氣液兩相流紅外檢測技術研究

顏志紅，何 峰，謝貴久，張建國，肖友文，袁云華，宋祖殷

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，長沙410111;2.空軍駐湖南地區軍代室，長沙410110)

1 引言

氣液兩相流檢測技術主要用來測量兩相流體空隙率、流量、濃度等參數，在動力工程、石化工程、原子能工程、航天工程等領域具有廣泛的應用［1-2］。

在空間站電解制氧裝置中，陽極電解出來的氧氣在失重狀態下會攜帶一部分液態水，形成氣液兩相態的流體，裝置通過旋轉的氣液分離裝置，將O2/H2O分離，保證宇航員安全呼吸。若檢測氧氣流中的液態水超過某一安全閥值后，可以判定O2/H2O分離裝置沒有正常工作，需要關閉電解制氧系統，防止安全事故發生。因此，氣液兩相流檢測系統(氣流中液態水含量檢測)是我國空間站中電解制氧系統不可缺少的部件，以其快速、準確地監測氧氣流中的水滴含量，實現空間站正常安全供氧，對載人航天安全保障起著重要的作用。

由于兩相流動比單相流動不僅流動特性復雜，且相間存在界面效應和相對速度，致使參數檢測難度較大。目前，研究較多的測量方法多涉及新技術［3］:如輻射吸收法、激光多普勒技術、核磁共振技術、電學阻抗法等，這些檢測技術和方法大都處于實驗室研究階段，工業應用型的還比較少。紅外檢測技術實現氣液兩相流參數測量，試驗結果表明方法是有效的，測量精度滿足實際應用需要。

2 紅外檢測工作原理

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

式中:I—通過樣品后的光強;

I0—入射光強;

K—消光系數;

C—吸收物質的濃度;

d—吸收物質的厚度。

由式(1)可知，透射光強隨著待測物質濃度C的增大而減少，以此來檢測待測物質的濃度分布。圖1表示紅外光檢測的原理圖。

圖1 紅外光檢測原理圖

3 系統設計

兩相流紅外傳感器，基于水對特定波長的紅外光的強吸收特性，而氧氣對紅外光不吸收的原理，采用對射式光路，設計光源驅動電路、信號調理電路實現信號檢測，并通過恒溫控制電路，抗干擾設計等來提高傳感器的檢測精度和穩定性。

3.1 紅外驅動

紅外發光二極管的驅動電路采用PWM方法代替機械斬波，使得光學系統的結構更加穩定。PWM方式不僅增大紅外發光二極管的瞬時發射功率，提高發射效率，而且紅外發光二極管工作在脈沖狀態，可降低紅外發射平均功率，增強抗干擾能力，加大紅外作用距離，延長其使用壽命。

系統采用TI公司生產的NE555實現脈沖信號的調制。555定時器［5］是一種多用途的數字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構成多諧波振蕩器。MOS型場效應管采用IRF540，具有導通電阻小、開關速度快的優點，為實現紅外光源狀態的迅速轉變提供條件。圖2為脈寬調制驅動紅外發射的原理圖。

圖2 脈寬調制原理圖

3.2 信號調理電路

紅外探測器探測特定的紅外光，并轉化為微弱的光電流信號，但此過程噪聲干擾較大，要從噪聲中提出有用的信號是紅外檢測的關鍵。為了保證微弱信號能夠被精確放大，同時不產生新的誤差和干擾，必須考慮測量放大電路和轉化電路的匹配及其自身的性能。

光電探測器在沒有光信號輸入時，仍然會產生光電流，稱為光電探測器的“暗電流”。暗電流是由于探測器的寄生電阻和偏置電壓共同作用的結果，采用無偏置結構能有效避免暗電流的產生。將二極管微弱的光電流信號轉變為電壓信號，前置放大電路要針對不同的探測器做特殊調試(取決于R0值和頻率范圍)。電路原理如圖3所示。

圖3 信號調理電路原理圖

3.3 TEC控制模塊

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

TEC工作原理是以珀爾帖效應為基礎，當電流流過TEC時，熱量由TEC的一側傳送到另一側，表現為其一端致冷，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，即原來加熱的一端變為致冷，致冷一端變為加熱。溫度控制系統通過對熱敏電阻的監測，自動調節驅動TEC的電流大小和方向，對紅外光源模塊加熱或致冷，實現對光源內部的溫度控制。

系統采用 MAX1978芯片［6］實現對 TEC的控制，MAXl978是MAXIM公司研制用于半導體熱電致冷器模塊的最小、最精確的單片溫度控制器。通過一個斬波自穩零儀表放大器和一個高精度的積分放大器，組成一個PID控制網絡，儀表放大器與熱敏電阻連接，MOSFET驅動器實現PWM輸出。單片MAXl978實現TEC溫度控制原理如圖4所示。

圖4 TEC控制電路

3.4 抗干擾設計

紅外光源發射的紅外光透射測試管道，由于液態水顆粒的散射、反射、吸收等作用，然后通過探測器接收衰減后的紅外光，液態水滴越多，光強衰減的越多，所探測的信號就越小。如果外界附加的紅外光(外界紅外光源或較強的太陽光)參與其中，以及內部紅外光來回反射等因素，勢必對測量結果造成影響。

氣液兩相流管道選用藍寶石玻璃管，藍寶石玻璃管對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，系統通過在結構內壁表面涂覆一層發黑涂料，使內壁具有極高的紅外吸收率，減少管路中紅外光的來回反射，增加傳感器靈敏度。

4 試驗結果分析

在室溫(27℃)及標準大氣壓下，用純凈、干燥的氧氣沖刷藍寶石管道后，測量管道內紅外探測管的輸出值，隨后通入水含量為0～100%的水氣兩相流標準源進行測量。試驗比較涂覆發黑材料前后、TEC恒溫模塊開啟前后的測量結果。

4.1 抗干擾對試驗結果影響

表1中的試驗結果表明，涂覆發黑材料后，紅外探測的信號比涂覆前有明顯的增強。發黑材料使得對射通道內壁具有極高的紅外吸收率，減少流體管路中紅外光的來回反射，增加了傳感器的靈敏度。

表1 涂覆發黑材料前后測量結果

4.2 TEC模塊對試驗結果的影響

紅外發射管的光強隨溫度變化明顯，試驗比較0～50℃之間，紅外檢測裝置是否加TEC控制模塊，輸出零點隨溫度變化情況。試驗結果如圖5所示，隨著溫度的升高，未加TEC控制的紅外發射管光強逐漸減弱，檢測信號也減少。而裝有TEC控制的紅外發射裝置，輸出信號受外界溫度變化的影響很小，TEC控制模塊維持紅外發射管工作環境的穩定，保障了紅外發射光強的連續性。

圖5 零點輸出隨溫度變化影響

5 結束語

項目將紅外檢測技術應用于氣液兩相流的濃度參數測量并進行相關試驗研究，得出以下結論:

(1)水對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，從而實現對氣液兩相流水濃度的測量。

(2)抗干擾設計減少了雜散紅外光的影響，增強了紅外吸收，提高了紅外檢測的靈敏度。

(3)溫度對紅外檢測的精度和可靠性有較大影響，試驗中加入TEC模塊后，提高了測量的穩定性，保障傳感器在復雜環境下的正確應用。

實驗表明，該傳感器具有較好的穩定性和可靠性，能夠實現電解制氧裝置安全檢測需要。目前由于氣液兩相流標定裝置還存在不少問題，測量精度有待提高，下一步的主要研究工作是如何更準確地模擬電解制氧裝置實際工況的氣液兩相流發生裝置，改進測量實驗平臺，以達到優化測量方法的目的。

［1］ Kawahara A，Sadatomi M，Nei K，Matsuo H.Experimental study on bubble velocity，void fraction and pressure drop for gas-liquid two-phase flow in a circular microchannel［C］.Int.J.Heat Fluid Flow，2009，30(5):831-841.

［2］ Ide H，Kariyasaki A，Fukano T.Fundamental data on the gas-liquid two-phase flow in minichannels［J］.Int.J.Therm.Sci.，2007，46(6):519-530.

［3］ 張玉平，金鋒，張巖，等.兩相流相濃度檢測技術的研究［J］.北京理工大學學報，2002(6):383-386.

［4］ 蔡晉輝，陳稷，張同軍，等.光學過程層析成像技術及其原型系統［J］.江南大學學報(自然科學版)，2006(12):640-644.

［5］ 陸婉珍，袁洪福，徐光通，等.現代近紅外光譜分析技術(第一版)［M］.北京:中國石化出版社，2000:10-11，14-18.

［6］ Integrated Temperature Controllers for Peltier Modules MAX1978/MAX1979 Data Sheet 19-2490［Z］.Rev 0，7/02.