氣液兩相流紅外檢測(cè)技術(shù)研究

顏志紅，何 峰，謝貴久，張建國(guó)，肖友文，袁云華，宋祖殷

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，長(zhǎng)沙410111;2.空軍駐湖南地區(qū)軍代室，長(zhǎng)沙410110)

1 引言

氣液兩相流檢測(cè)技術(shù)主要用來(lái)測(cè)量?jī)上嗔黧w空隙率、流量、濃度等參數(shù)，在動(dòng)力工程、石化工程、原子能工程、航天工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［1-2］。

在空間站電解制氧裝置中，陽(yáng)極電解出來(lái)的氧氣在失重狀態(tài)下會(huì)攜帶一部分液態(tài)水，形成氣液兩相態(tài)的流體，裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)的氣液分離裝置，將O2/H2O分離，保證宇航員安全呼吸。若檢測(cè)氧氣流中的液態(tài)水超過(guò)某一安全閥值后，可以判定O2/H2O分離裝置沒(méi)有正常工作，需要關(guān)閉電解制氧系統(tǒng)，防止安全事故發(fā)生。因此，氣液兩相流檢測(cè)系統(tǒng)(氣流中液態(tài)水含量檢測(cè))是我國(guó)空間站中電解制氧系統(tǒng)不可缺少的部件，以其快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)氧氣流中的水滴含量，實(shí)現(xiàn)空間站正常安全供氧，對(duì)載人航天安全保障起著重要的作用。

由于兩相流動(dòng)比單相流動(dòng)不僅流動(dòng)特性復(fù)雜，且相間存在界面效應(yīng)和相對(duì)速度，致使參數(shù)檢測(cè)難度較大。目前，研究較多的測(cè)量方法多涉及新技術(shù)［3］:如輻射吸收法、激光多普勒技術(shù)、核磁共振技術(shù)、電學(xué)阻抗法等，這些檢測(cè)技術(shù)和方法大都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，工業(yè)應(yīng)用型的還比較少。紅外檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣液兩相流參數(shù)測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明方法是有效的，測(cè)量精度滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

2 紅外檢測(cè)工作原理

紅外檢測(cè)的理論基礎(chǔ)為比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律［4］，利用水對(duì)特定紅外光具有強(qiáng)的吸收這一性質(zhì)為依據(jù)，即紅外輻射通過(guò)測(cè)試管路后的光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I0之比與吸收物質(zhì)(H2O)的濃度C、厚度d及消光系數(shù)K之間有如下關(guān)系:

式中:I—通過(guò)樣品后的光強(qiáng);

I0—入射光強(qiáng);

K—消光系數(shù);

C—吸收物質(zhì)的濃度;

d—吸收物質(zhì)的厚度。

由式(1)可知，透射光強(qiáng)隨著待測(cè)物質(zhì)濃度C的增大而減少，以此來(lái)檢測(cè)待測(cè)物質(zhì)的濃度分布。圖1表示紅外光檢測(cè)的原理圖。

圖1 紅外光檢測(cè)原理圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

兩相流紅外傳感器，基于水對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光的強(qiáng)吸收特性，而氧氣對(duì)紅外光不吸收的原理，采用對(duì)射式光路，設(shè)計(jì)光源驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)，并通過(guò)恒溫控制電路，抗干擾設(shè)計(jì)等來(lái)提高傳感器的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。

3.1 紅外驅(qū)動(dòng)

紅外發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路采用PWM方法代替機(jī)械斬波，使得光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。PWM方式不僅增大紅外發(fā)光二極管的瞬時(shí)發(fā)射功率，提高發(fā)射效率，而且紅外發(fā)光二極管工作在脈沖狀態(tài)，可降低紅外發(fā)射平均功率，增強(qiáng)抗干擾能力，加大紅外作用距離，延長(zhǎng)其使用壽命。

系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的NE555實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的調(diào)制。555定時(shí)器［5］是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成多諧波振蕩器。MOS型場(chǎng)效應(yīng)管采用IRF540，具有導(dǎo)通電阻小、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)紅外光源狀態(tài)的迅速轉(zhuǎn)變提供條件。圖2為脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射的原理圖。

圖2 脈寬調(diào)制原理圖

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

紅外探測(cè)器探測(cè)特定的紅外光，并轉(zhuǎn)化為微弱的光電流信號(hào)，但此過(guò)程噪聲干擾較大，要從噪聲中提出有用的信號(hào)是紅外檢測(cè)的關(guān)鍵。為了保證微弱信號(hào)能夠被精確放大，同時(shí)不產(chǎn)生新的誤差和干擾，必須考慮測(cè)量放大電路和轉(zhuǎn)化電路的匹配及其自身的性能。

光電探測(cè)器在沒(méi)有光信號(hào)輸入時(shí)，仍然會(huì)產(chǎn)生光電流，稱為光電探測(cè)器的“暗電流”。暗電流是由于探測(cè)器的寄生電阻和偏置電壓共同作用的結(jié)果，采用無(wú)偏置結(jié)構(gòu)能有效避免暗電流的產(chǎn)生。將二極管微弱的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，前置放大電路要針對(duì)不同的探測(cè)器做特殊調(diào)試(取決于R0值和頻率范圍)。電路原理如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

3.3 TEC控制模塊

紅外檢測(cè)的精度受紅外發(fā)射光源的穩(wěn)定性影響很大，要求光源具有很高的光功率和光譜穩(wěn)定性，而光源的穩(wěn)定性又主要受到環(huán)境溫度的影響。紅外發(fā)射二極管組件由紅外發(fā)光管管芯、半導(dǎo)體熱電致冷器(TEC)、熱敏電阻組成。

TEC工作原理是以珀?duì)柼?yīng)為基礎(chǔ)，當(dāng)電流流過(guò)TEC時(shí)，熱量由TEC的一側(cè)傳送到另一側(cè)，表現(xiàn)為其一端致冷，另一端加熱;如果電流的方向反向，則致冷與加熱的兩端反轉(zhuǎn)，即原來(lái)加熱的一端變?yōu)橹吕洌吕湟欢俗優(yōu)榧訜帷囟瓤刂葡到y(tǒng)通過(guò)對(duì)熱敏電阻的監(jiān)測(cè)，自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)TEC的電流大小和方向，對(duì)紅外光源模塊加熱或致冷，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源內(nèi)部的溫度控制。

系統(tǒng)采用 MAX1978芯片［6］實(shí)現(xiàn)對(duì) TEC的控制，MAXl978是MAXIM公司研制用于半導(dǎo)體熱電致冷器模塊的最小、最精確的單片溫度控制器。通過(guò)一個(gè)斬波自穩(wěn)零儀表放大器和一個(gè)高精度的積分放大器，組成一個(gè)PID控制網(wǎng)絡(luò)，儀表放大器與熱敏電阻連接，MOSFET驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)PWM輸出。單片MAXl978實(shí)現(xiàn)TEC溫度控制原理如圖4所示。

圖4 TEC控制電路

3.4 抗干擾設(shè)計(jì)

紅外光源發(fā)射的紅外光透射測(cè)試管道，由于液態(tài)水顆粒的散射、反射、吸收等作用，然后通過(guò)探測(cè)器接收衰減后的紅外光，液態(tài)水滴越多，光強(qiáng)衰減的越多，所探測(cè)的信號(hào)就越小。如果外界附加的紅外光(外界紅外光源或較強(qiáng)的太陽(yáng)光)參與其中，以及內(nèi)部紅外光來(lái)回反射等因素，勢(shì)必對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

氣液兩相流管道選用藍(lán)寶石玻璃管，藍(lán)寶石玻璃管對(duì)紅外光具有極高的透射率，能夠減少紅外線的額外損耗，提高傳感器分辨率。此外，系統(tǒng)通過(guò)在結(jié)構(gòu)內(nèi)壁表面涂覆一層發(fā)黑涂料，使內(nèi)壁具有極高的紅外吸收率，減少管路中紅外光的來(lái)回反射，增加傳感器靈敏度。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在室溫(27℃)及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，用純凈、干燥的氧氣沖刷藍(lán)寶石管道后，測(cè)量管道內(nèi)紅外探測(cè)管的輸出值，隨后通入水含量為0～100%的水氣兩相流標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)比較涂覆發(fā)黑材料前后、TEC恒溫模塊開(kāi)啟前后的測(cè)量結(jié)果。

4.1 抗干擾對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響

表1中的試驗(yàn)結(jié)果表明，涂覆發(fā)黑材料后，紅外探測(cè)的信號(hào)比涂覆前有明顯的增強(qiáng)。發(fā)黑材料使得對(duì)射通道內(nèi)壁具有極高的紅外吸收率，減少流體管路中紅外光的來(lái)回反射，增加了傳感器的靈敏度。

表1 涂覆發(fā)黑材料前后測(cè)量結(jié)果

4.2 TEC模塊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

紅外發(fā)射管的光強(qiáng)隨溫度變化明顯，試驗(yàn)比較0～50℃之間，紅外檢測(cè)裝置是否加TEC控制模塊，輸出零點(diǎn)隨溫度變化情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，隨著溫度的升高，未加TEC控制的紅外發(fā)射管光強(qiáng)逐漸減弱，檢測(cè)信號(hào)也減少。而裝有TEC控制的紅外發(fā)射裝置，輸出信號(hào)受外界溫度變化的影響很小，TEC控制模塊維持紅外發(fā)射管工作環(huán)境的穩(wěn)定，保障了紅外發(fā)射光強(qiáng)的連續(xù)性。

圖5 零點(diǎn)輸出隨溫度變化影響

5 結(jié)束語(yǔ)

項(xiàng)目將紅外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于氣液兩相流的濃度參數(shù)測(cè)量并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論:

(1)水對(duì)特定波段的紅外光具有較好的吸收作用，兩相流中的氧氣基本不吸收紅外光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液兩相流水濃度的測(cè)量。

(2)抗干擾設(shè)計(jì)減少了雜散紅外光的影響，增強(qiáng)了紅外吸收，提高了紅外檢測(cè)的靈敏度。

(3)溫度對(duì)紅外檢測(cè)的精度和可靠性有較大影響，試驗(yàn)中加入TEC模塊后，提高了測(cè)量的穩(wěn)定性，保障傳感器在復(fù)雜環(huán)境下的正確應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)電解制氧裝置安全檢測(cè)需要。目前由于氣液兩相流標(biāo)定裝置還存在不少問(wèn)題，測(cè)量精度有待提高，下一步的主要研究工作是如何更準(zhǔn)確地模擬電解制氧裝置實(shí)際工況的氣液兩相流發(fā)生裝置，改進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以達(dá)到優(yōu)化測(cè)量方法的目的。

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