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摘要:为了识别小管径内气液含量,设计了一种参比铂电阻电极、工作铂电阻电极和加热器
复合结构的传感器。基于液体与气体热容率不同,在管道进出口设计了铂电阻电极,采用温
度调理电路和温度加热电路实现测量,传感器输出高低电压信号可以区别气液含量。实验结
果表明,管径内气体体积小于测量管段体积的50%时,传感器输出低电压信号值0V;管径
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4V。
关键词:气液两相流;铂电阻电极;气液含量
中图分类号:O359+.1文献标识码:A文章编号:1006-883X(2021)05-0006-05
收稿日期:2021-03-13
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前言液体可以带走较多的热量,保持加热器周围的温度
液两相流为气体与液体的混合流动,是两相流升高幅度较低,基本保持不变,而流动的气体由于导
气中最为普遍的一种形式。在日常生活和工程设热能力弱,加热器周围的温升较高这一原理,在进口
备中,气液两相流都广泛存在,因此,其参数的有效当管道内是液体流动时,温度变化不大,两铂电阻阻
准确检测对理论研究及实际应用均有着重要意义。气值基本相同,产生的电压差值很小,经过比较器输出
液两相流空隙率在两相流测量中是一项重要参数,其低电压;当管道内是气体的时候,出口处温度高于进
测量方法有模型预测法、光学法、电学法、快关阀法、口处,两铂电阻阻值相差大,产生的电压差较大,经
热学法等[1-4]。其中,热学法是一种基于接触式检测过比较器输出高电压,从而达到分辨管道内部气液含
方法,具有结构简单,适用范围广,能够连续测量等量的目的[5]。
特点。因此,本文基于热容原理,结合某航天器实际传感器工作原理示意图如图1所示。
应用需求,设计了一种小管径气液两相流传感器,用
气液气液
于识别管路内气体体积含量。气体的体积小于测量管气液流向
进口参比工作电阻电极出口
段体积的50%时,传感器输出电压低压信号;管路内电阻电极和加热器
气体体积大于测量管段体积的80%时,传感器输出高信号传递信号传递
压信号。温度温度
调理电路信号比较加热电路
1传感器的工作原理供电电源
传感器利用液体与气体具有不同的导热性进行设
高低电压信号输出
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
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2传感器设计耐腐蚀性。传感器结构部分采用铝合金材料加工,壳体与管路之间
,同时设计密封结构,整体结构设计图如图3所示。
敏感电极采用铂电阻、GD414胶、504胶、
外壳、引线和氧化铝粉制作而成。铂电阻装入电极外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
壳时,铂电阻底端面点1mm左右厚的GD414胶,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
铂电阻装于底部,并填入氧化铝粉至电极外壳端头温升,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
4mm处,然后用504胶粘剂灌封固化。传感器电极部现象发生,在传感器输出报警信号的同时,对加热器的加热功率进
分设计如图2所示。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,
引线504胶氧化铝粉GD414胶
参比电极电极管道接口工作电极
温度加热电路
和温度调理电路壳体
电极外壳铂电阻
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
R31R32
+12V
U5LM117
13J1
Vin+Vout
1
ADJR15R132
R1
2240R240R加热器
1k4
U1A
3
F1581Q2
J32J2
+12V43DK104D
21
R2R38D1
1GND加热器控制电压VcR1110k5C132
7
R1210k6
R6
8R9
F158U1BR41k
4kR5
R164k
C9715R
Q1R7R8
R10
R1451R51R
3k
3DK104D
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研究动态Research&Development
R27R28
+12VR29
U5LM117
Vin+Vout
-LR21
7
22
U4
1
6
3
8
14
J4
R19
+12V
2715R
1GND
RT-H
R22R23
2加热器控制电压Vc
1
C10C12
R24
实现调整加热功率的目标。只有气体时,由于液体不流动时带走热量少,气体热
调理信号输出电平(加热器控制电压Vc)小于容率小,流动的气体带走热量也少,所以RT-H测得
U1B负端电压时,比较器U1B输出低电平,三极管的温度较RT-L高很多,可以调整信号输出电压值大
Q1不导通,电阻R2没有并入分压,加热器电流大,于加热电路中放大器的U1B负端电压值,使其输出高
保持加热功率;调理信号输出电平(加热器控制电压电压。
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设计的传感器测量系统,该系统由压缩空气、质
和R7的分压降低,该电压降低后,加热器电流随之降量流量计、压力测控仪、蠕动泵、天平、烧杯等组成。
低,加热功率减小。通过调整其降低的幅度来保持液测量系统如图6所示。
体不流动及无液体时仍然能够保持正确的状态
质量流量计
指示。
压力控制仪
依据传感器工作原理设计了如图所示蠕动泵
5传感器
流动方向
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
空气烧杯
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测液体介质源
得的温度较RT-L相差不大,可以调整信号输天平
气瓶
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
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测量方法为:首先把天平调零,然后调节蠕动段体积的50%时,传感器输出低电压信号值0V;管路
泵,接着调节质量流量计使管路内流动的全部是液体内气体体积大于测量管段体积的80%时,传感器输出高
介质原溶液,当水溶液全部充满管道后开始计时,若电压信号值4V。表明该传感器可以较好地识别管路内气
此时烧杯及烧杯内的水溶液重量测量为A1,在1min液含量。本文设计的传感器具有耐腐蚀、响应快等特点,
后测量流入到右边烧杯内的水溶液及烧杯重量为A2,可应用于航天、动力、化工等领域。
1min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参考文献
全通过管道后开始计时,此时,烧杯及烧杯内的水溶[1]胡赤鹰,杨江,[J].仪
液重量测量为B1,1min后测量流入到烧杯内的水溶表技术与传感器,1996(07):26-31.
[2][D].南京理工大学,
液及烧杯重量为B2,1min时间通过指示器水溶液的
2014.
重量为B2-B1,则可计算出管路内水溶液所占比例为[3]何峰,颜志红,谢贵久,张建国,龚杰洪,徐波,
(B2-B1)/(A2-A1)×100%。调节蠕动泵使A2-A1红外技术的气液两相流空隙率测量技术研究[J].载人航天,2013,
质量大小在100g。通过设置质量流量计的流速大小来19(01):58-63.
[4][D].浙江大学,
控制管道中气液混合的比例,从而实现传感器的测量。
2016.
[5]FANGLD,HEQ,ZHANGY,
3实验MeasurementModelofGas-LiquidTwo-PhaseFlowBasedonthe
按照上述设计方案研制生产了2只传感器,工作DifferentialPressureSensor[J].AdvancedMaterialsResearch,2013,
816-817:924-927.
电压为28VDC,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DesignofGas-liguildTwo-phaseFlowSensorBasedon
A2-A1B2-B1(B2-B1)/(A2-A1)电压信号HeatCapacityPrincipleinaSmallDiameterPipe
传感器
(g)(g)(%)(V)WANGHongtao,LIUZhimin,XUZhenzhong,XUXiaolong,
传感器11005050低电平0VYANGDan
传感器11002020高电平4V(The49thResearchofChinaElectronicsTechnologyGroup
传感器21005050低电平0VCorporation,Harbin150001,China)
传感器21002020高电平4VAbstract:Inordertodistinguishgas-liquidcontentinsmall
实验结果表明:设计的传感器可以实现管路内气diameterpipe,asensorofcompositestructureisdesigned
液混合气体的测量,气体的体积小于测量管段体积的includingreferenceplatinumresistanceelectrode,working
50%时,传感器输出低电压信号值0V;管路内气体
heatcapacitiesofliquidandgas,platinumresistanceelectrode
体积大于测量管段体积的80%时,传感器输出高电压
isdesignedattheinletandoutletofthepipeline,temperature
信号值4V。
conditioningcircuitandtemperatureheatingcircuitareused
torealizethemeasurement,theoutputvoltagesignalofthe
4结论
本文采用热容原理设计了一种用于识别小管路内sensorcandistinguishthegas-
气液含量的传感器。同时,依据气液导热差异在管路resultsshowthatwhenthevolumeofgasinthediameterpipe
进出口设计了参比铂电阻、工作铂电阻、加热器复合islessthan50%ofthephysicalstrengthofthemeasuringpipe
结构。采用加热电路、温度调节电路实现了传感器的section,thesensoroutputsalowvoltagesignalvalue0V;
(下转第14页)
测量。在传感器测试中表明,气体的体积小于测量管
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技术与应用Technology&Application
,themainstreamon-boardT-BOXkey)authenticationsystem,whichcansolvethekey
systeminthemarketcanuploadthedrivingpositionmanagementprobleminlarge-scalenetworkbycalculating
informationtotheTSPserviceplatformthroughthetheuser'spublickeyandprivatekey.
:identityauthentication;T-BOX;AES;TSP
candisplaythegeographicalpositionofthevehicleinplatform
vehiclecanalsocommunicatewithothermobileterminals作者简介
throughT--BOXbringsconveniencetousers,but汪洋:北京信息科技大学,北京仁信证科技有限公司,
,研究方向为物联网技术。
topreventtheinformationsecurityproblemsofT-BOX,通信地址:北京市海淀区小营东路12号
thepaperproposesanauthenticationsystemanddata邮编:100101
encryptionalgorithmsuitableforT-BOXandmobile邮箱:******@
(publickey王小妮:北京信息科技大学,副研究员,主要从事车
infrastructure),thepaperadoptsCPK(combinedpublic联网方面的研究。
(上接第5页)通信地址:湖南省长沙市岳麓区中南大学新校区化学
ItshowedthattheH-S-ES-QCMsensingsystemhas化工学院邮编:410083
thepromotionandapplicationvalueinthefieldof邮箱:flx.******@
(通讯作者):中南大学化学化工学院,博士,
Keywords:high-frequencysingle-sideelectrodeless教授,研究方向为化学与生物传感器。
quartzcrystal;silicondioxide;wetetching;thickness陈金华:湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实
monitoring验室,博士,教授,研究方向为应用电化学。
扶梅:中南大学化学化工学院,硕士研究生,研究方
作者简介向为化学与生物传感器。
冯浪霞:中南大学化学化工学院,硕士研究生,研究张润:中南大学化学化工学院,硕士研究生,研究方
方向为化学与生物传感器。向为化学与生物传感器。
(上接第9页)邮编:150060
whenthevolumeofgasinthediameterpipeismorethan邮箱:******@
80%ofthephysicalstrengthofthemeasuringpipesection,刘智敏:中国电子科技集团公司第四十九研究所,高
,主要从事气体传感器研究。
Keywords:gas-liquidtwo-phaseflow;platinum徐振忠:中国电子科技集团公司第四十九研究所,高
resistanceelectrode;gas-liquidcontent级工程师,主要从事氧气传感器研究。
徐晓龙:中国电子科技集团公司第四十九研究所,工
作者简介程师,主要从事湿度传感器研究。
王洪涛:中国电子科技集团公司第四十九研究所,工杨丹:中国电子科技集团公司第四十九研究所,工程师,
程师,主要从事传感器研究。主要从事温度传感器研究。
通信地址:哈尔滨市松北区龙盛路969号
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