基于红外技术的气液两相流空隙率测量技术研究

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1、V01．19No．158载人航天MannedSpaceflight第19卷第1期2013年1月基于红外技术的气液两相流空隙率测量技术研究何峰·，颜志红1，谢贵久1，张建国1，龚杰洪1，徐波2，王跃社3(1中国电子科技集团公司第四十八研究所，长沙410111；2航天医学工程研究所，北京100094；3西安交通大学，西安710049)摘要气液两相流流型识别是气液两相流参数检测中需解决的关键技术之一。采用自主设计的气液两相流信号源发生装置，产生泡状流、弹状流及环状流等流型，满足气液两相流的标定需要。基于红外检测技术实

2、现对气液两相流各种流型条件下截面空隙率的测量，并对采集数据处理求解实现流型识别。试验结果表明：红外检测技术能够实现气液两相流各种流型的识别，并测量出对应的空隙率，满足工程应用需要。关键词气液两相流；红外检测；流型识别；空隙率中图分类号：V441文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)01—0058—061引言在我国载人航天和探月工程中，很多空间设施如航天器主动热控系统、动力与能源供应系统、流体管理系统及航天员生命保障系统等，存在气液两相流现象[1]。由于电解质膜承受缺水的能力较差，同时由于传递热量

3、的需要，投入循环的水远多于反应当量，在这一过程中必须有水气分离装置将反应产生的水／气混和物进行分离，通过这个装置，一方面分离出反应物中的气体，提供成员呼吸和其它需要；另一方面，分离出的水将重新投入循环。在此过程中，电解产生的氧气如果带有液滴排人舱内，会给航天员生命及设备带来安全隐患；分离后的水如果气泡含量过高，造成循环泵的“气蚀”，影响电解制氧装置的正常工作。因此，气液两相流空隙率的检测对于电解制氧装置的安全运行具有重要意义rzl。气液两相流具有不同的流动速度，且两相间的界面效应，导致产生泡状流、弹状流、环状流

4、等不同流型[31。如何采用单一传感器实现不同流型条件下的气液两相流空隙率测量是目前国内外研究的难点及热点。目前，研究较多的测量技术主要有【蜘：快关阀法、射线法、电学法、光学法、层析成像法等，这些检测技术和方法大多处于实验室研究阶段，真正工程应用的仪表还比较少。针对微重力环境下气液两相流空隙率检测的需要，系统采用红外技术，通过对采集数据处理分析，识别气液两相流不同流型，并实现空隙率测量。试验结果表明，该方法是可行的，测量结果不受流型影响，响应时间快，测量精度能够满足实际应用要求。2红外检测工作原理红外检测的理论基

5、础为比尔一朗伯(Beer—Lam—bert)定律阴，利用水对特定红外光具有强的吸收这一性质为依据。即红外辐射通过测试管路后的光强，与入射光强，0之比与吸收物质(H：0)的浓度C、厚度d及消光系数K之间有如下关系：lllo=exp(一KCd)(1)由式(1)可知，透射光强随着待测物质浓度c的增大而减少，以此来检测待测物质的浓度分布。散射、折射、反射等因素带来的测量误差可在消光系数收稿日期：2011-08—02；修回日期：2012—09—28作者简介：何峰(1984一)，硕士，工程师，主要从事多相流检测技术的研究。

6、E—mail：hefen984928@163．tom第1期何峰等：基于红外技术的气液两相流空隙率测量技术研究K中进行修正。图1为红外检测的原理图。强·、纠玎外比-H翔：莹攀黝鞠i_≯：～i㈡1＼_／丽I

7、’＼∥【k?『．I，_¨二图1红外光检测原理图装置在恒定入射光强度条件下，红外探测器检测光强会随着气液两相流截面空隙率的改变而发生变化来设计。根据朗伯一比尔定律，检测装置输出电压信号U与气泡大小D之间的近似关系：D=q，-酬n茄耥叩(2)式中，U为空隙率检测装置输出电压；U(D=O)为气泡直径为0(全水状态)下

8、装置输出电压；u(D_4)为气泡直径为4(全气状态)下装置输出电压；or为试验修正的吸收系数；届为等效管道内径。3两相流红外传感器设计气液两相流空隙率检测装置采用对射式光路，实现不同直径大小的液滴或气泡对红外光衰减量的检测，测量管道的内径为4mm，具体结构见图2。图2红外检测结构图整个检测电路由驱动电路、恒温控制、信号检测与处理三大部分构成。恒温控制电路对红外光源进行恒温控制，提高传感器的测量稳定性。图3检测电路框图光源选用特定波段的红外发光二极管，采用定时器产生一个占空比可调的脉冲信号实现红外光源的驱动，脉冲

9、调制驱动具有发射功率高、抗杂散光强等优势。红外检测受温度影响比较大，光源内部集成半导体制冷器(TEc)和热敏电阻模块，实现对红外发光二极管的恒温控制。系统采用Maxl978芯片实现对半导体制冷器控制。Maxl978是Maxim公司研制用于半导体制冷器模块的最小、最精确的单片温度控制器。为保障控温的稳定性，设定温度点为20℃。红外光源经过测量区域，气液两相流截面空隙率对应不同的红外光衰减