光纤探针气泡行为测量仪Bubble-Pro可测量气体为离散相、液体为连续相的多相流中局部气含率、气泡速率和气泡弦长等气泡行为。本测量仪具有对气泡响应迅速、阶跃显著的特点，将光纤探针信号进行方波化处理，探针在气相中的采样点数与总采样点数之比即为局部气含率，再沿径向积分可得平均气含率；对两列光纤探针信号进行相关性分析，可求得每个气泡的上升速率；再根据每个探针描过气泡的时长，得到气泡的弦长，并提供气泡速率和气泡的弦长的统计数据。此探针可应用于高温、高压、液相为有机体系的气液环境。

　　主要技术指标：

　　压力范围：小于2.0MPa

　　温度范围：小于250℃

　　介质要求：透明体系

　　光纤直径：0.125mm

　　光纤间距：0.5mm，可根据要求具体调节

　　气含率区间：0.5%~50%

　　气泡尺寸分辨率：大于2mm

　　气泡速率分辨率：小于4m/s

　　系统组成及功能特点

　　1 硬件

　　1.1 耐高温、高压、有机溶剂

　　接触式测量是在机械臂的末端安装测量探头，通过与流体的直接接触获取信息，由于探头与机械臂间材料的不同，探头与机械臂间的密封是困扰接触式测量的重要问题。对于光纤探头，光纤与金属套管间的密封一般采用环氧树脂胶，但环氧树脂胶的强度较低，仅能用于常温、常压、非有机溶剂的冷模系统。为了克服这些问题，本光纤采用高强度无机胶，整个密封过程没有有机物质，因此，整个过程可以耐有机溶剂，这大大提高了系统的测量范围。

　　采用高强度无机胶，该种胶与不锈钢管密封后，经高温焙烧，进一步提高胶的粘结性能，使光纤和不锈钢管更紧密的结合，因此，本装置所采用的密封方式可用于高温、高压体系气液多相流的测量。

　　1.2 响应灵敏

　　图 1 光纤测量原理示意图

　　灵敏度是探针能不能有效检测到气泡的重要指标。光纤探针前端采用热熔拉伸工艺，为一45°角圆锥，当前端为气相时，由于气体与光纤的折射率相差较大，而被测液体与光纤的折射率相差较小，故探针在气相中时，光可以在探针顶端形成全反射，光强度较高，当探针处于液相中时，光的反应强度较弱，由于光的响应速度高，故光纤探针的信号强度大、灵敏度高。

　　1.3 结果准确

　　对于接触式测量，由于测量探针对流场的扰动，会影响测量结果的准确性，探针体积越小，对流场的影响也越弱，系统误差也越小，因此开发体积小、响应灵敏、信号强且准确的测量探针一直是测量工作者追求的目标。光纤的直径仅为125mm，能够有效刺激直径大于1mm的气泡，后面金属套管的直径为0.5mm，对流场没有影响。

　　图2光纤探针信号时间序列

　　图2为光纤探针测得的原始信号时间序列，当探针处于气相中时，信号为高电平，当探针处于液相中时，信号为低电平。比较两个信号时间序列可以发现，光纤气泡基线稳定、信号强、气泡信号阶跃峰值稳定。

　　图3光纤探针局部信号

　　图3为局部放大后的光纤信号时间序列。光纤气泡信号具有响应灵敏的特点，气泡与探针接触后能够在2~3个采样间隔内完成相间切换信号的阶跃。

　　1.4 采样频率高

　　要进行准确的气泡信号测量，不仅要有优异的探针，还要有高速而准确的信号采集系统，根据采样定理，采样频率至少应大于信号最高频率的２倍，采样之后的信号才能完整地保留原始信号中的信息。本产品的总采样频率可达500KHz，对于多通道系统，32路，每路的采样频率为15.6KHz，时间分辨率为0.068ms.

　　由图3可以看出，气泡上升沿的采样间隔为1~2个，时间小于0.14ms，即探针遇到气泡后能够迅速刺穿气泡，且迅速产生响应；图3中气泡下降沿的采样间隔为2~3个，时间小于0.2ms，即气泡后能迅速离开探针，且迅速产生响应。

　　1.5 无漂移

　　光纤探针基于光信号的变化测量气泡参数，金属测臂在长期在水中浸泡导致的生锈、结垢等对光强度无影响，因此相同操作条件下，不同时间得到的数据一致，提高数据的重现性；由于光纤的感应面积为一个65um圆点，感受面积小，对气泡敏感，光纤的信号阶跃不受气含率的影响。

　　1.6 双探针

　　图4为双探针信号，由于探针顶端角度的影响，信号基线有一定的变化，但阶跃峰值相同，且阶跃明显，两探针的距离为1mm，这表明双探针信号测量准确。图5示出了部分放大信号。两光纤探针之间的距离可直接测得，由气泡在两探针上响应延迟可得到气泡速度，由气泡速度及气泡在探针处所产物的阶跃时长，可以得到气泡的弦长。若气泡尺寸较小，可近似为球形，则可利用概率统计的办法，得到气泡尺寸。

　　图4 电导信号气泡识别后的方波

　　图5 放大后的原始信号与方波信号

　　2 软件

　　2.1 采样程序易操作

　　通常的测量程序，会将采样基础数据写在程序里，并编译为可执行文件，如果要增加采样通道或改变采样端口及改变数据采集量，则需要由程序开发人员重新进行编辑、修改源代码，费时费力。本产品将需要经常调整的参数写在Excel文件中，改变Excel文件中相应的数值，即可对进行参数设置，程序自动的对采样通道及采样数据量进行调整，不必再去打开源代码。操作人员可随意的调整测量通道数量及顺序。

　　2.2 气泡识别灵敏

　　由于光纤信号阶跃敏锐、峰值稳定，单阈值法即可进行信号识别，从相应的信号时间序列中识别出气泡信号，实现气泡参数的测量。气泡信号的数据处理界面，能够快速给出气含率、气泡上升速率及其分布、气泡弦长及其分布。

　　3 产品优势

　　BubblePro系列产品经过多年的实践检验，其功能不断完善，已在国内很多科研机构得到应用。具有以下产品优势：

　　• 专业的团队设计、开发、制造、改进该设备，产品技术含量高；

　　• 光纤直径小，级联式结构，对流场影响小，数据准确；

　　• 无机胶密封，适用于高温体系；

　　• 毛细管、不锈钢管钎焊连接，适用于高压体系；

　　• 无机胶密封，不溶不挥发，适用有机溶剂体系；

　　• 基于反射光强度的不同进行测量，适用于非导电介质；

　　• 响应迅速， 0.25ms即可实现气液信号的切换；

　　• 上下游信号相关性好， 气泡速率、 气泡尺寸数据准确；

　　• 目前已经推出中文界面软件，操作更为简便。