基于双脉冲电流技术液膜厚度测量系统的研制

　　0　引言

　　液膜由于具有小流量、高传热传质系数、高热流密度、结构简单且动力消耗小等独特的优点,现已成为国际传热传质科学与工程界的一个十分活跃的研究领域。但由于液膜厚度很薄,且流动速度相对较快,因此及时准确的捕获实时液膜厚度成为研究液膜特性的关键所在。

　　在寻求液膜厚度测量这项技术的过程中,文献[1]与文献[2]分别采用电导法实现了液膜厚度的实时测量,但这些都必须事先在专门的校准设备上用标准液标定,这在大流量的实验条件下是很难做到的,此外电导法为了避免介质的极化而选择交流电做激励,在后续的信号处理环节[3]电路复杂且速度较慢,极大地降低了效率。另外,这些方法在测试传感部分的设计中没有一个科学依据作为评价标准,只是凭经验确定结构尺寸,这样势必使测试精度难以得到保证。

　　针对以上问题,提出了以双脉冲电流做激励的思路;并在合理假设的基础上,首次提出了液膜厚度与电压响应信号的关系式,并分析了环状流形成时测试管内的电场分布,使得设计过程具有科学的依据,保证了系统的测量精度;最后,应用流行虚拟软件LabVIEW开发了一套可以实时在线显示液膜厚度变化情况的计算机程序。

　　1　测量原理

　　液膜厚度测量系统的机理是:当气液两相环状流形成并流经传感器管内壁时,管内电阻的变化对应于气液两相环状流中液膜厚度的变化,在管壁外侧一对电极上施加激励电流,然后通过测量中间一对电极上输出电压的变化,并依据液膜厚度与输出电压响应信号的关系式,从而实现环状流液膜厚度的测量。

　　测量系统由双脉冲激励电流源、传感器、采集卡及软件系统共同组成。由于现成的双脉冲电源价格昂贵,为降低成本设计了一个双脉冲激励电流源,传感器即就是安装有激励电极和测量电极的测量管段;与以往不同,测量系统的采集卡不仅能实现信号采集,还可对双向开关的切换时序进行控制,省去了单片机开发的复杂过程;软件系统采用LabVIEW计算机语言编写。

　　2　硬件系统的设计

　　2. 1　传感器的设计

　　传感器的结构如图1所示,由安装在绝缘透明有机玻璃管上按一定距离排列的4个圆环黄铜电极组成,外侧2个作为激励电极,中间2个作为测量电极[4]。目前,普遍采用的工作方式是电流激励、电压响应,激励电流通过传感器的激励电极对施加到被测区域,建立敏感电流场。由于传感器的几何尺寸远小于激励信号的波长,于是可近似认为传感器内部的敏感场是不随时间变化的,其电势u满足Laplace[5]方程 2u=0,系统所选用的有机玻璃管直径为40 mm,传感器内只有空气和水2种媒质,在图1所示的三维坐标系下,分别位于R1≤|r|≤R和|r|≥R1区域内,设其电导率分别为σi和σs,根据电阻抗法测量两相流的实际情况,可近似认为σi≥σs,也就是说|r|≥R1的区域内的空气近似不导电,由于轴对称性,圆周角度θ可不予考虑,这样就可以建立二维柱坐标系下的Laplace及其边界条件方程组,将其在Matlab软件上编程求解即得环状流形成时非均匀介质场域内电势、轴向电流、径向电流的数值解,分别如图2所示。