基于红外技术的气液两相流空隙率测量技术研究

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 意义翻 。 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 等 不 同
与人射光强 ， ０ 之 比与吸收物质（ Ｈ ２ ０ ） 的浓度 Ｃ 、 厚度
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
２红外检测 工作原理
红 外检测 的理 论基 础为 比尔 一 朗伯 （ Ｂ ｅ ｅ ｒ — Ｌ ａ ｍ—
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
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中进行 修 正 。图 １ 为红外 检 测 的原 理 图 。
强
入射红 外光
进
氧电路 框 图
光 源选 用 特定 波段 的红外 发光 二 极管 ，采用 定
弱
时器产生一个 占空 比可调的脉冲信号实现红外光源
中 图分类 号 ：Ｖ ４ ４ １ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ６ ７ ４ — ５ ８ ２ ５（ ２ ０ １ ３ ）０ １ — ０ ０ ５ ８ — ０ ６
１引 言
在 我 国载人 航 天和探 月工程 中 ，很 多 空 间设施
热点 。 目前 ， 研 究 较多 的测 量技 术 主要有 ： 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 。
ｄ 及 消光 系数 之 间有如 下关 系 ：
ｌ ／ Ｉ ｏ ＝ ｅ ｘ ｐ （ － ＫＣ ｄ ） （ 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
流型［ ３ ］ 。 如何采用单一传感器实现不同流型条件下 的
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载
人
航
天
第ｌ ９卷 第 １ 期
２ ０ １ ３ 年 １ 月
Ｍａ ｎ ｎ ｅ ｄ Ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ｌ ｆ ｉ ｇ ｈ ｔ
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 ，张建 国 ，龚杰洪 ，徐 波ｚ ，王跃社
气 液两 相 流空 隙率测 量是 目前 国内外 研究 的难 点 及
收稿 日 期： ２ ０ １ １ — ０ ８ — ０ ２ ； 修 回Ｅ ｔ 期： ２ ０ １ ２ — ０ ９ — ２ ８
作者简介 ： 何峰（ １ ９ ８ ４ 一） ， 硕士 ， 工程师 ， 主要从事多相流检测 技术 的研究 。Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｈ ｅ ｆ ｅ ｎ ｇ ８ ４ ９ ２ ８ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ
脚 士 ｎ （ ２ ）
导体制冷器（ Ｔ Ｅ ｃ ） 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 Ｍａ ｘ １ ９ ７ ８芯 片实现 对 半导 体 制冷器 控 制 。
的驱动 ， 脉 冲 调制 驱动 具有 发 射功 率高 、 抗 杂 散光 强
接收红 外 光
图 １ 红 外 光 检 测 原 理 图
等优势。
红 外检 测受 温 度影 响 比较 大 ，光 源 内部集 成 半
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 与 气泡 大小 Ｄ之 间 的近似关 系 ：
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
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【 ｎ 。 由于 电解 质膜承受缺 水 的能力 较差 ， 同时 由
于传递热量的需要 ，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 的桕
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 。
ｂ ｅ ｒ ｔ ） 定律 ［ ７ １ ， 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 ，
（ １中国电子科技集团公司第四十八研 究所， 长沙 ４ １ ０ １ １ １ ； ２航 天 医学工 程研 究所， 北京 １ ０ ０ ０ ９ ４ ；３西安 交通 大学 ， 西安 ７ １ ０ ０ ４ ９ ） 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