基于热容原理的小管径气液两相流传感器设计

王洪涛 刘智敏 徐振忠 徐晓龙 杨丹

中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨 150001

0 前言

气液两相流为气体与液体的混合流动，是两相流中最为普遍的一种形式。在日常生活和工程设备中，气液两相流都广泛存在，因此，其参数的有效准确检测对理论研究及实际应用均有着重要意义。气液两相流空隙率在两相流测量中是一项重要参数，其测量方法有模型预测法、光学法、电学法、快关阀法、热学法等[1-4]。其中，热学法是一种基于接触式检测方法，具有结构简单，适用范围广，能够连续测量等特点。因此，本文基于热容原理，结合某航天器实际应用需求，设计了一种小管径气液两相流传感器，用于识别管路内气体体积含量。气体的体积小于测量管段体积的50%时，传感器输出电压低压信号；管路内气体体积大于测量管段体积的80%时，传感器输出高压信号。

1 传感器的工作原理

传感器利用液体与气体具有不同的导热性进行设计。在传感器进口处设计铂电阻作为参比电阻，在出口处设计工作铂电阻、加热器复合结构。根据流动液体可以带走较多的热量，保持加热器周围的温度升高幅度较低，基本保持不变，而流动的气体由于导热能力弱，加热器周围的温升较高这一原理，在进口当管道内是液体流动时，温度变化不大，两铂电阻阻值基本相同，产生的电压差值很小，经过比较器输出低电压；当管道内是气体的时候，出口处温度高于进口处，两铂电阻阻值相差大，产生的电压差较大，经过比较器输出高电压，从而达到分辨管道内部气液含量的目的[5]。

传感器工作原理示意图如图1所示。

2 传感器设计

2.1 电极设计

敏感电极采用铂电阻、GD414胶、504胶、电极外壳、引线和氧化铝粉制作而成。铂电阻装入电极外壳时，铂电阻底端面点1 mm左右厚的GD414胶，铂电阻装于底部，并填入氧化铝粉至电极外壳端头4 mm处，然后用504胶粘剂灌封固化。传感器电极部分设计如图2所示。

2.2 结构设计

传感器电极管路外部采用了钛合金材料加工，因钛合金具有耐蚀性好、耐热性高、强度高、相容性好、耐氧化等特点，选用钛合金保证了传感器结构强度和耐腐蚀性。传感器结构部分采用铝合金材料加工，壳体与管路之间采用螺钉连接，同时设计密封结构，整体结构设计图如图3所示。

2.3 加热电路设计

由于液体和气体的热容及导热速率差异较大，当传感器处于无流动液体（无液体或液体不流动）状态时，传感器内会产生较大的温升，会对传感器本身的稳定性和可靠性造成影响。为了防止这种现象发生，在传感器输出报警信号的同时，对加热器的加热功率进行降低调整，因此，在电路里设计了加热器控制电路，如图4所示。电路采用恒流供电模式，通过调节控制电压来调整加热器的电流，实现调整加热功率的目标。

调理信号输出电平（加热器控制电压Vc）小于U1B负端电压时，比较器U1B输出低电平，三极管Q1不导通，电阻R2没有并入分压，加热器电流大，保持加热功率；调理信号输出电平（加热器控制电压Vc）大于U1B负端电压时，比较器U1B输出高电平，使三极管Q1导通，电阻R2并入分压电路，导致R6和R7的分压降低，该电压降低后，加热器电流随之降低，加热功率减小。通过调整其降低的幅度来保持液体不流动及无液体时仍然能够保持正确的状态指示。

2.4 温度调理电路设计

依据传感器工作原理设计了如图5所示的调理电路。图中RT-L是参比测温器，选取Pt1000铂电阻，RT-H是加热器测温器，选取Pt1000铂电阻。当有液体流过时，因为液体的热容率大，流动时带走热量多，所以RT-H测得的温度较RT-L相差不大，可以调整信号输出电压值小于加热电路中放大器的U1B负端电压值，使其输出低电压；当有液体不流动或只有气体时，由于液体不流动时带走热量少，气体热容率小，流动的气体带走热量也少，所以RT-H测得的温度较RT-L高很多，可以调整信号输出电压值大于加热电路中放大器的U1B负端电压值，使其输出高电压。

2.5 测量系统设计

设计的传感器测量系统，该系统由压缩空气、质量流量计、压力测控仪、蠕动泵、天平、烧杯等组成。测量系统如图6所示。

测量方法为：首先把天平调零，然后调节蠕动泵，接着调节质量流量计使管路内流动的全部是液体介质原溶液，当水溶液全部充满管道后开始计时，若此时烧杯及烧杯内的水溶液重量测量为A1，在1 min后测量流入到右边烧杯内的水溶液及烧杯重量为A2，1 min时间通过指示器水溶液的重量为A2-A1；调节质量流量计管路内混入气体，当管道内气液混合体完全通过管道后开始计时，此时，烧杯及烧杯内的水溶液重量测量为B1，1 min后测量流入到烧杯内的水溶液及烧杯重量为B2，1 min时间通过指示器水溶液的重量为B2-B1，则可计算出管路内水溶液所占比例为（B2-B1）/（A2-A1）×100%。调节蠕动泵使A2-A1质量大小在100 g。通过设置质量流量计的流速大小来控制管道中气液混合的比例，从而实现传感器的测量。

3 实验

按照上述设计方案研制生产了2只传感器，工作电压为28 VDC，采用设计的测量系统进行测试，测试结果如表1所示。

表1 传感器测试结果

实验结果表明：设计的传感器可以实现管路内气液混合气体的测量，气体的体积小于测量管段体积的50%时，传感器输出低电压信号值0 V；管路内气体体积大于测量管段体积的80%时，传感器输出高电压信号值4 V。

4 结论

本文采用热容原理设计了一种用于识别小管路内气液含量的传感器。同时，依据气液导热差异在管路进出口设计了参比铂电阻、工作铂电阻、加热器复合结构。采用加热电路、温度调节电路实现了传感器的测量。在传感器测试中表明，气体的体积小于测量管段体积的50%时，传感器输出低电压信号值 0 V；管路内气体体积大于测量管段体积的80%时，传感器输出高电压信号值4 V。表明该传感器可以较好地识别管路内气液含量。本文设计的传感器具有耐腐蚀、响应快等特点，可应用于航天、动力、化工等领域。