基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度在线测量及系统

技术领域

本发明涉及油质污染物浓度监测技术领域，更具体地是涉及一种基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度在线测量及系统。

背景技术

目前，飞机发动机使用的燃料以3号喷气燃料为主，以下简称RP-3。RP-3中的固体颗粒质量浓度和水含量过高会严重影响飞机的安全飞行，RP-3中固体颗粒质量浓度和水含量是评判油品是否合格的重要依据。RP-3中固体杂质和水颗粒会对发动机造成不同的危害，因此，众多权威组织和现行标准对这两种颗粒的含量做了严格限制。

在RP-3加注至航空发动机的过程中，固体杂质和水均以细颗粒的形式存在。目前，常用的颗粒物质量浓度检测方法有滤膜称重法、光散射法、消光法、β射线衰减法和微量天平振荡法等。滤膜称重法、β射线衰减法和微量震荡天平法测量结果准确度高，但实时性差，且仅能实现固体颗粒浓度检测；消光法的实时性好，但在低浓度颗粒检测时会有较大的误差，测量精度不如光散射法。光散射法具有测量准确、灵敏度高、实时性好和非接触测量等优点，同时可实现介质中固体颗粒、液滴和气泡等含量的检测，适合于RP-3中固体颗粒质量浓度和水含量的同步在线测量。

另外，RP-3中固体杂质成分复杂，包含铁锈、二氧化硅、活性炭、白土和粉状尘土等。实现RP-3中固体杂质各成分质量浓度的检测，有利于及时发现并定位引起质量问题的RP-3储运环节。此外，光散射法测颗粒物质量浓度的准确性受颗粒折射率变化的影响，当固体颗粒的成分发生变化，必然会引起固体颗粒折射率的改变，由此会对测量结果造成无法估计的误差。因此，测量固体杂质中各种颗粒的质量浓度也具有重要意义。

专利申请公布号为CN 108645817 A的发明专利，公开了一种多类型混合颗粒物质量浓度在线测量方法，该发明是基于颗粒种类引起的不同波长下散射光差异，对散射光信号需要进行分光再被探测器接收，光路复杂，成本也较高。其基于颗粒种类在不同散射方向的散射光差异特性，通过标定质量灵敏度矩阵的方法计算混合颗粒各组分的质量浓度，以综合最小残差原则确定多个角度的选取，利用采集的混合颗粒多角度散射光信号进行解耦运算，并通过参考光路模块反馈环境因素的波动，用于修正多角度探测的散射光信号，进而解得混合颗粒中多组分颗粒的质量浓度，进而得到某一大类混合颗粒浓度，提高了测量的精度。

发明内容

为实现加注过程中RP-3污染物中混合颗粒各组分质量浓度的同步在线测量，并同时实现固体颗粒质量浓度的测量，本发明提供了一种基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度在线测量及系统，使用质量灵敏度表征某一探测角度下颗粒质量浓度与散射光信号的关系，提出基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度同步在线检测方法。

为实现上述目的，按照本发明目的，具体采用如下技术手段：

一种基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度在线测量，包括：

依据l个探测角度下标定的质量灵敏度矩阵，计算得到n种颗粒物质量浓度的标准残差，依据综合最小残差原则选取n个角度探测组；

将携带n种混合颗粒的油质通过光学测量系统中的测量区域，根据n个多角度探测组，采集n个探测角度下混合颗粒的散射光信号，经参考光模块修正；

将n个角度散射光信号修正值与标定的质量灵敏度矩阵结合，计算得到混合颗粒各组分的质量浓度，进而得到油质中某一大类颗粒的质量浓度。

作为本发明的进一步改进，所述l个探测角度下标定的质量灵敏度矩阵，包括：

根据已知质量浓度的n种混合颗粒溶液，采集涵盖前向、侧向和后向散射角的l个探测角度下混合颗粒的散射光信号，标定多个探测角度下各颗粒物的质量灵敏度，建立l个探测角度下待测颗粒的质量灵敏度矩阵。

作为本发明的进一步改进，所述质量灵敏度矩阵应包含油质中每种颗粒在l个探测角度下的质量灵敏度；油质中包含n种颗粒物，则应满足n≤l，且质量灵敏度矩阵的秩应为n。

当n为3时，即测量铁锈、石英和游离水颗粒质量浓度，依据综合最小残差原则，则选取11°、60°和120°三个角度作为探测组；当n为2时，即测量固体颗粒和水颗粒质量浓度时，依据综合最小残差原则，选取11°和60°两个角度作为探测组。

作为本发明的进一步改进，所述参考光模块引入参考光路反馈激光器工作时因素影响造成的随机波动，对采集到的散射光信号进行修正，I

作为本发明的进一步改进，所述经参考光模块修正，包括：

检测到实时参考光信号为I

作为本发明的进一步改进，所述n种颗粒物质量的灵敏度矩阵的标定过程如下：

给定第j种颗粒物，使用多角度散射光采集模块获取已知质量浓度的该类颗粒物的散射光信号，经过参考光修正后分别记为

则质量灵敏度为n×l的矩阵，表达形式如下：

作为本发明的进一步改进，所述依据综合最小残差原则选取n个角度探测组，包括：

根据l个探测角度下标定的质量灵敏度矩阵，计算得到不同探测角度下n种混合颗粒质量浓度的测量值，以标准残差表征l个探测角度下的各颗粒物计算浓度与已知配置浓度的偏差，选取综合标准残差最小的n个探测角度，作为在线测量过程的探测角度组。

作为本发明的进一步改进，所述计算得到混合颗粒各组分的质量浓度，进而得到油质中某一大类颗粒的质量浓度，包括：

油质携带待测n种混合颗粒物通过光学测量系统中的测量区域，混合颗粒物在光源照射下发出散射光信号，根据综合最小标准残差原则选定的探测角度组，采集n个角度散射光信号，经过参考光模块修正，得到修正后的多角度散射光强，分别记为

油质中混合颗粒包含有n种成分，质量浓度分别记为C′

将以上线性方程组用矩阵的形式表示，即为：

令：

则有：

M·C＝I

由以上矩阵运算，通过多角度探测散射光信号与质量灵敏度矩阵，解得不同角度下n种颗粒各自的质量浓度，进而得到油质中某一大类颗粒的质量浓度。

一种基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度在线测量系统，包括：光源模块、测量区域、多角度散射光采集模块、光陷阱、参考光路和数据采集系统；

所述光源模块包括依次布置的He-Ne激光器、扩束镜和可变光阑；

所述多角度散射光采集模块包括多个采集单元，每个采集单元均包括依次布置的可变光阑、透镜和硅光电探测器，多个采集单元围绕被测区布置；

所述参考光路包括分光棱镜和硅光电探测器，硅光电探测器采集分光棱镜发出的光；

所述光陷阱设置在被测区的出射光线上；

所述数据采集系统与所述参考光路、多角度散射光采集模块均电连接。

一种基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度在线测量系统的工作方法，包括：

电动转台载测量光学臂转到确定的探测角度后，光源发出入射光束，经扩束镜扩束和减小发散角后，再经可变光阑滤除部分弱能光，形成能量均匀的单色平行光，然后分光棱镜分束为参考光和测量光，参考光被硅光电探测器接收，测量光入射样品池使颗粒群发出散射光，探测器将散射信号传递给数据采集系统，透射的测量光被光陷阱接收；

散射光信号被多角度散射光探测模块获取并修正后，均被传送至中心控制站进行处理和计算，得到多种类颗粒物质量浓度的在线测量。

总体而言，本发明所构思的技术方案与现有技术相比，可取得以下有益效果：

本发明基于不同种类颗粒的散射光在不同方向角分布特性的差异，根据已知质量浓度的混合溶液标定涵盖前向、侧向、后向多个角度下各组分颗粒的质量灵敏度矩阵，通过综合最小标准残差原则，选取最优探测角度组，采集待测油质混合颗粒的散射光信号，同时采用参考光模块对系统波动进行修正，依据标定的质量灵敏度矩阵解耦出RP-3各组分颗粒物的质量浓度，进而实现RP-3中固体杂质质量浓度和水含量的同步检测，也有助于及时发现并定位引起RP-3质量问题的储运环节，保证航空煤油发动机的正常工作。

附图说明

图1为基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度在线测量原理图；

图2为本发明中光学测量系统的示意图；

其中，1-He-Ne激光器，2-扩束镜，3,6-可变光阑，4,-样品池，5-光陷阱，7-透镜，8,12-硅光电探测器、，9-数据采集系统，10-电脑，11-分光棱镜，13-电动转台。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参照图1，本发明涉及一种基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度在线测量，其主要包括三个部分：各探测角度下颗粒物质量灵敏度的预先标定，依据综合最小残差确定多角度探测组和多种类颗粒质量浓度的同步在线测量。

所述各探测角度下颗粒物质量灵敏度的预先标定部分，使用到的有多种类的单组分颗粒物、光学测量系统和中心控制站；所述多种类颗粒物分别在RP-3的携带下通过光学测量系统，由拟合计算分别得到每种颗粒物各探测角度下的质量灵敏度，并储存于中心控制站；

所述依据综合最小残差确定多角度探测组部分，依据预先标定的质量灵敏度矩阵，计算计算浓度与配置浓度的标准残差，选择各颗粒物综合最小残差对应的多个角度作为探测组；

所述多种类颗粒物质量浓度的同步在线测量部分，即为实际测量装置，使用到的有所述光学测量系统、RP-3携带的混合颗粒物和所述中心控制站；所述混合颗粒物在RP-3的携带下通过所述光学测量系统中的测量区域，在所述光源的照射下混合颗粒向四周发出散射光，而后被所述综合最小残差确定的多角度散射光采集模块获取相应信号，经过参考光信号修正，所述修正后的散射光信号经中心控制站解耦运算获得所述所类型颗粒物的质量浓度；

所述光学测量系统包括光源模块、测量区域、多角度散射光采集模块、光陷阱、参考光路和数据采集系统，所述测量区域包括电动转台以及动态循环样品装置，通过流量计动态实时反应待测油质的流量大小；

所述中心控制站，与所述光学测量系统建立通信连接，具备数据储存、运算、结果显示、结果反馈和参数设置功能。

为进一步阐述本发明的预定目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例对本发明做详细描述。须注意，以下所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。同时，以下所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

该方法包括以下步骤：

1)引入参考光路用来反馈环境因素影响造成波动噪声，对采集到的多角度散射光信号进行修正；

2)根据已知质量浓度的混合颗粒溶液，选取多个探测角度，涵盖了前向、侧向和后向散射角，标定各探测角度下待测颗粒物的质量灵敏度，建立各探测角度下各待测颗粒的质量灵敏度矩阵；

3)依据步骤2)中标定的质量灵敏度矩阵计算不同角度下各颗粒物的标准残差，依据综合最小残差原则，选取多角度探测组；

4)待测混合颗粒物经油质携带进入光学测量系统，根据步骤3)中确定的多角度探测组采集混合颗粒多个角度的散射光信号，并经过参考光模块修正，传输至中心控制器；

5)中心控制器将步骤2)中标定的质量灵敏矩阵与步骤4)中采集的混合颗粒修正散射光信号结合，计算得到混合颗粒溶液中各颗粒的质量浓度(如航空煤油中的石英颗粒、铁锈颗粒、白土颗粒、尘土颗粒、游离水颗粒等)，进而可通过求和算得某一大类颗粒(如固体颗粒和水颗粒)的质量浓度。

本发明基于颗粒种类引起的散射光角分布特性的差异，通过标定质量灵敏度矩阵计算质量浓度，并依据综合最小残差原则确定多个探测角度，采集多个角度散射光信号，实现了对混合颗粒中各类颗粒质量浓度的同步在线测量，同时利用参考光模块克服了激光器功率波动、采集器信号波动以及周围环境杂散光波动对光散射法测颗粒质量浓度的影响，具有较好的可行性和稳定性。

为实现上述目的，结合图1，本发明提供了一种基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度同步在线检测方法，该方法的测量步骤如下：

1)引入参考光路反馈激光器工作时功率波动以及受环境振动、温度、偏振光学元件和反射光等因素影响造成的随机波动，对采集到的散射光信号进行修正，I

2)根据已知质量浓度的n种混合颗粒溶液，选取l个探测角度，涵盖了前向、侧向和后向散射角，标定各探测角度下待测颗粒的质量灵敏度，建立各探测角度下待测颗粒的质量灵敏度矩阵；

3)依据l个探测角度下标定的质量灵敏度矩阵，计算得到n种颗粒物质量浓度的标准残差，依据综合最小残差原则，选取n个角度探测组(如铁锈、石英和游离水颗粒依据综合最小残差原则，选取11°、60°和120°三个角度作为探测组；固体颗粒和水颗粒依据综合最小残差原则，选取11°和60°两个角度作为探测组)；

4)将携带固体杂质和水颗粒的RP-3通过光学测量系统中的测量区域，利用多角度散射光采集模块，采集多角度探测组在n个探测角度下混合颗粒的散射光信号，并与参考光信号进行修正，分别记为

5)光学测量系统中的多角度散射光采集模块将n个角度采集并修正后的散射光信号传递给中心控制站，中心控制站将接收散射光信号结合2)中的质量灵敏度矩阵，解得混合颗粒中各成分的质量浓度，进而算得RP-3中固体杂质质量浓度和水含量。

须注意，所述颗粒物质量灵敏度矩阵应包含RP-3中每种颗粒在l个探测角度下的质量灵敏度。假设RP-3中包含n种颗粒物，则应满足n≤l，则质量灵敏度为n×l的矩阵，依据综合最小残差原则选取n个探测角度下混合颗粒的散射光信号，与质量灵敏度解耦计算得n种颗粒物的质量浓度。

作为可选实施例，所述n种颗粒物质量灵敏度矩阵的标定过程如下：

根据已知质量浓度的n种混合颗粒溶液，选取l个探测角度，涵盖了前向、侧向和后向散射角；给定第j类颗粒物，使用多角度散射光采集模块获取已知质量浓度的该类颗粒物的散射光信号，经过参考光信号修正后分别记为

则质量灵敏度的矩阵表达形式如下：

作为可选实施例，所述依据综合最小残差原则选取n个角度最优探测组的过程如下：

根据l个探测角度下标定的质量灵敏度矩阵，计算不同探测角度下的n种混合颗粒质量浓度的测量值，以标准残差表征l个探测角度下的各颗粒物计算浓度与配置浓度的误差，选取n种颗粒物综合标准残差最小的n个角度，作为在线测量过程的多角度探测组(如铁锈、石英和游离水混合颗粒可通过综合最小残差原则选取11°、60°和120°三个角度作为探测组；固体颗粒和水颗粒可通过综合最小残差原则选取11°和60°两个角度作为探测组)；

所述基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度测量过程如下：

RP-3携带待测n种混合颗粒物通过光学测量系统中的测量区域，混合颗粒物在光源照射下发出散射光信号，根据综合最小标准残差的原则，采集模块选取n个角度探测器组采集散射光信号，经参考光信号修正后分别记为

RP-3中混合颗粒包含有n种成分，质量浓度分别为C′

将以上线性方程组用矩阵的形式表示，即为：

当满足n≤l且质量灵敏度为n×l的矩阵条件时，依据综合最小残差原则选取n个探测角度下混合颗粒的散射光信号，与质量灵敏度解耦计算，即可解得n种颗粒各自的质量浓度，进而算得RP-3中固体颗粒质量浓度和水含量。

参照图2，本发明涉及一种基于多角度光散射法的混合颗粒质量浓度在线测量，其光学测量系统包括光源模块、测量区域、多角度散射光采集模块、光陷阱5、参考光路和数据采集系统9；

所述光源模块包括依次布置的He-Ne激光器1、扩束镜2和可变光阑3；扩束镜2用于调节光束发散角，可变光阑3用于进一步滤除发散光；

所述多角度散射光采集模块包括多个采集单元，每个采集单元均包括依次布置的可变光阑6、透镜7和硅光电探测器8，多个采集单元围绕被测区布置；可变光阑6用于调节采光立体角，透镜7用于聚集散射光；

所述参考光路包括分光棱镜11和硅光电探测器12，硅光电探测器12采集分光棱镜11发出的光；

所述光陷阱5设置在被测区的出射光线上；

所述数据采集系统9与所述参考光路、多角度散射光采集模块均电连接。

本发明的原理为：首先，通过参考光路探测参考光信号修正散射光信号，其次，选取多个探测角度，涵盖了前向、侧向和后向散射角，采集已知浓度混合颗粒的散射光信号，标定混合颗粒各组分在各探测角度下的质量灵敏度矩阵，然后依据综合最小残差原则选取多角度探测组，最后将多角度探测组采集的混合颗粒散射光信号的修正值代入线性方程组，解得RP-3中各种颗粒物的质量浓度，进而得到固体颗粒质量浓度和水含量。

所述光学测量系统工作过程如下：硅光电探测器8置于可变光阑6和透镜7之后，组成多角度测量光学臂；电动转台13载测量光学臂转到确定的探测角度后，光源1发出入射光束，经扩束镜2扩束和减小发散角后，再经可变光阑3滤除部分弱能光，形成较为理想的能量均匀的单色平行光，然后分光棱镜11分束为参考光和测量光，参考光被硅光电探测器12接收，测量光入射样品池4使颗粒群发出散射光，探测器8将散射信号传递给数据采集系统9，透射的测量光被光陷阱5接收，避免在暗室产生新的环境杂散光。

以上标定过程和测量过程中，散射光信号被多角度散射光探测模块获取并修正后，均被传送至中心控制站进行处理和计算，光电探测器的快速响应和中心控制站强大的计算能力，保证了散射光信号获取、处理和计算的时效性，实现了多种类颗粒物质量浓度的在线测量。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。