排出
后，其中的水雾立即被后续装置吸收，因此相变对测量的影响可忽略；
3、打开微型激光发生器和微型光谱检测仪，微型激光发生器产生特定强度及波长
的激光，此激光先后在第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜的表面发生镜面
反射，最终照射在微型光谱检测仪上，微型光谱检测仪测量近出口处的经过水雾吸收及散
射后的激光光强，并将结果传输至控制器，持续测量直到冷凝腔近出口处经过水雾吸收及
散射后的激光光强稳定；
4、将经过冷凝腔排气阀排出的气体通入装有适量超细高纯度玻璃纤维的玻璃纤
维滤筒，通过精确称量装有玻璃纤维滤筒测量前后的重量差，并同时记下流过采样管的气
体流量，玻璃纤维滤筒测量前后的重量差除以通入玻璃纤维滤筒的气体总量，即可得水雾
浓度，以此作为水雾浓度的标准可确定这一水雾浓度对应的水雾对特定强度及波长的激光
吸收及散射后的激光光强；
5、改变通入冷凝腔的空气及氮气的参数(空气温湿度、流量，氮气温度、流量)，重
复步骤2-4，可得到不同水雾浓度与特定强度及波长的激光吸收及散射后的激光光强的对
应关系，最后用计算机模拟出对应关系曲线。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和
原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。