基于光電通信原理對氣態流體狀態的判定

孟祥忠

摘 要：該設計構想是基于光通信原理來測非透明管道內的氣態流體流速狀態。本設計構思主要介紹通過透明管道氣態流體內部的流體紊亂變動，形成不同程度的折射率，再由激光照射，經過紊亂氣態流體的折射，其激光就會因紊亂氣態流體的流動而頻繁改變傳播路徑或過濾程度，形成被調制的光信號，再由光電調制器轉換成音頻信號而判別氣態流體狀態。

關鍵詞：光通信原理；光信號；光電調制器；氣態流體

引言

在很多大學實驗室測定流體狀態的方法大多是采用觀察有色流體在非同色流體中的狀態來判定層流和紊流。這種方法雖然直觀，但準確率差，有時候所獲得的數據并不準確。本設計構思是基于光通信原理一種新穎的測試法，解決了實驗室內采用通過透明管道來觀察管中有色流體細小流線的變化而判斷流體狀態的不足，具有更好地實踐性和實用性。本設計實驗可以實現對流體狀態的實時監控，再配合報警裝置可以應用于生活中的諸多方面。

實驗原理：

本實驗的主要原理是光通信原理與管道內流體狀態隨流速的變化而變化的構成。

對于氣態流體（本實驗采用空氣），由于氣態流體屬于可壓縮性流體，其密度會發生改變。由其氣體一元流動連續性方程pvA=常量（質量流量），可知對于任意兩斷面內的質量流量是相等的。對其微分得：

由此公式可知，當流速小于音速時即馬赫數M<1，速度增加，密度就會減小，從而可知氣態流體流速的變化會導致管道氣體的密度的變化，從而導致不同的折射率，判斷其流體狀態。被調制的光信號可有各種方法實現，基于本實驗的目的，就是通過管道內部氣態流體的紊亂變化或氣態流體密度變化導致水的折射率發生變化，繼而產生變化的光信號。產生的被調制的光信號的照射在硅光電池上，利用硅光電池能夠使光信號轉化成電信號的能力，將產生不同的電信號，再有導線連接入放大器。通過放大器的放大作用，接入示波器中，在示波器的屏幕上將產生不同幅度不同的波形，通過觀察波形來判斷流體狀態。（實驗設計如圖1）

實驗過程與結果：

當氣態流體流量較大時，氣態流體處于紊流狀態，那么通過的激光信號的波動情況比較復雜和頻繁，相應形成的電信號也將產生較大的變化，通過在示波器的顯示器上可以看出波動比較復雜（如圖2）；而當氣態流體處于層流狀態時，水體的波動不是太大，那么通過管道形成的光信號就比較平穩，相應形成的電信號也比較平穩，顯示在示波器上的波動情況也是總體平穩的。由此可以得出，氣態流體從紊流狀態到層流狀態的波動情況不一樣，那么由紊流到層流的轉變就會在示波器上形成不一樣的波形，在紊流波形與層流波形之間的過渡點就是臨界點，即雷諾數時的氣態流體狀態。（如圖2所示）

展望與前景：

本實驗設計不僅直觀的展現出層流到紊流的變化過程，而且對待測定流體無污染，對一些要求較高的流體能夠進行非接觸，非污染的測量，不擾動原有的流體流場。本實驗設計可以替換現在用有色細小水流判斷流體狀態的實驗，克服了原有實驗不準確，不宜觀察的缺點。如果加以改進，可以運用到一些流體報警裝置中。

參考文獻

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