用于检测微重力条件下气水两相流特性的电容传感器.docx
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用于检测微重力条件下气水两相流特性的电容传感器
用于检测微重力条件下气-水两相流特性的电容传感器
DevinLoweandKamielSRezkallah
MicrogravityResearchGroup,57CampusDrive,UniversityofSaskatchewan,Saskatoon,SKS7N-5A9,Canada
Received16March1999.infinalformandacceptedforpublication16July1999
摘要
为了客观地辨识流型，一种凹面的平行板电容传感器已经被用于测量两相流的空隙率。
这种传感器已经被用于NASA的DC-9型“路易丝”号微重力试验飞机上的一个两相流回路，它的实验数据已经被收集了许多。
根据高速相机得到的流体图像分析结果、从电容传感器得到的空隙率随时间变化的曲线和概率密度函数来辨识流型的方法，比只用流体图像分析的方法更客观。
关键字：
微重力，两相流，空隙率，电容传感器
专用符号：
Ag气相流所占的平均截面面积（m2）
Al液相流所占的平均截面面积（m2）
D管内直径（m）
K介电常数
Usl表面液相速度（ms-1）
Usg表面气相速度（ms-1）
Va全气相时的平均传感器电压输出（v）
Vm混相时的平均传感器电压输出（v）
Vw全液相时的平均传感器电压输出（v）
V*标准电压输出（v）
Qg管内的气相流量（m3）
Ql管内的液相流量（m3）
未知量符号：
空隙率
相密度（kgm-3）
表面张力（mNm-1）
引言
当周围的空间介质不断更新和21世纪出现了更多积极的技术，两相流在空间应用中变得日益重要了。
这些空间应用包括：
高效率的能量传送系统的设计、用于通讯和地球探测卫星的先进的热能管理和控制系统、作为轨道飞船燃料的低温流体的储藏和传送系统以及在微重力条件下的热交换和能量输送系统中凝结、流动、沸腾过程。
研究微重力条件下的两相流的理由有许多。
显而易见的，它在前述的过程中为飞船装置提供了数据，并可以测试飞船的硬件。
它也可以引导我们对流体有一个更好的认识。
实际上微重力的条件使得我们可以研究如表面张力这样的次要影响力怎样在缺乏地球上的两相流中具有支配的浮力的条件下影响流动。
如Zhao和Rezkallah（1993）所描述的，在微重力条件下两相流有四种流体状态存在。
（在图1中示出）他们是：
气泡流，其特征是分离的气泡在液体中流动；栓状流，存在被缓流液体分开的泰勒气泡，同时缓流液体中可能有一些小的气泡；过渡流，其特征是液体象薄膜一样贴在管壁上流动，而气相在管中央流动并呈现出频繁的无序性和易变性；环状流，液相流象薄膜一样附着在管壁上，而气相流不间断地通过管道中央。
因为许多两相流的模型有赖于水流状态的确定，所以一个能正确和客观地确认两相流流体状态的方法是需要的。
目前的两相流分析方法的一个缺点就是事实上大部分的流体状态的确定是通过记录的流像来做到的，而这个过程非常耗时并且实际上是很主观的。
这一点可以通过不同的研究者报告中的数据的巨大矛盾看出来。
不过许多研究者已经证明在正常重力情况下，空隙率的测量可以增加一些流体状态识别的客观性。
空隙率，，被定义为总的流量体积中气体的体积。
它可以通过等式
（1）计算得出。
或
（1）
在等式
（1）中，Qg和Ql分别是（不能和流量的体积比率相混淆）在管中流动的气体和液体的体积。
Ag和Al分别是被气体和液体所占的实际平均截面面积。
一般情况下，使用空隙率的方法来确定水流状态包括使用空隙率信号的概率密度函数（PDF）。
最早的研究者之一是Jones和Zuber（1975），最近的一些进展是由Songetal（1995），Costigan和Whalley（1997）做出报告的。
至今，很少有人在寻找一种微重力条件下客观地确认两相流状态和它们的过程的方法上有所进展。
描述微重力条件下流体状态通常是通过录像记录或者相片来确定的。
所以设计一种能够用来确立正确定义微重力条件下的两相流状态的方法的空隙率传感器是客观需要的。
2.空隙率的测量技术
有好几种方法可以用来测量空隙率。
它们包括射线法，电导传感器，快关阀法（QcVs），电容传感器。
这些方法都有优点也有不足之处。
射线法是非侵入式的，而且能够获得更多关于流体的信息；但是它的设备过于笨重而且不符合在NASA的DC-9飞机上使用的安全要求。
电导式传感器可以做成各种各样的结构而且能测量空间平均空隙函数（Elkow,1995）；但是它们总是具有干扰性的探针，而且它们的校正器对流体状态很敏感，QsVs法可能是最简单和最准确的方法；它的不利之处是它的检测不是连续的，而且为了好的准确度需要一个长的隔离区。
在所有可用来测量空隙分数的方法中，无侵入是最可取的。
一个电容传感器可以做到：
无侵入，时间平均的空隙率测量，而且它的时变输出信号也可以用于流型的识别。
因为两个电容电极之间的空间和距离是不变的，所以唯一导致电容变化的原因是电介质的变化。
因为是两相流，所以电介质由气，液两相组成。
被测量到的电容就代表了管道内通过装置的流体各相的量和二相的结构。
这样的话，通过监视传感器输出的波动就可以确认流体状态的变化。
电容传感器已经被广泛地研究，例如：
Meriloetal（1997）,Masudaetal（1980）,Heerens（1986）以及其他的人。
然而，把测量范围降低到01至10PF是很难得的。
所以，适当地防止背景电容和一个好的信号-噪声比是需要的。
多种多样的电极结构已经被许多研究者设计出来，其中有平板式，凹形的，螺旋形，复合螺旋形，和流体相关联或者和流体相分离的。
两只电容传感器被Geraets和Borst（1988）用于一根内径为50mm的管子和一根内径为5mm的管子。
他们使用的传感器是螺旋缠绕型。
两条薄的黄铜片缠绕着一根细的丙烯酸管子，黄铜片的位置总是彼此相对的。
一个保护电极被用来降低边缘电势和背景电容的影响。
（杂散电容实质上是一些不受欢迎的电容，这些电容可能发生于电路里的导线之间，导线和底座之间，或者电极上的元件和底座之间。
）Geraets和Borst（1988）用这种传感器测量了空隙率，而且还得到了一些在水平管子内流体模型的信息。
层析成像用于电容传感器也是可行的。
Huangetal（1989）报告了使用8个电极安装于一根绝缘的管子的外侧的实例。
通过测量不同队的电极的电容，图像复原是有可能的。
两相流中电容的变化被计算机使用线性回归算法处理从而重建了过程区域的图像。
这种方法被顺利的发展下来。
此外，Huangetal（1988）重建了电极保护方法和电极测量技术。
事实上，在后来的研究中，Huangetal（1988）设计了一个电极测量电路，使用了一个充/放电荷的原理，使得能够把背景电容的影响降到最低。
最近的在电容测量方面的研究努力是由Lietal（1992）做出的。
3.传感器结构
3.1设计目的
设计的主要目的是制造一种能准确测量空隙率的传感器。
为了使这个传感器能够用来确认流体状态，它必须对能空隙率的微小变化而敏感地产生一个能显示流体状态明确变化的信号。
这个传感器必须是非侵入式的，以便于避免对流体特性的任何改变或者触发从一种状态向另一种状态改变时的早期变化。
另外，为了最大限度的使用传感器，它的参比值必须完全和流体状态无关，而且还必须具有尽可能宽的空隙率测量范围。
传感器必须安全、可靠，因为它是被设计来用于NASA的DC-9型微重力试验飞机上的测量。
它也需要完全符合NASA的在失重飞行器上的安全要求。
它必须非常可靠，因为在飞机上使用的机会非常难得。
最后，传感器必须对振动不敏感，并且能够抗拒在流动中经常遇到的压力波动。
简要的，空隙率传感器设计的目的是：
能准确测量空隙率
能产生适合统计分析的信号
非侵入的
独立于流体状态
能测量全部范围的空隙率
安全可靠
能防震和抗拒流动的压力波动
表1.0到50.C的水的性质
3.2设计细则
这篇文章中描述的新装置是一种电容传感器，它能够测量两相流中电介质的变化而引起的空隙率的变化。
测量效果的两个主要影响因素是：
（a）传感器的几何形状，（b）电极之间的电介质。
在这项研究中，完全电离的蒸馏水和空气是用于试验的两种流体。
空气的介电常数为1.00059，但是水的介电常数随着温度的变化而变化，如表1所示。
因为这些原因，所以每次运行过程中水的温度尽量保持恒定。
影响电容测量的问题之一是边缘效应，这是因为电场边界达到两个电极之间的区域以外造成的。
两个电极之间的距离可以决定电场边缘电势的大小。
如果缺口的距离相对于电极之间的区域足够小，这就不是个问题了。
然而，一个空隙率传感器的电极之间的距离是由管子直径来决定的。
这样，就需要保护电极以降低边缘电势。
保护电极的目的是“除去”边缘电场，使它们不会影响电容测量。
因为空隙率传感器的电容测量范围是0.5到1.5PF，背景电容必须减到最小，所以把一个保护套装在电极的周围以防止背景电容的影响。
此外，测量电极的设计是以Huanyetal（1988）所作的广泛的研究为基础。
由于一个电荷充/放方法的应用，所以使背景电容的影响降到最小。
Elkow和Rezkallah（1996）比较了两种电容是的空隙率传感器：
一种的两个电极以螺旋状相对的分别缠绕在管子上，另一种是两块凹的平行板电极相对地安装在管子两边。
螺旋状缠绕的传感器问题启发了对凹状平行板传感器的改进。
Elkow和Rezkallh（1996）确定了几项凹状平行板传感器的要求。
首先，他们发现电极应该有相当的长度以避免非线性的影响。
其次，他确定电极之间应该尽可能靠近以增加电容的灵敏度。
最后，他们发现保护套和电极应该用绝缘材料隔开，使它们之间的距离相对大于电极之间的距离。
这样可以通过防止电极向保护套“漏电”来提高灵敏度，同时还可以保持适当的防护能力。
新的凹状平行板传感器的性能背证实比螺旋传感器有了很大的提高。
它唯一的问题是10倍于管径（10D）的传感器长度太长以至于不能发现局部空隙率的变化。
3.3传感器描述
关于这中凹状平行板电容器的研究应用了许多Elkow和Rezkallh（1996）的研究成果。
传感器得简图如图
（2）所示。
这种传感器的测量长度是2D以便在保持足够进行精确测量的灵敏度
图2.空隙率传感器装置
的同时能够发现局部变化。
对流动图像的观测也显示出在缓流中的泰勒气泡和缓流液体一般长度等于或者大于2D，流体中的扰动和bridgingevents长度一般大于2D。
在泡状流和环状流中，2D的传感器长度不会因为一个气泡或者波动的通过而引起大的电容变化，这种把它们从流体结构中去分出来的问题在缓流和过渡流中也会碰到。
简要地说，传感器应足够短，以便能够区分出缓流和过渡流的状态，然而也不能太短,否则会把泡状流、缓流混淆起来。
这种传感器由一个内直径为9.529mm，外直径为15.875mm的玻璃纤维管构成。
管子被绝缘的乙缩醛包裹（乙缩醛的同等聚合物，商业名字为Delrin）（直径50.8mm），然后再装上一个黄铜的保护套（3.175mm厚）。
离玻璃管内壁0.5mm处是4个测量电极和两个环状保护电极（全部由黄铜制成）。
四个测量电极有19mm长、5.5mm宽，每一个的弧度为60º，对称地放在周围。
每一个电极和装在黄铜保护套上的一个BNC连接器相连。
两个相反的BNC连接器连接到测量电极，另两个和黄铜保护套相连。
这样，两个测量电极把底线接到黄铜保护套充当保护电极保护两个使用中的电极。
这样可以确保电场边界直接经过管子而不经过边缘，实际上是在管子周围形成一个“短电路”。
两个环状保护电极有3mm宽，绕管子一周。
它们分别离测量电极两端3mm远。
Delrin绝缘体和黄铜保护套用来防止仪器中别的电器元件产生的背景电势。
传感器被在萨斯喀彻温大学设计和制造出来。
玻璃纤维管是通过把玻璃纤维和树脂覆盖在一个直径不到9.525mm（以便于后来加工其内壁）的钢杆上完成的。
包裹一层厚度大于0.5mm的玻璃纤维和树脂，外表用机器加工到直径为10.5mm，留下0.5mm的玻璃纤维。
然后放上4个黄铜电极和两个环状保护电极，用胶水把它们粘牢。
同导线焊接在每一个电极上。
然后用玻璃纤维和树脂覆盖在管子上，直到直径大于16mm。
这时候，传感器的表面，包括暴露的铜导线被加工到15.9mm，把玻璃纤维管从钢杆上移下来，则内套完成。
Delrin绝缘体和黄铜套被加工，以使其适合玻璃纤维管。
Delrin绝缘体被加工为两层，这样其中一层可以移动，使BNC连接器经由一段短导线和传感器导线焊在一起。
用螺钉穿过保护套、绝缘体，并镶入玻璃纤维管，以确保玻璃管和保护套、绝缘体被牢牢固定在一起。
4.传感器标定
4.1标定系统
用于标定空隙流传感器的流动回路如图3所示。
它是一个正向位移泵，这个水泵把水从一个151.4公升的水箱，通过一个热交换器和一个液体计量器送到在垂直测试装置底部的混合器中。
所用的水是完全电离的蒸馏水（水的传导系数范围为8到9.5µScm-1）。
在混合器中，空气以辐射状注入流体中。
两相流通过内径为9.525mm的管子，然后从混合器的出口经过3.00m长的管子（315D）进入空隙率传感器。
空隙率传感器的后面是两个快关阀。
一个距离混合器3.50m，另一个距离混合器5.00m。
然后水转回到蓄水箱，在这里水被循环使用，空气被排出。
混合流体的温度由温差电阻在水箱入口处测得。
传感器的输出用快关阀法测得的值进行校正。
快关阀法是通过截获管子中的流体来获得对空隙率的准确测量。
管子中的水和空气的体积会分别被测出，从而得到空隙率。
阀门关闭过程的时间少于0.01s，这个时间是由Dounanetal（1985）确定的。
因为要求产生的实验误差能被忽略。
当阀门处的表压达到105Kpa是，流体就从旁路回到水箱。
另外，如果测试装置的绝压超过310Kpa，计算机会自动关闭气流来降低压力和保护回路。
数据的获得和控制是有一台486/66MHZ的计算机中的一块12位的ADAC5550MF复合函数板做到。
空气和水的流量，绝对压力，空隙率数据，环境和流体的温度是有一个在复合函数板上的大约200HZ的12位的A/D传感器来记录的。
4.2标定过程
标定要求能够覆盖传感器测得到的空隙率的全部范围，而且也可以测试传感器对各设定点的液体流量和流动状态的不灵敏区。
表2是除了用于标定的液体表观速度（Usl）和气体表观速度（Usg）。
标定过程先确定液体流量，然后根据液体流量来确定气体流量。
当一个流量被确定后，要给系统足够的时间已达到稳定状态，然后开动快关阀截获一段流体。
在截获部分里通过分开的气体的柱高和被截部分的管长（1.5m）比较得到空隙率。
因为每次流量的调节在得到传感器的记录前平均不少于4次截流。
一般的，每次通过快开发阀得到的空隙率不低于平均读数的5%，只有不到2%不同于平均数。
传感器的每次记录输出大约间隔12秒（或者2500次采样）。
所有截断完成后，传感器的输出被记录位一次标定的结果，接着气体流量被增加到一个新的标定点，标定过程重复进行。
为了得到标定曲线，快关阀法得到的空隙率和空隙率传感器输出的标准电压分别作为相对的坐标。
标准电压输出V*由等式
（2）算出。
（2）
Vw和Va是传感器充满水和空气时的电压输出。
在等式
（2）中，Vm是特定标定点的测量电压。
全部为空气和全部为水的电压输出读数在每次标定之前或者之后读取，或者当水的流量发生变化的时候。
这样做是为了使轨迹的变化随着因温度或者水的导电性的变化而引起的流体介电常数的变化而变化。
水的导电性在标定前后分别测量发现有8.7%的变化（标定前为8.4µscm-1，之后为9.2µscm-1）。
4.3标定结果
标定结果如表4所示，表明传感器在空隙率的变化范围内大部分是线性的，而且不受流体
图4.空隙率标定结果
状态的影响。
最适合的标定曲线由等式（3）给出。
（3）
其中是快关阀法中得到的空隙率。
这条曲线确定的系数（R2）为0.9983，标准误差为0.011，表明非常适合。
仪器精度误差为0.022。
在一个95的信任度水平。
因为最适合的曲线包含一个指数项，所以它不是线性的；然而当空隙率在0.24以上，这个指数项将不影响这条曲线，所以在剩下的空隙率范围的标定基本上是线性。
在实际过程中，等式（3）中的指数项要在空隙率低于0.06时才有需要考虑的影响。
在标定中散布于0.6到0.8之间的空隙率要考虑这个区域内的高度无序的翻腾流。
另外在标定中要考虑的是标定必须独立于流体状态，这一点要贯穿空隙率标定的全部区域。
4.4重复性实验
为了确信传感器是可靠的，用实验检测它的重复性。
地面试验是通过一个移动的流体装置来进行的。
这个装置覆盖了飞行仪器能够维持的全部范围。
每一次流动标定在三个分开的场合重复进行，结果如图5所示。
图（5）地面重复性实验结果
它清楚的表明大部分读数是非常相符的。
散布的点是在翻腾流体状态内的，在这个区域内流动非常无序，造成了两次实验之间的巨大误差。
表（3）表示了重复实验中3次实验之间的均方根误差的误差百分数，其中以实验1作为参考。
结果表明实验1和实验2之间的空隙率变化为2.6，实验1和实验3之间的空隙率的变化率为3.6。
如果流动装置在每次实验中都相同，这个变化表明了传感器的重复性。
然而，在相同的下Usl的变化很明显，而Usg的变化却不大，表明的变化至少部分是由于实验之间的流动装置的差异造成的。
表3.重复性实验中在不同流动装置和实验之间的均方根误差的相对误差百分数，
其中实验1为参考。
在NASA的路易丝号DC-9型飞机的微重力实验中，许多流动装置也被重复进行试验。
图6表示的是在飞行过程中的重复性实验结果。
图6.微重力条件下的重复性实验结果
在这个实验中就所有重复的标定点而言Usl的均方根误差为２.7，Usg的均方根误差为0.2，而空隙率的均方根误差为1.9。
当然，这些差异很可能是由于流动装置的变化引起的。
另外，在读数确定之前先通过做漂移实验来确定传感器的温升区。
实验发现电子线路需要100分钟才能稳定下来。
这已经被记录在飞行过程中。
4.5规格摘要
空隙率传感器的规格摘要见表4所示。
表4.空隙率传感器规格摘要
5.和别的空隙率数据比较
因为空隙率传感器是在地面正常重力情况下标定的，所以需要通过和其他微重力条件下得到的数据进行比较已确认这只传感器得到得的微重力条件下的数据。
空隙率的比较如图7所示。
目前得到的数据与Elkow（1995）和Bousman（1995）研究的数据极好的吻合，只有很小的散布。
这种和另外两个研究的测量结果的散布可以归因于其他参数的影响，例如管子直径，这个影响没有在表7中表示出来。
在表7中一个应该注意的重要事实是：
传感器获得的微重力条件下的数据留在了其他研究得到的微重力条件下数据的范围内。
6.流动状态识别实例
在NASA的路易斯号DC-9型为重力实验飞机的一系列飞行中，做了很多空隙率的测量。
当飞机处于抛物线航迹的顶端时，这种航迹在机舱中造成了接近于失重的状态。
一般地，在爬升和俯冲的过程中残留重力为0.03g（g为标准地球引力）这个残留重力作用在流体状态上，能对流体测量和流体状态产生不利影响。
实验所得数据被分析以确定只凭借传感器所得数据确认流体状态的可能性。
空隙率的时间轨迹，空隙率数据的PDF，以及高数摄像机的记录被在随后的记述每一种主要流体状态的章节中示出。
关于这种确定流体状态的方法的讨论得更多细节在Lowe（1997）可以找到。
6.1气泡流
由空隙率时间曲线和PDF描述的气泡流见图8（a）和（b）。
图8（c）所示的是由高速摄像机得到的一张相片，它清楚地显示了不同的气泡沿管子中线流动。
空隙率时间曲线在一条低空隙率的水平线上存在着很多小的波动，符合气泡通过时的情况。
泡状流的PDF在低空隙率的地方有一个狭窄的峰值，表明了在一个确定值周围的小波动。
可以发现在泡状流情况下有唯一峰值的PDF一般不超过0.2。
6.2缓流
空隙率时间曲线，它的PDF，以及典型缓流的流动状况相片见图9（a）-（c）。
空隙率的信号描述了缓流的时间曲线，这条曲线在高值和低值之间波动。
缓流过程表现出低空隙率，而当泰勒气泡通过时则表现为高空隙率。
图9（c）的流动相片可以看到一段缓流的液体以及位于顶部的一个正在离去的泰勒气泡的尾巴，还有在观测装置的底部显示出的另一个泰勒气泡的突出部分。
正在离去的泰勒气泡尾部的小气泡是由于如前所述的残留重力的影响造成的。
一般缓流的PDF有两个峰值，一个高空隙率峰值和一个低空隙率峰值，这与泰勒气泡和液体缓流的过程是相符合的。
6.3过渡流
过渡流一般由空隙率曲线，它的PDF值，和流动状态相片表示。
如图10（A）-（C）所示。
图10（C）显示了一个典型的不稳定的前进液体缓流区，这就是一个过渡流。
过度流的空隙率时间曲线倾向于保持在一个高空隙率上，但是又无规则地急降到一个低的空隙率上。
一般来说，这些低空隙率的状态是非常短命的，这表明了这种缓流的不稳定性。
过渡流的PDF显示出一个宽的峰值，一般空隙率的最大值在0.7到0.9之间，从峰值到0空隙率有一个很长的过程。
PDF中唯一的峰值反映了向环状流的过渡，而长长的尾巴则反映了有很小的不稳定型的缓流。
6.4环状流
环状流的空隙率时间曲线，PDF，和相片见图11（a）-（c）。
环状流的空隙率时间曲线保持在0.8到0.9之间。
图11（c）显示了液体薄膜偶尔被扰动流打断。
这种扰动流的“痕迹”在时间曲线种表现为空隙率稍微下降到低一些的空隙率值上。
一个典型的环状流PDF在空隙率为0.80到0.90之间有一个非常窄的峰值，而且过渡到低空隙率的过程很短。
PDF的下这峰值表明薄膜在干扰流通过后能维持几乎不变的厚度。
图8.微重力条件下气泡流的实例（a）空隙率时间曲线（b）PDF（c）相片
图9.微重力条件下缓流的实例（a）空隙率时间曲线（b）PDF（c）相片
图10.微重力条件下缓流的实例（a）空隙率时间常数（b）PDF（C）相片
结论
一个电容方式的空隙率传感器获得了成功，达到了所有预期的目标。
这只传感器能够非侵入地在正常和微重力条件下测量气-液两相流的空隙率。
传感器的标定和实验表明它能够在整个空隙率区域内精确测量，并且不受流体状态的影响。
地面和微重力飞行试验表明它是可靠的，记录数据在实验装置误差范围内是可重复的。
传感器也证实它足够的牢固，可以应付在测试过程期间的震动和压力的波动。
传感器收集的微重力条件下的空隙率数据对于确定流体状况是非常有用的。
由空隙率数据得到的可能密度函数清楚地显示出了四种流体状况的不同。
图11.微重力条件下环状流的实例（a）空隙率时间曲线（b）PDF（c）相片
答谢
在此作者要答谢萨斯喀彻温大学工程学院为这个计划提供的财政支持，NSERC，以及在加拿大空间机构和NASA的空间合作计划中提供的DC-9型飞机。
引文
BousmanS1995Studiesoftwo-phasegas-liquidflowinMicrogracityPhDThesisUniversityofHouston.Texas
CostihanGandWhalleyPB1997SlugflowregimeidentificationfromdynamicvoidfractionmeasurementsinverticalAir-waterflow
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