王洪濤 劉智敏 徐振忠 徐曉龍 楊丹

中國電子科技集團(tuán)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(dòng)，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(zhǔn)確檢測對(duì)理論研究及實(shí)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(xiàng)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(diǎn)。因此，本文基于熱容原理，結(jié)合某航天器實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種小管徑氣液兩相流傳感器，用于識(shí)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(shí)，傳感器輸出電壓低壓信號(hào)；管路內(nèi)氣體體積大于測量管段體積的80%時(shí)，傳感器輸出高壓信號(hào)。

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(jìn)行設(shè)計(jì)。在傳感器進(jìn)口處設(shè)計(jì)鉑電阻作為參比電阻，在出口處設(shè)計(jì)工作鉑電阻、加熱器復(fù)合結(jié)構(gòu)。根據(jù)流動(dòng)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(dòng)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(jìn)口當(dāng)管道內(nèi)是液體流動(dòng)時(shí)，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(shí)候，出口處溫度高于進(jìn)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(dá)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(jì)

2.1 電極設(shè)計(jì)

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(shí)，鉑電阻底端面點(diǎn)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(jì)如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(qiáng)度高、相容性好、耐氧化等特點(diǎn)，選用鈦合金保證了傳感器結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shí)設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

2.3 加熱電路設(shè)計(jì)

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(dòng)液體（無液體或液體不流動(dòng)）狀態(tài)時(shí)，傳感器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的溫升，會(huì)對(duì)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(bào)警信號(hào)的同時(shí)，對(duì)加熱器的加熱功率進(jìn)行降低調(diào)整，因此，在電路里設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)調(diào)整加熱功率的目標(biāo)。

調(diào)理信號(hào)輸出電平（加熱器控制電壓Vc）小于U1B負(fù)端電壓時(shí)，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(hào)輸出電平（加熱器控制電壓Vc）大于U1B負(fù)端電壓時(shí)，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(dòng)及無液體時(shí)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(jì)

依據(jù)傳感器工作原理設(shè)計(jì)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(shí)，因?yàn)橐后w的熱容率大，流動(dòng)時(shí)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(hào)輸出電壓值小于加熱電路中放大器的U1B負(fù)端電壓值，使其輸出低電壓；當(dāng)有液體不流動(dòng)或只有氣體時(shí)，由于液體不流動(dòng)時(shí)帶走熱量少，氣體熱容率小，流動(dòng)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(hào)輸出電壓值大于加熱電路中放大器的U1B負(fù)端電壓值，使其輸出高電壓。

2.5 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的傳感器測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由壓縮空氣、質(zhì)量流量計(jì)、壓力測控儀、蠕動(dòng)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(dòng)泵，接著調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)使管路內(nèi)流動(dòng)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(jì)時(shí)，若此時(shí)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(shí)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(jì)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(jì)時(shí)，此時(shí)，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(shí)間通過指示器水溶液的重量為B2-B1，則可計(jì)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(dòng)泵使A2-A1質(zhì)量大小在100 g。通過設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)的流速大小來控制管道中氣液混合的比例，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的測量。

3 實(shí)驗(yàn)

按照上述設(shè)計(jì)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(jì)的測量系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 傳感器測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的傳感器可以實(shí)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(shí)，傳感器輸出低電壓信號(hào)值0 V；管路內(nèi)氣體體積大于測量管段體積的80%時(shí)，傳感器輸出高電壓信號(hào)值4 V。

4 結(jié)論

本文采用熱容原理設(shè)計(jì)了一種用于識(shí)別小管路內(nèi)氣液含量的傳感器。同時(shí)，依據(jù)氣液導(dǎo)熱差異在管路進(jìn)出口設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，傳感器輸出低電壓信號(hào)值 0 V；管路內(nèi)氣體體積大于測量管段體積的80%時(shí)，傳感器輸出高電壓信號(hào)值4 V。表明該傳感器可以較好地識(shí)別管路內(nèi)氣液含量。本文設(shè)計(jì)的傳感器具有耐腐蝕、響應(yīng)快等特點(diǎn)，可應(yīng)用于航天、動(dòng)力、化工等領(lǐng)域。