李鳳玲，徐　波，王　冰，趙　玲，任國靜

(1.中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；2 中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

基于金屬網(wǎng)格傳感器的液滴檢測裝置設(shè)計

李鳳玲1，徐波2，王冰1，趙玲2，任國靜1

(1.中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；2 中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

摘要:為實現(xiàn)微重力環(huán)境下氣液兩相流的液滴檢測，采用49×49點陣的金屬網(wǎng)格傳感器，基于網(wǎng)格電極間的局部瞬時電導(dǎo)變化原理，實現(xiàn)管道截面液滴分布和個數(shù)統(tǒng)計。將控制采集和數(shù)據(jù)處理分別交由FPGA和DSP并行處理的設(shè)計方式，解決了系統(tǒng)實時在線測量問題。實驗結(jié)果表明：該裝置可實時捕捉流速為9.0 m/s、直徑不小于5 mm的液滴或液團，克服了常規(guī)檢測方法的不足，為評價水氣分離裝置的工作性能提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氣液兩相流；微重力；液滴檢測；金屬網(wǎng)格傳感器；局部瞬時電導(dǎo)

0引言

在載人航天器的流體管理系統(tǒng)與航天員生命保障系統(tǒng)中，必須有水氣分離裝置將水氣混合物進行分離，分離出的水重新投入循環(huán)，氣體則提供航天員呼吸和其它需要。若分離后的氣體中含有直徑較大的液滴或液團，一旦排入艙內(nèi)，將給航天員生命及設(shè)備帶來安全隱患[1]。液滴檢測裝置安裝于水氣分離設(shè)備出口處，用于測量微重力環(huán)境下管道氣流中液滴含量多少[2]，為監(jiān)測和評價水氣分離設(shè)備的工作性能提供可靠依據(jù)。

微重力環(huán)境下，重力作用被削弱甚至消失，其有效重力水平極低，氣液兩相流具有與常重力環(huán)境相比大為簡單的特征：流體的沉降和分層現(xiàn)象基本消除，流型相對于流道中心具有一定對稱性[3]。因此，微重力環(huán)境下的液滴測量方法應(yīng)盡可能不受流型影響，這是一個應(yīng)用于載人航天器系統(tǒng)的基本要求[4～6]。

目前，常重力條件下用于兩相流參數(shù)測量的方法主要有：聲波法、光學(xué)法、攝像法、電容法、熱學(xué)法、射線法等[7，8]。這些檢測技術(shù)和方法，大多處于實驗室研究階段，能真正應(yīng)用于工程的很少[9]：聲波法在常重力環(huán)境存在的問題在微重力環(huán)境依然存在；光學(xué)法和攝像法要求管壁透明，限制了其應(yīng)用范圍，且攝像法不能實時在線測量；電容法和熱學(xué)法適合測量內(nèi)徑較小的管道流體，其測量結(jié)果受流型影響；射線法安全性差，不便于安裝維護[10]。

針對常規(guī)檢測方法的不足，在借鑒國外新推出的金屬網(wǎng)格傳感器的特點及資料基礎(chǔ)上，設(shè)計了49×49點陣的金屬網(wǎng)格傳感器，用于檢測直徑不小于5 mm的液滴含量檢測，測量管道內(nèi)徑為180 mm，工質(zhì)為氧氣和水滴的混合物，流體速度9.0 m/s。該檢測技術(shù)基于金屬網(wǎng)格電極在水氣兩相流的局部瞬時電導(dǎo)變化原理進行液滴檢測，測量結(jié)果不受流體流型影響，適合較粗管道的實時在線測量。

1系統(tǒng)組成與工作原理

液滴檢測裝置的系統(tǒng)組成如圖1所示。裝置主要由網(wǎng)格傳感器和檢測控制器兩部分組成。根據(jù)水氣二相混合的局部瞬時電導(dǎo)變化原理，當(dāng)網(wǎng)格傳感器所處的被測管道內(nèi)只有空氣時，各交叉網(wǎng)格點的電極之間并不導(dǎo)通；當(dāng)有水氣混合流體通過時，因水具有導(dǎo)電性，局部網(wǎng)格點的行列電極間則處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)檢測控制器逐行掃描完所有行金屬絲后，一個完整的列絲響應(yīng)值矩陣被存儲起來，這個矩陣描述了測量時刻的管道截面液滴的二維電導(dǎo)分布。

圖1　液滴檢測裝置系統(tǒng)組成圖Fig 1　System composition diagram of drop detection equipment

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1網(wǎng)格傳感器設(shè)計

網(wǎng)格傳感器是實現(xiàn)液滴檢測的敏感組件，它由49行和49列位于不同平面的金屬絲電極構(gòu)成，如圖2所示。為確保直徑5 mm的液滴能被捕捉到，傳感器的網(wǎng)格設(shè)計間距是3.5 mm，兩個平面間距為3.5 mm，在空間上垂直交叉構(gòu)成49×49個網(wǎng)格點陣。網(wǎng)格探頭垂直管道截面安裝。

為減小網(wǎng)格金屬絲對管道流阻的影響，兼顧金屬絲長期使用的可靠性，選用直徑0.3 mm的不銹鋼絲作金屬電極材料。每根金屬絲通過彈簧預(yù)緊后安裝，以確保金屬絲在熱脹冷縮時不改變設(shè)計間距，進而不影響檢測分辨率。此設(shè)計結(jié)構(gòu)可拆卸組裝，方便產(chǎn)品的維修更換。

圖2　液滴檢測裝置照片F(xiàn)ig 2　Photo of drop detection equipment

2.2檢測控制器設(shè)計

液滴檢測控制器是實現(xiàn)檢測功能的“大腦”級組件。設(shè)計首先采用專門的信號調(diào)理電路將流經(jīng)網(wǎng)格探頭的液滴有無轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息，避免了直接對金屬網(wǎng)格電極間的電導(dǎo)進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和采集，有效提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；其次通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)模塊控制產(chǎn)生網(wǎng)格傳感器所需的激勵掃描信號，在對行絲進行激勵期間，F(xiàn)PGA并行采集各列金屬絲的響應(yīng)信號；通過先入先出(FIFO)數(shù)據(jù)交換數(shù)字信號處理器(DSP)對采集數(shù)據(jù)進行計算處理，統(tǒng)計單位時間內(nèi)的液滴含量，經(jīng)數(shù)字通信輸出檢測結(jié)果。通過各功能模塊獨立并行處理的方法，很好地解決了液滴檢測的高速實時采集和后續(xù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理問題。

為確保液滴檢測不被復(fù)檢和漏檢，液滴檢測器的控制時序必須符合實際應(yīng)用工況。因最小待檢液滴直徑為5 mm，網(wǎng)格傳感器的行絲與列絲平面間距為3.5 mm，工質(zhì)流速為9.0 m/s，設(shè)檢測裝置能有效捕捉探頭截面液滴的時間為Tc，則有

Tc≤(5-3.5)/9.0=167 μs

(1)

檢測器要在167 μs時間內(nèi)完成49行掃描激勵、49列響應(yīng)信號的并行采集，包括相鄰行激勵之間的延時及液滴數(shù)據(jù)存入FIFO的時間，檢測器的FPGA模塊對網(wǎng)格傳感器的控制時序必須滿足這一指標(biāo)要求。

FPGA硬件設(shè)計主要包括系統(tǒng)各功能單元設(shè)計和構(gòu)建基于Nios II軟核處理器的嵌入式片上系統(tǒng)，這部分工作在Altera的Quartus II軟件開發(fā)包中完成。如圖3所示，F(xiàn)PGA模塊主要實現(xiàn)以下功能：激勵信號控制和行掃描控制單元定時輸出一組控制脈沖，控制脈沖通過外部行調(diào)理電路轉(zhuǎn)換，輸出一個適合液滴檢測的激勵脈沖施加到傳感器行絲上；在激勵脈沖發(fā)出后，傳感器列絲的電導(dǎo)分布信息由響應(yīng)信號讀取單元采集并存入FIFO緩沖單元中。

圖3　FPGA模塊的功能框圖Fig 3　Function diagram of FPGA module

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分為兩部分，其流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖Fig 4　Flow chart of system software

第一部分是FPGA的基于Nios II的嵌入式片上系統(tǒng)的軟件設(shè)計，這一部分在Altera專用集成開發(fā)環(huán)境Nios II IDE中完成，采用VHDL硬件描述語言設(shè)計，主要完成激勵信號控制、行掃描控制、響應(yīng)信號讀取存放等程序編寫。液滴檢測裝置加電并完成復(fù)位后，F(xiàn)PGA內(nèi)部各功能單元自動進入工作狀態(tài)：自動完成脈沖信號輸出控制和49行脈沖掃描控制；在脈沖信號有效期間，自動完成49列響應(yīng)信號采集，并將采集數(shù)據(jù)放入FIFO中。

第二部分是DSP處理器的軟件設(shè)計編程，這一部分在TI的 DSP芯片的CCS開發(fā)環(huán)境中完成，采用C語言和匯編的混合編程方法，主要完成：與FIFO的數(shù)據(jù)交換、液滴數(shù)據(jù)處理、定時器中斷和數(shù)據(jù)通信輸出。處理器在完成復(fù)位后，啟動定時器開始2 s定時，判定數(shù)據(jù)交互通道FIFO狀態(tài)，以其半滿標(biāo)志為起始運行點，當(dāng)FIFO處于半滿狀態(tài)時，連續(xù)讀取FIFO中數(shù)據(jù)，之后，啟動運算處理程序，當(dāng)2 s定時時間到，則將2 s內(nèi)采集到的液滴統(tǒng)計個數(shù)通過數(shù)字接口輸出。

4實驗結(jié)果

微重力環(huán)境下，從噴頭中噴出的水總是飄浮在空中，產(chǎn)生大直徑液滴相對簡單?？墒窃诘孛婺M高速氣流中攜帶的液滴卻很困難，為了盡量保證液滴的直徑大小和完整性，實驗時，將氣流速度設(shè)定為零，將液滴從預(yù)定高度沿密閉透明管道自由落下產(chǎn)生所需的液滴速度。通過高速攝像機對透明管道內(nèi)的液滴進行跟蹤監(jiān)測，以明確液滴下落到傳感器的金屬網(wǎng)格時的速度和直徑大小。

實驗通過混合器滴頭分別產(chǎn)生直徑為6.5 mm和5 mm的實驗液滴。使液滴從4.2 m高度近似自由落體方式滴下，液滴下落到傳感器網(wǎng)格時的速度為(9.0±0.2)m/s。液滴下落頻率由滴頭匯聚的液滴自然落下決定，液滴檢測裝置連續(xù)采集16 s，將采集檢測到的液滴個數(shù)上傳到上位機，測試結(jié)果見表1。

從表1可以看出，對于直徑6.5 mm的液滴，出現(xiàn)檢測液滴個數(shù)大于實際下落個數(shù)；對于直徑5 mm的液滴，出現(xiàn)檢測液滴個數(shù)小于實際下落個數(shù)的情況。從攝像機的視頻圖像看：在重力和空氣阻力的共同作用下，液滴在下落時，伴隨著一個連續(xù)不斷地翻轉(zhuǎn)過程，液滴形狀也隨之不斷變化，由圓形變成橢圓形，再由橢圓形變回球形，循環(huán)反復(fù)變化。直徑6.5 mm液滴，在下落過程中，直徑在5.4～6.6 mm之間變化；直徑5.0 mm液滴，在下落過程中，直徑在4.6～5.1 mm之間變化。對于液滴檢測裝置來說，能否捕捉到該液滴，取決于液滴到達探頭網(wǎng)格時的縱向直徑大小，縱向直徑越大越容易捕捉到。對于直徑6.5 mm液滴，因傳感器網(wǎng)格為3.5 mm×3.5 mm，所以，在檢測過程中會有同時導(dǎo)通2個或3個網(wǎng)格點的情況，即一個大液滴被等效成幾個較小的液滴。對于直徑5 mm的液滴，直徑有時為4.8 mm，在液滴到達網(wǎng)格表面時，液滴偏網(wǎng)格交叉點落下，傳感器電極導(dǎo)通時間小于液滴正中心接觸網(wǎng)格時的導(dǎo)通時間，因此有液滴被漏檢的情況，這是符合實際情況的。

表1　不同直徑液滴測試結(jié)果

實驗結(jié)果表明：該液滴檢測裝置可以實現(xiàn)流速為9.0 m/s的直徑不小于5 mm的液滴或液團的實時在線檢測。

5結(jié)束語

本文采用金屬網(wǎng)格電導(dǎo)技術(shù)用于液滴檢測，進行了相關(guān)設(shè)計和實驗驗證。采用基于電導(dǎo)原理進行液滴檢測，其檢測結(jié)果不受流體的流型影響，僅與液滴速度和直徑有關(guān)；通過直接將液滴的電導(dǎo)信號變成數(shù)字量，避免了對金屬網(wǎng)格電極間的電導(dǎo)進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和采集，有效提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；將控制采集和數(shù)據(jù)處理分別交由FPGA和DSP并行處理的設(shè)計方式，實現(xiàn)了裝置的實時在線測量。

參考文獻:

[1]何峰,顏志紅.基于紅外技術(shù)的氣液兩相流空隙率測量技術(shù)研究[J].載人航天,2013,19(1):58-62.

[2]趙建福,解京昌,林海,等.常重力和低重力條件下氣液兩相流實驗研究[J].中國科學(xué):E輯,2002,32(4):491-495.

[3]周文興,鄧一兵，周抗寒，等.氣液兩相流空隙率測量方法微重力環(huán)境應(yīng)用研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(10):16-19.

[4]Marco Jose da Silva,Uwe Hampel.Capacitance wire-mesh sensor applied for the visualization of three-phase gas-liquid-liquid flow-s[J].Flow Measurement and Instrumentation,2013,11(34):113-117.

[5]Marashdeh Q,Warsito W,Fan L S,et al.A multimodal tomography system based on ECT sensors[J].IEEE Sensors J,2007(7):426-433.

[6]Zhang Zhiqiang,Bieberle Martina.Investigation of upward concurrent gas-liquid pipe flow using ultrafast X-ray tomography and wire-mesh sensor[J].Flow Measurement and Instrumentation,2013,32(8):111-118.

[7]Kanai T,Furuya M,Arai T.Three-dimensional phasic velocity determination methods with wire-mesh sensor[J].International Journal of Multiphase Flow,2012,46(11):75-86.

[8]Hafeli R,Hutter C.Dispersion in fully developed flow through regular porous structures:Experiments with wire-mesh sensor-s[J].Chemical Engineering and Processing:Process Intensification,2013,69(7):104-111.

[9]Abdulkadir M,Hernandez-Perez V.Detailed analysis of phase distributions in a vertical riser using wire mesh sensor(WMS)[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2014,59(11):32-42.

[10] Ronald E Vieira,Netaji R Kesana.Experimental investigation of the effect of 90° standard elbow on horizontal gas-liquid stratified and annular flow characteristics using dual wire-mesh sensor-s[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2014,59(11):72-87.

Design of drop detection equipment based on metal mesh sensor

LI Feng-ling1，XU Bo2，WANG Bing1，ZHAO Ling2，REN Guo-jing1

(1.49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China;2.Astronaut Center of China,Beijing 100094,China)

Abstract:To realize drop detection of air-liquid two-phase flow in microgravity,equipment is designed use metal mesh sensor with dot matrix of 49×49，drop distribution and number statistics of pipe cross section are realized based on principle of local instantaneous conductivity changes between mesh electrodes.The design mode that control collection and data processing separately taken up by FPGA and DSP processing concurrently,which can resolve the problem of real-time online measurement.The experiment results show that,the equipment can realtime capture liquid drops or group with velocity of 9.0 m/s and diameter within 5 mm,it overcomes shortcomings of general detection method,and provides reliable basis for evaluating working performance of water gas separation device.

Key words:gas-liquid two-phase flow；microgravity；drop detection；metal mesh sensor；local instantaneous conductivity

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0060—04

收稿日期：2016—04—07

中圖分類號：TP 212

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0060—04

作者簡介:

李鳳玲(1972-)，女，黑龍江德都人，碩士，研究方向為模式識別與智能系統(tǒng)。