基于熱容原理的小管徑氣液兩相流傳感器設(shè)計

王洪濤 劉智敏 徐振忠 徐曉龍 楊丹

中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

0 前言

氣液兩相流為氣體與液體的混合流動，是兩相流中最為普遍的一種形式。在日常生活和工程設(shè)備中，氣液兩相流都廣泛存在，因此，其參數(shù)的有效準確檢測對理論研究及實際應(yīng)用均有著重要意義。氣液兩相流空隙率在兩相流測量中是一項重要參數(shù)，其測量方法有模型預(yù)測法、光學(xué)法、電學(xué)法、快關(guān)閥法、熱學(xué)法等[1-4]。其中，熱學(xué)法是一種基于接觸式檢測方法，具有結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣，能夠連續(xù)測量等特點。因此，本文基于熱容原理，結(jié)合某航天器實際應(yīng)用需求，設(shè)計了一種小管徑氣液兩相流傳感器，用于識別管路內(nèi)氣體體積含量。氣體的體積小于測量管段體積的50%時，傳感器輸出電壓低壓信號；管路內(nèi)氣體體積大于測量管段體積的80%時，傳感器輸出高壓信號。

1 傳感器的工作原理

傳感器利用液體與氣體具有不同的導(dǎo)熱性進行設(shè)計。在傳感器進口處設(shè)計鉑電阻作為參比電阻，在出口處設(shè)計工作鉑電阻、加熱器復(fù)合結(jié)構(gòu)。根據(jù)流動液體可以帶走較多的熱量，保持加熱器周圍的溫度升高幅度較低，基本保持不變，而流動的氣體由于導(dǎo)熱能力弱，加熱器周圍的溫升較高這一原理，在進口當(dāng)管道內(nèi)是液體流動時，溫度變化不大，兩鉑電阻阻值基本相同，產(chǎn)生的電壓差值很小，經(jīng)過比較器輸出低電壓；當(dāng)管道內(nèi)是氣體的時候，出口處溫度高于進口處，兩鉑電阻阻值相差大，產(chǎn)生的電壓差較大，經(jīng)過比較器輸出高電壓，從而達到分辨管道內(nèi)部氣液含量的目的[5]。

傳感器工作原理示意圖如圖1所示。

2 傳感器設(shè)計

2.1 電極設(shè)計

敏感電極采用鉑電阻、GD414膠、504膠、電極外殼、引線和氧化鋁粉制作而成。鉑電阻裝入電極外殼時，鉑電阻底端面點1 mm左右厚的GD414膠，鉑電阻裝于底部，并填入氧化鋁粉至電極外殼端頭4 mm處，然后用504膠粘劑灌封固化。傳感器電極部分設(shè)計如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器電極管路外部采用了鈦合金材料加工，因鈦合金具有耐蝕性好、耐熱性高、強度高、相容性好、耐氧化等特點，選用鈦合金保證了傳感器結(jié)構(gòu)強度和耐腐蝕性。傳感器結(jié)構(gòu)部分采用鋁合金材料加工，殼體與管路之間采用螺釘連接，同時設(shè)計密封結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖3所示。

2.3 加熱電路設(shè)計

由于液體和氣體的熱容及導(dǎo)熱速率差異較大，當(dāng)傳感器處于無流動液體（無液體或液體不流動）狀態(tài)時，傳感器內(nèi)會產(chǎn)生較大的溫升，會對傳感器本身的穩(wěn)定性和可靠性造成影響。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，在傳感器輸出報警信號的同時，對加熱器的加熱功率進行降低調(diào)整，因此，在電路里設(shè)計了加熱器控制電路，如圖4所示。電路采用恒流供電模式，通過調(diào)節(jié)控制電壓來調(diào)整加熱器的電流，實現(xiàn)調(diào)整加熱功率的目標。

調(diào)理信號輸出電平（加熱器控制電壓Vc）小于U1B負端電壓時，比較器U1B輸出低電平，三極管Q1不導(dǎo)通，電阻R2沒有并入分壓，加熱器電流大，保持加熱功率；調(diào)理信號輸出電平（加熱器控制電壓Vc）大于U1B負端電壓時，比較器U1B輸出高電平，使三極管Q1導(dǎo)通，電阻R2并入分壓電路，導(dǎo)致R6和R7的分壓降低，該電壓降低后，加熱器電流隨之降低，加熱功率減小。通過調(diào)整其降低的幅度來保持液體不流動及無液體時仍然能夠保持正確的狀態(tài)指示。

2.4 溫度調(diào)理電路設(shè)計

依據(jù)傳感器工作原理設(shè)計了如圖5所示的調(diào)理電路。圖中RT-L是參比測溫器，選取Pt1000鉑電阻，RT-H是加熱器測溫器，選取Pt1000鉑電阻。當(dāng)有液體流過時，因為液體的熱容率大，流動時帶走熱量多，所以RT-H測得的溫度較RT-L相差不大，可以調(diào)整信號輸出電壓值小于加熱電路中放大器的U1B負端電壓值，使其輸出低電壓；當(dāng)有液體不流動或只有氣體時，由于液體不流動時帶走熱量少，氣體熱容率小，流動的氣體帶走熱量也少，所以RT-H測得的溫度較RT-L高很多，可以調(diào)整信號輸出電壓值大于加熱電路中放大器的U1B負端電壓值，使其輸出高電壓。

2.5 測量系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的傳感器測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由壓縮空氣、質(zhì)量流量計、壓力測控儀、蠕動泵、天平、燒杯等組成。測量系統(tǒng)如圖6所示。

測量方法為：首先把天平調(diào)零，然后調(diào)節(jié)蠕動泵，接著調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計使管路內(nèi)流動的全部是液體介質(zhì)原溶液，當(dāng)水溶液全部充滿管道后開始計時，若此時燒杯及燒杯內(nèi)的水溶液重量測量為A1，在1 min后測量流入到右邊燒杯內(nèi)的水溶液及燒杯重量為A2，1 min時間通過指示器水溶液的重量為A2-A1；調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計管路內(nèi)混入氣體，當(dāng)管道內(nèi)氣液混合體完全通過管道后開始計時，此時，燒杯及燒杯內(nèi)的水溶液重量測量為B1，1 min后測量流入到燒杯內(nèi)的水溶液及燒杯重量為B2，1 min時間通過指示器水溶液的重量為B2-B1，則可計算出管路內(nèi)水溶液所占比例為（B2-B1）/（A2-A1）×100%。調(diào)節(jié)蠕動泵使A2-A1質(zhì)量大小在100 g。通過設(shè)置質(zhì)量流量計的流速大小來控制管道中氣液混合的比例，從而實現(xiàn)傳感器的測量。

3 實驗

按照上述設(shè)計方案研制生產(chǎn)了2只傳感器，工作電壓為28 VDC，采用設(shè)計的測量系統(tǒng)進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 傳感器測試結(jié)果

實驗結(jié)果表明：設(shè)計的傳感器可以實現(xiàn)管路內(nèi)氣液混合氣體的測量，氣體的體積小于測量管段體積的50%時，傳感器輸出低電壓信號值0 V；管路內(nèi)氣體體積大于測量管段體積的80%時，傳感器輸出高電壓信號值4 V。

4 結(jié)論

本文采用熱容原理設(shè)計了一種用于識別小管路內(nèi)氣液含量的傳感器。同時，依據(jù)氣液導(dǎo)熱差異在管路進出口設(shè)計了參比鉑電阻、工作鉑電阻、加熱器復(fù)合結(jié)構(gòu)。采用加熱電路、溫度調(diào)節(jié)電路實現(xiàn)了傳感器的測量。在傳感器測試中表明，氣體的體積小于測量管段體積的50%時，傳感器輸出低電壓信號值 0 V；管路內(nèi)氣體體積大于測量管段體積的80%時，傳感器輸出高電壓信號值4 V。表明該傳感器可以較好地識別管路內(nèi)氣液含量。本文設(shè)計的傳感器具有耐腐蝕、響應(yīng)快等特點，可應(yīng)用于航天、動力、化工等領(lǐng)域。