基于金屬網格傳感器的液滴檢測裝置設計

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 中國航天員科研訓練中心，北京 100094)

基于金屬網格傳感器的液滴檢測裝置設計

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 中國航天員科研訓練中心，北京 100094)

摘要:為實現微重力環境下氣液兩相流的液滴檢測，采用49×49點陣的金屬網格傳感器，基于網格電極間的局部瞬時電導變化原理，實現管道截面液滴分布和個數統計。將控制采集和數據處理分別交由FPGA和DSP并行處理的設計方式，解決了系統實時在線測量問題。實驗結果表明：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。

關鍵詞：氣液兩相流；微重力；液滴檢測；金屬網格傳感器；局部瞬時電導

0引言

在載人航天器的流體管理系統與航天員生命保障系統中，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，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，將給航天員生命及設備帶來安全隱患[1]。液滴檢測裝置安裝于水氣分離設備出口處，用于測量微重力環境下管道氣流中液滴含量多少[2]，為監測和評價水氣分離設備的工作性能提供可靠依據。

微重力環境下，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境相比大為簡單的特征：流體的沉降和分層現象基本消除，流型相對于流道中心具有一定對稱性[3]。因此，微重力環境下的液滴測量方法應盡可能不受流型影響，這是一個應用于載人航天器系統的基本要求[4～6]。

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

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

1系統組成與工作原理

液滴檢測裝置的系統組成如圖1所示。裝置主要由網格傳感器和檢測控制器兩部分組成。根據水氣二相混合的局部瞬時電導變化原理，當網格傳感器所處的被測管道內只有空氣時，各交叉網格點的電極之間并不導通；當有水氣混合流體通過時，因水具有導電性，局部網格點的行列電極間則處于導通狀態。當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分布。

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

2系統硬件設計

2.1網格傳感器設計

網格傳感器是實現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，傳感器的網格設計間距是3.5 mm，兩個平面間距為3.5 mm，在空間上垂直交叉構成49×49個網格點陣。網格探頭垂直管道截面安裝。

為減小網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緊后安裝，以確保金屬絲在熱脹冷縮時不改變設計間距，進而不影響檢測分辨率。此設計結構可拆卸組裝，方便產品的維修更換。

圖2　液滴檢測裝置照片Fig 2　Photo of drop detection equipment

2.2檢測控制器設計

液滴檢測控制器是實現檢測功能的“大腦”級組件。設計首先采用專門的信號調理電路將流經網格探頭的液滴有無轉換為數字量信息，避免了直接對金屬網格電極間的電導進行模/數轉換(ADC)和采集，有效提高了系統的響應速度；其次通過現場可編程門陣列(FPGA)模塊控制產生網格傳感器所需的激勵掃描信號，在對行絲進行激勵期間，FPGA并行采集各列金屬絲的響應信號；通過先入先出(FIFO)數據交換數字信號處理器(DSP)對采集數據進行計算處理，統計單位時間內的液滴含量，經數字通信輸出檢測結果。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數據的統計處理問題。

為確保液滴檢測不被復檢和漏檢，液滴檢測器的控制時序必須符合實際應用工況。因最小待檢液滴直徑為5 mm，網格傳感器的行絲與列絲平面間距為3.5 mm，工質流速為9.0 m/s，設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時間內完成49行掃描激勵、49列響應信號的并行采集，包括相鄰行激勵之間的延時及液滴數據存入FIFO的時間，檢測器的FPGA模塊對網格傳感器的控制時序必須滿足這一指標要求。

FPGA硬件設計主要包括系統各功能單元設計和構建基于Nios II軟核處理器的嵌入式片上系統，這部分工作在Altera的Quartus II軟件開發包中完成。如圖3所示，FPGA模塊主要實現以下功能：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理電路轉換，輸出一個適合液滴檢測的激勵脈沖施加到傳感器行絲上；在激勵脈沖發出后，傳感器列絲的電導分布信息由響應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系統軟件設計

系統軟件分為兩部分，其流程圖如圖4所示。

圖4　系統軟件流程圖Fig 4　Flow chart of system software

第一部分是FPGA的基于Nios II的嵌入式片上系統的軟件設計，這一部分在Altera專用集成開發環境Nios II IDE中完成，采用VHDL硬件描述語言設計，主要完成激勵信號控制、行掃描控制、響應信號讀取存放等程序編寫。液滴檢測裝置加電并完成復位后，FPGA內部各功能單元自動進入工作狀態：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列響應信號采集，并將采集數據放入FIFO中。

第二部分是DSP處理器的軟件設計編程，這一部分在TI的 DSP芯片的CCS開發環境中完成，采用C語言和匯編的混合編程方法，主要完成：與FIFO的數據交換、液滴數據處理、定時器中斷和數據通信輸出。處理器在完成復位后，啟動定時器開始2 s定時，判定數據交互通道FIFO狀態，以其半滿標志為起始運行點，當FIFO處于半滿狀態時，連續讀取FIFO中數據，之后，啟動運算處理程序，當2 s定時時間到，則將2 s內采集到的液滴統計個數通過數字接口輸出。

4實驗結果

微重力環境下，從噴頭中噴出的水總是飄浮在空中，產生大直徑液滴相對簡單。可是在地面模擬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，將氣流速度設定為零，將液滴從預定高度沿密閉透明管道自由落下產生所需的液滴速度。通過高速攝像機對透明管道內的液滴進行跟蹤監測，以明確液滴下落到傳感器的金屬網格時的速度和直徑大小。

實驗通過混合器滴頭分別產生直徑為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，液滴檢測裝置連續采集16 s，將采集檢測到的液滴個數上傳到上位機，測試結果見表1。

從表1可以看出，對于直徑6.5 mm的液滴，出現檢測液滴個數大于實際下落個數；對于直徑5 mm的液滴，出現檢測液滴個數小于實際下落個數的情況。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，伴隨著一個連續不斷地翻轉過程，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，循環反復變化。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，因傳感器網格為3.5 mm×3.5 mm，所以，在檢測過程中會有同時導通2個或3個網格點的情況，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，在液滴到達網格表面時，液滴偏網格交叉點落下，傳感器電極導通時間小于液滴正中心接觸網格時的導通時間，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果

實驗結果表明：該液滴檢測裝置可以實現流速為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結束語

本文采用金屬網格電導技術用于液滴檢測，進行了相關設計和實驗驗證。采用基于電導原理進行液滴檢測，其檢測結果不受流體的流型影響，僅與液滴速度和直徑有關；通過直接將液滴的電導信號變成數字量，避免了對金屬網格電極間的電導進行模/數轉換和采集，有效提高了系統的響應速度；將控制采集和數據處理分別交由FPGA和DSP并行處理的設計方式，實現了裝置的實時在線測量。

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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。