气液两相流红外检测技术研究

颜志红，何 峰，谢贵久，张建国，肖友文，袁云华，宋祖殷

(1.中国电子科技集团公司第四十八研究所，长沙410111;2.空军驻湖南地区军代室，长沙410110)

1 引言

气液两相流检测技术主要用来测量两相流体空隙率、流量、浓度等参数，在动力工程、石化工程、原子能工程、航天工程等领域具有广泛的应用［1-2］。

在空间站电解制氧装置中，阳极电解出来的氧气在失重状态下会携带一部分液态水，形成气液两相态的流体，装置通过旋转的气液分离装置，将O2/H2O分离，保证宇航员安全呼吸。若检测氧气流中的液态水超过某一安全阀值后，可以判定O2/H2O分离装置没有正常工作，需要关闭电解制氧系统，防止安全事故发生。因此，气液两相流检测系统(气流中液态水含量检测)是我国空间站中电解制氧系统不可缺少的部件，以其快速、准确地监测氧气流中的水滴含量，实现空间站正常安全供氧，对载人航天安全保障起着重要的作用。

由于两相流动比单相流动不仅流动特性复杂，且相间存在界面效应和相对速度，致使参数检测难度较大。目前，研究较多的测量方法多涉及新技术［3］:如辐射吸收法、激光多普勒技术、核磁共振技术、电学阻抗法等，这些检测技术和方法大都处于实验室研究阶段，工业应用型的还比较少。红外检测技术实现气液两相流参数测量，试验结果表明方法是有效的，测量精度满足实际应用需要。

2 红外检测工作原理

红外检测的理论基础为比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律［4］，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I与入射光强I0之比与吸收物质(H2O)的浓度C、厚度d及消光系数K之间有如下关系:

式中:I—通过样品后的光强;

I0—入射光强;

K—消光系数;

C—吸收物质的浓度;

d—吸收物质的厚度。

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。图1表示红外光检测的原理图。

图1 红外光检测原理图

3 系统设计

两相流红外传感器，基于水对特定波长的红外光的强吸收特性，而氧气对红外光不吸收的原理，采用对射式光路，设计光源驱动电路、信号调理电路实现信号检测，并通过恒温控制电路，抗干扰设计等来提高传感器的检测精度和稳定性。

3.1 红外驱动

红外发光二极管的驱动电路采用PWM方法代替机械斩波，使得光学系统的结构更加稳定。PWM方式不仅增大红外发光二极管的瞬时发射功率，提高发射效率，而且红外发光二极管工作在脉冲状态，可降低红外发射平均功率，增强抗干扰能力，加大红外作用距离，延长其使用寿命。

系统采用TI公司生产的NE555实现脉冲信号的调制。555定时器［5］是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成多谐波振荡器。MOS型场效应管采用IRF540，具有导通电阻小、开关速度快的优点，为实现红外光源状态的迅速转变提供条件。图2为脉宽调制驱动红外发射的原理图。

图2 脉宽调制原理图

3.2 信号调理电路

红外探测器探测特定的红外光，并转化为微弱的光电流信号，但此过程噪声干扰较大，要从噪声中提出有用的信号是红外检测的关键。为了保证微弱信号能够被精确放大，同时不产生新的误差和干扰，必须考虑测量放大电路和转化电路的匹配及其自身的性能。

光电探测器在没有光信号输入时，仍然会产生光电流，称为光电探测器的“暗电流”。暗电流是由于探测器的寄生电阻和偏置电压共同作用的结果，采用无偏置结构能有效避免暗电流的产生。将二极管微弱的光电流信号转变为电压信号，前置放大电路要针对不同的探测器做特殊调试(取决于R0值和频率范围)。电路原理如图3所示。

图3 信号调理电路原理图

3.3 TEC控制模块

红外检测的精度受红外发射光源的稳定性影响很大，要求光源具有很高的光功率和光谱稳定性，而光源的稳定性又主要受到环境温度的影响。红外发射二极管组件由红外发光管管芯、半导体热电致冷器(TEC)、热敏电阻组成。

TEC工作原理是以珀尔帖效应为基础，当电流流过TEC时，热量由TEC的一侧传送到另一侧，表现为其一端致冷，另一端加热;如果电流的方向反向，则致冷与加热的两端反转，即原来加热的一端变为致冷，致冷一端变为加热。温度控制系统通过对热敏电阻的监测，自动调节驱动TEC的电流大小和方向，对红外光源模块加热或致冷，实现对光源内部的温度控制。

系统采用 MAX1978芯片［6］实现对 TEC的控制，MAXl978是MAXIM公司研制用于半导体热电致冷器模块的最小、最精确的单片温度控制器。通过一个斩波自稳零仪表放大器和一个高精度的积分放大器，组成一个PID控制网络，仪表放大器与热敏电阻连接，MOSFET驱动器实现PWM输出。单片MAXl978实现TEC温度控制原理如图4所示。

图4 TEC控制电路

3.4 抗干扰设计

红外光源发射的红外光透射测试管道，由于液态水颗粒的散射、反射、吸收等作用，然后通过探测器接收衰减后的红外光，液态水滴越多，光强衰减的越多，所探测的信号就越小。如果外界附加的红外光(外界红外光源或较强的太阳光)参与其中，以及内部红外光来回反射等因素，势必对测量结果造成影响。

气液两相流管道选用蓝宝石玻璃管，蓝宝石玻璃管对红外光具有极高的透射率，能够减少红外线的额外损耗，提高传感器分辨率。此外，系统通过在结构内壁表面涂覆一层发黑涂料，使内壁具有极高的红外吸收率，减少管路中红外光的来回反射，增加传感器灵敏度。

4 试验结果分析

在室温(27℃)及标准大气压下，用纯净、干燥的氧气冲刷蓝宝石管道后，测量管道内红外探测管的输出值，随后通入水含量为0～100%的水气两相流标准源进行测量。试验比较涂覆发黑材料前后、TEC恒温模块开启前后的测量结果。

4.1 抗干扰对试验结果影响

表1中的试验结果表明，涂覆发黑材料后，红外探测的信号比涂覆前有明显的增强。发黑材料使得对射通道内壁具有极高的红外吸收率，减少流体管路中红外光的来回反射，增加了传感器的灵敏度。

表1 涂覆发黑材料前后测量结果

4.2 TEC模块对试验结果的影响

红外发射管的光强随温度变化明显，试验比较0～50℃之间，红外检测装置是否加TEC控制模块，输出零点随温度变化情况。试验结果如图5所示，随着温度的升高，未加TEC控制的红外发射管光强逐渐减弱，检测信号也减少。而装有TEC控制的红外发射装置，输出信号受外界温度变化的影响很小，TEC控制模块维持红外发射管工作环境的稳定，保障了红外发射光强的连续性。

图5 零点输出随温度变化影响

5 结束语

项目将红外检测技术应用于气液两相流的浓度参数测量并进行相关试验研究，得出以下结论:

(1)水对特定波段的红外光具有较好的吸收作用，两相流中的氧气基本不吸收红外光，从而实现对气液两相流水浓度的测量。

(2)抗干扰设计减少了杂散红外光的影响，增强了红外吸收，提高了红外检测的灵敏度。

(3)温度对红外检测的精度和可靠性有较大影响，试验中加入TEC模块后，提高了测量的稳定性，保障传感器在复杂环境下的正确应用。

实验表明，该传感器具有较好的稳定性和可靠性，能够实现电解制氧装置安全检测需要。目前由于气液两相流标定装置还存在不少问题，测量精度有待提高，下一步的主要研究工作是如何更准确地模拟电解制氧装置实际工况的气液两相流发生装置，改进测量实验平台，以达到优化测量方法的目的。

［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］ 张玉平，金锋，张岩，等.两相流相浓度检测技术的研究［J］.北京理工大学学报，2002(6):383-386.

［4］ 蔡晋辉，陈稷，张同军，等.光学过程层析成像技术及其原型系统［J］.江南大学学报(自然科学版)，2006(12):640-644.

［5］ 陆婉珍，袁洪福，徐光通，等.现代近红外光谱分析技术(第一版)［M］.北京:中国石化出版社，2000:10-11，14-18.

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