一種氣液兩相流氣泡直徑檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣液兩相流氣泡直徑檢測方法，本發明的檢測裝置采用對射式光路，包括雙路紅外檢測對管，與紅外檢測對管相連的信號調理模塊包括紅外發光二極管的脈沖恒流源驅動電路、紅外探測器的光信號檢測電路及紅外發光二極管的恒溫控制電路。單路紅外檢測對管實現泡狀流條件下氣泡大小的檢測，檢測電壓峰值對應氣泡直徑大小。本發明可實現不同流型條件下的氣液兩相流氣泡直徑檢測，具有測量精度高、響應時間快等優勢。
【專利說明】一種氣液兩相流氣泡直徑檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測量氣液兩相流氣泡直徑的方法，特別適用于密閉環境下電解制氧裝置中循環水中氣泡直徑檢測。
【背景技術】
[0002]對于載人空間站、潛艇等裝備，一般都是采用電解水制氧方法來實現對乘員的供氧需求。SPE (solid pilymer electrode)電解制氧技術是以固體聚合物為電解質的電解水制氧技術。它目前廣泛應用在航天器、核潛艇等裝備上，取代傳統的堿性電解制氧裝置。
[0003]在SPE電解制氧裝置中，作為反應物的水經過凈化，在電解槽、換熱器、水箱之間循環。水氣分離裝置將反應產生的氣/水混和物進行分離，分離出的水將重新投入循環。在此過程中，未電解的水需要循環利用，而返回的水通常帶有一定量的氫氣和氧氣，如果氣泡大小及體積含量超過一定比例，容易引起“氣蝕”現象，導致電解制氧裝置循環泵的損壞，這對電解制氧裝置乃至整個裝備都將造成極大的安全隱患，因此需要實時檢測水中的氣泡大小及體積含量，判定電解制氧裝置是否正常工作，防止安全事故的發生。
[0004]目前，國內外檢測液態水中氣泡大小及體積含量比較常見的方法為醫療器械領域中采用超聲波測量法。如專利《一種氣泡檢測裝置》(申請號:CN102335476A)基本只能監測血液中有無氣泡，而無法實現氣泡大小的準確測量。專利《光氣泡檢測系統》(申請號:01823139.X)基于光的折射實現氣泡大小的測量，其效果只能實現管道內有無氣泡，而無法實現不同流型條件下氣泡累計體積的計量。專利《在線氣泡檢測儀器》(授權號:CN2935140Y)，基于激光技術實現涂布流體在制備、處理和輸送過程中微氣泡的監測，該技術只能實現單一流型條件下的氣泡測量，基于單傳感器基本無法實現復雜流型條件下的氣泡體積準確測量。
[0005]因此，需要一種能夠在不同流型條件下實現氣泡體積的測量裝置及方法，以便對電解制氧裝置的安全運行提供保障。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種氣液兩相流氣泡直徑檢測方法，在不同流型條件下準確測量氣泡直徑，為電解制氧裝置及其他需要檢測氣泡大小的裝置的安全運行提供保障。
[0007]為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是:一種氣液兩相流氣泡直徑檢測方法，包括氣液兩相流氣泡直徑檢測裝置，所述檢測裝置包括分離氣液兩相流的測量通道(I )，所述測量通道(I)的兩個出口上各安裝有紅外檢測對管，所述紅外檢測對管包括分別安裝于所述測量通道(I)出口兩側且位置相對的紅外發光二極管(2)與紅外探測器(3);所述紅外發光二極管(2)和紅外探測器(3)均與信號調理模塊(8)電連接，所述信號調理模塊(8)通過數據采集卡(12)接入計算機(14)，該方法為:
[0008]I)數據采集卡采集信號調理模塊的輸出電壓信號以采樣頻率f，并對采集的電壓信號進行平滑、去噪處理；
[0009]2)設定分析周期T，將分析周期T內信號調理模塊的輸出電壓信號存入數組a [Μ]，其中M=T.f ;其中T的取值范圍為0.5s~60s ；
[0010]3)比較數據a[M]中輸出電壓信號與彈狀流電壓信號最大閾值Vslug_max的大小，若a[M] >Vslug_max，則判定為彈狀流氣泡；比較數組a[M]中電壓信號與泡狀流電壓信號最大閾值Vbubble_max、泡狀流電壓信號最小閾值Vbubble_mix的大小，若Vbubble_mix ( a[M] ( Vbubble_max，則判定為泡狀流氣泡；比較數組a[M]中電壓信號與泡狀流電壓信號最大閾值Vbubble_max、彈狀流電壓信號最大閾值Vslug_max的大小，若Vbubble_max < a [Μ] < Vslug_max，則判定為環狀流氣泡；[0011]4)彈狀流氣泡直徑Dslug的大小與測量通道內徑相同；
[0012]5)第i個泡狀流氣泡直徑DbubblJi]的計算公式為:
[0013]Dbubble[i] =a21.U[i]2+a22.U[i]+a23,
[0014]其中，a21, a22, a23為二次擬合曲線系數，U[i]為分析周期T內數組a[M]中電壓信
^bubble-mix ^bubble-max
之間的第i個脈沖信號對應的峰值；
[0015]6)環狀流氣泡Dannuw的計算公式為:
[0016]DannuIar &31 ^annular-avr ~^~^32 Vannular-avr+&33，
[0017]其中，a31，a32，a33為二次擬合曲線系數，Vannular_avr為數組a[M]中大于泡狀流電壓信號最大閾值Vbubble_max，小于彈狀流電壓信號最大閾值Vslug_max的大小的所有電壓數據的平均值。
[0018]與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為:本發明可在不同流型條件下，實現氣液兩相流中氣泡直徑的測量，與超聲波測量技術相比，具有氣泡直徑測量精度高的優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明一實施例檢測裝置結構示意圖；
[0020]圖2為本發明一實施例信號調理模塊結構框圖；
[0021]圖3為本發明一實施例彈狀流信號采集結果示意圖；
[0022]圖4為本發明一實施例泡狀流信號采集結果示意圖；
[0023]圖5為本發明一實施例環狀流信號采集結果示意圖。
【具體實施方式】
[0024]如圖1所示，本發明一實施例檢測裝置包括分離氣液兩相流的測量通道1，所述測量通道I的兩個出口上各安裝有紅外檢測對管，所述紅外檢測對管包括分別安裝于所述測量通道I出口兩側且位置相對的紅外發光二極管2與紅外探測器3 ;所述紅外發光二極管2和紅外探測器3均與信號調理模塊8電連接，所述信號調理模塊8通過數據采集卡12接入計算機14。
[0025]如圖2所示，信號調理模塊8包括與所述紅外探測器3電連接的光信號檢測電路10、與所述紅外發光二極管2電連接的恒溫控制電路11、以及與所述光信號檢測電路10、恒溫控制電路11連接的脈沖恒流源驅動電路9。
[0026]本實施例中，測量通道為藍寶石玻璃管，其內徑D為8mm。
[0027]測量通道兩個出口上的紅外檢測對管平行，且位置相對，即兩個紅外發光二極管的位置相對，兩個紅外探測器的位置相對；測量通道兩個出口上的紅外檢測對管中心軸之間的距離L (即兩個紅外發光二極管中心軸或兩個紅外探測器中心軸之間的距離)的范圍為 20mm。
[0028]本實施例的氣泡直徑檢測方法如下:
[0029](I)數據采集及預處理:數據采集卡13對信號調理模塊8的輸出電壓信號以采樣頻率f ^ IKHz進行采集，并對采集的電壓信號進行數據平滑、去噪處理。
[0030](2)設定分析周期T，通過對單個分析周期內的氣泡體積進行累加求和，最終實現氣泡體積計量。將分析周期T內的采集數據存在數組a[M]，M=T.?.。比較數據a[M]中電壓信號與彈狀流電壓信號閾值Vslug_max，若a[M] ^ Vslug_max，則判別為彈狀流。
[0031]對數組a[M]中大于彈狀流電壓信號閾值Vslug_max的所有數據求平均值，得到彈狀流信號平均值Vslug_aw，其與彈狀流氣柱直徑大小Dslug的關系見式(I )。
[0032]Dslug-an.Vslug_avr +a12.Vslug_avr+a13 (I)
[0033]其中:an，a12, a13為二次擬合曲線系數。累計統計信號大于Vslug_max的采集信號個數P。
[0034]彈狀流氣泡直徑大小Dslug也可以根據測量通道內徑確定，本發明中，Dslug與測量通道內徑相同。
[0035](3)比較數組a[M]中電壓信號與泡狀流電壓信號最大閾值Vbubble_max及最小閾值\ubble-mix° 右 Vbubble-mi;; < a M < Vbubble_max，則判定為泡狀流。
[0036]通過峰值檢測，統計電壓信號在Vbubble_mix~Vbubble_max之間的脈沖個數及對應的脈沖信號峰值，存入數組b [N]，N 為脈沖個數。氣泡直徑大小Dbubble與脈沖信號峰值電壓U之間的關系見式(2)。
[0037]Dbubble-a21.U +a22.U+a23 (2)
[0038]其中:a21，a22，a23為二次擬合曲線系數。
[0039](4))比較數組a[M]中電壓信號與泡狀流電壓信號最大閾值Vbubble_max及環狀流閾值Vslug_max。若Vbubble_max<a[M] < Vslug_max，則判定為環狀流。并累計相應的電壓脈沖個數Q。
[0040]對數組a[M]中大于彈狀流電壓信號閾值Vslug_max，小于彈狀流電壓信號閾值Vslug_max的所有數據求平均值，得到環狀流采集信號平均值V_ultaw。環狀流氣柱直徑大小Dannulm與采集信號平均值V_ul?的關系見式(3):
[0041 ] DannuIar &31 ^annul ar-avr +&32 Vannular-avr+&33(3)
[0042]氣液兩相流氣泡體積檢測裝置測量的氣泡直徑可在計算機14上實時顯示出來。
[0043]本實施例中，信號調理模塊輸出電壓信號范圍為0.5V~4.5V。0.5V對應管道內全水狀態時紅外探測器的信號輸出值，4.5V對應管道內全氣狀態時紅外探測器的信號輸出值。
[0044]圖3、圖4、圖5對應裝置對環狀流、彈狀流、泡狀流流型條件下的信號采集波形。本發明中，紅外檢測對管的輸出電壓范圍為0.5~4.5V，彈狀流氣泡對應的電壓大小> 4.4V，泡狀流氣泡對應的電壓大小為0.5~3.6V，環狀流氣泡對應的電壓大小為3.6~4.4V。其中，彈狀流電壓信號閾值Vslug_max為4.4V,泡狀流電壓信號最大閾值Vbubble_max為3.6V，最小閾
值 Vbubble-mix 為?.6V。
[0045]其中:[0046]彈狀流氣泡直徑為8mm ；
[0047]在標準氣泡信號源發生裝置上，選取三個或三個以上氣泡直徑標定點(選取的標定點越多，擬合誤差越小)，本實施例中選取了直徑為2mm、4mm、6mm的泡狀流氣泡,其脈沖峰值電壓信號分別為0.8V，1.5V，3.6V。采用二階函數擬合得到如下關系:
[0048]Dbubble[i]=-0.80.U[i]2+5.03.U[i]_l.83
[0049]其中:an=-0.8, a12=5.03, a13=-l.83。
[0050]環狀流氣泡直徑與峰值電壓的擬合曲線計算過程如下:[0051]在標準氣泡信號源發生裝置上，選取三個或三個以上標定點(選取的標定點越多，擬合誤差越小)，本實施例中選取了平均直徑為6.5mm, 7mm, 7.5mm的環狀流氣泡，其信號平均值輸出為3.81V，4.12V，4.38V。采用二階函數擬合得到如下關系:
[0052]Dannular=-0.62.Vannular^avr2 +6.82 ^annular~avr 丄。.48
[0053]其中:a21=_0.62，a12=6.82，a13=_10.48。
[0054]對釆集信號按照本發明的方法流程進行數據處理，得到氣液兩相流氣泡直徑的測
量結果。
【權利要求】
1.一種氣液兩相流氣泡直徑檢測方法，包括氣液兩相流氣泡直徑檢測裝置，所述檢測裝置包括測量氣液兩相流氣泡直徑的測量通道(1)，所述測量通道(I)的兩個出口上各安裝有紅外檢測對管，所述紅外檢測對管包括分別安裝于所述測量通道(I)出口兩側且位置相對的紅外發光二極管(2)與紅外探測器(3);所述紅外發光二極管(2)和紅外探測器(3)均與信號調理模塊(8)電連接，所述信號調理模塊(8)通過數據采集卡(12)接入計算機(14)，其特征在于，該方法為:1)數據采集卡采集信號調理模塊的輸出電壓信號以采樣頻率f，并對采集的電壓信號進行平滑、去噪處理；2)設定分析周期T，將分析周期T內信號調理模塊的輸出電壓信號存入數組a[Μ]，其中M=T.f ;其中T的取值范圍為0.5s~60s ；3)比較數據a[M]中輸出電壓信號與彈狀流電壓信號最大閾值Vslug_max的大小，若a[M] >Vslug_max，則判定為彈狀流氣泡；比較數組a[M]中電壓信號與泡狀流電壓信號最大閾值Vbubble_max、泡狀流電壓信號最小閾值Vbubble_mix的大小，若Vbubble_mix ( a[M] ( Vbubble_max，則判定為泡狀流氣泡；比較數組a[M]中電壓信號與泡狀流電壓信號最大閾值Vbubble_max、彈狀流電壓信號最大閾值Vslug_max的大小，若Vbubble_max < a [Μ] < Vslug_max，則判定為環狀流氣泡；4)彈狀流氣泡直SDslug的大小與測量通道內徑相同；5)第i個泡狀流氣泡直徑DbubblJi]的計算公式為:DbUbbie [i]=a2i.U[i]2+a22.U[i]+a23, 其中，a21，a22，a23為二次擬合曲線系數，U[i]為分析周期T內數組a[M]中電壓信號在^bubble-mix ^bubble-max之間的第i個脈沖信號對應的峰值；6)環狀流氣泡Dannulm的計算公式為:Dannular ^31 ^annular~avr "^"^32 Vannular—avr+&33，其中，a31，a32，a33為二次擬合曲線系數，Vannular_avr為數組a[M]中大于泡狀流電壓信號最大閾值Vbubble—_，小于彈狀流電壓信號最大閾值Vslug—max的大小的所有電壓數據的平均值。
【文檔編號】G01B11/00GK103591901SQ201310369276
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年8月22日 優先權日:2013年8月22日
【發明者】張建國, 王棟, 何峰 申請人:中國電子科技集團公司第四十八研究所