Photonics 2025——基于光学喷雾测量的浆料喷雾监测

这篇学术论文介绍了一种用于监测高质量浓度浆料喷雾的光学喷雾测量方法。该工作聚焦于含有基液和悬浮固体颗粒的动态浆料液滴。

在许多工业过程中，浆料喷雾难以测量。液滴中可能含有煤颗粒、颜料、骨料或其他悬浮固体。因此，经典的喷雾测量方法往往无法提供有关液滴内部材料组成的足够信息。

所提出的方法分析单个浆料液滴的透明度，由此可以估算固体颗粒的质量浓度，并提供有关液滴内部平均颗粒粒径的信息。

浆料喷雾工艺广泛应用于燃烧、气化、回收、涂装技术及其他工业领域。在这些工艺中，喷雾输送的不仅是液体，还有悬浮颗粒。

因此，浆料混合过程的质量十分重要。颗粒粒径、颗粒浓度和喷雾行为会影响工艺的稳定性和效率。在燃烧和气化过程中，这些参数还会影响反应行为和燃料转化。

该方法基于单个悬浮液液滴穿过特定形状光束时产生的光散射。根据颗粒浓度和颗粒粒径的不同，这些液滴可表现为半透明液滴或不透明液滴。

在较低的固体浓度下，折射光仍可穿过液滴，此时该液滴可归类为半透明液滴。在较高浓度下，悬浮颗粒会阻挡或散射折射光，液滴的表现便更接近不透明液滴。

通过统计半透明液滴与不透明液滴的相对数量，该方法可以提供有关浆料组成的信息。

实验采用了时移飞行时间（Time-Shift Time-of-Flight）测量系统。这一基于TSTOF的装置工作在背散射区域，因此光源和探测器可以布置在喷雾的同一侧。

这对于工业喷雾测量十分有利，因为许多实际工艺只能提供有限的光学通道。

实验研究采用了不同质量浓度和不同颗粒粒径分布的浆料喷雾。煤颗粒分散在单乙二醇中，共制备了三种颗粒粒径分布，其索特平均粒径分别为4.0 µm、9.4 µm和18.7 µm。

颗粒质量浓度分别设为5%、10%和20%，共测试了五种浆料组成。

浆料喷雾由气体辅助同轴喷嘴产生。实验在KIT/ITC的ATMO喷雾试验台上进行，测量位置固定在喷嘴出口下方120 mm处。

结果表明，光学信号与浆料组成之间存在明确的相关性。在较低颗粒浓度下，探测到的半透明液滴更多。此外，在相同质量浓度下，较大的颗粒会导致更多的半透明液滴。

该研究确定了两个可用于浆料喷雾监测的参数：半透明液滴的相对液滴速率，以及半透明液滴的索特平均直径。

这些参数有助于发现质量浓度和颗粒粒径分布的变化。因此，该方法还可用于在雾化之前发现浆料混合过程或研磨过程中的错误。

该论文还提出了一种简化的测量方案。对于许多监测任务而言，统计半透明液滴和不透明液滴的数量可能就已足够。在这种情况下，系统无需在每一步都测量液滴粒径和速度。

这为紧凑且具有成本效益的喷雾测量仪器开辟了道路。采用一个光源和两个探测器的简化装置可能就已足够。此外，机器学习模型还可以根据光散射信号对液滴透明度进行分类。

这样的紧凑型系统可支持对浆料喷雾、涂料喷雾以及其他含非均质液滴的喷雾进行实时监测。

该方法适用于高质量浓度浆料喷雾监测、燃烧研究、气流床气化、回收工艺、含颗粒液体以及工业过程控制。

它还可以为未来面向复杂液滴的光学喷雾测量系统的开发提供支持。这些系统可以帮助研究人员和工程师理解质量浓度、颗粒粒径和雾化条件如何影响喷雾行为。

Schaefer, W., Fleck, S., Haas, M., & Jakobs, T. (2025). Optical Measurement Method for Monitoring High-Mass-Concentration Slurry Sprays: An Experimental Study. Photonics, 12(7), 673. https://doi.org/10.3390/photonics12070673