气液两相流中液滴粒度的测量系统设计.docx
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气液两相流中液滴粒度的测量系统设计
摘要
气液两相流是两相流（含气液两相流、气固两相流、液固两相流和液液两相流等类别）的一种。
它是由气液两相混合物构成的两相共存并相互作用的流动体。
这种气液两相流现象，在自然界和人们生活中是常见的。
在液滴或其他颗粒的粒度测量技术中，电测法由于具有一些明显的优点而备受人们重视。
多年来，国内外许多学者在这方面做了大量的研究工作。
由于单电子探针法在探针上施以高压，在其周围产生电磁场且探针体积较大，对流场有影响，使测量精度和适用范围受到了限制。
为此我们进行了按液滴自身带电来测量液滴粒度分布的研究，做了电子探针法液滴粒度及其分布的测量系统的设计。
通过对注射器改制的液滴发生器所产生的液滴的大量实验表明：
液滴在其形成时，可能带正电，也可能带负电，每一滴液滴在撞击和脱离探针时都会产生正负两次跳变，而且，正负脉冲峰峰值与液滴粒径之间存在一种单值对应关系，而且液滴越大，其脉冲峰峰值也就越大，通过标定找到这种对应关系，即可测量液滴粒度及其分布[1]。
关键词：
液滴；电子探针法；气液两相流；液滴粒度分布
Abstract
Gasliquidtwo-phaseflowistwo-phaseflow（containangryliquidtwo-phaseflow,airfirmlytwo-phaseflow,liquidfirmlytwo-phaseflowoutwithliquidandliquidtwo-phaseflowoutetc.classification）akindof.Itisfromangryliquidtwo-phasemixtureformtwo-phasetoflowoutphenomenon,iscommoninthelifeofnatureandpeople.
Inthesizemeasuretechnologyofdropletorotherpelletstheelectricallawofmeasuringbecauseofhavesomeobviousadvantagesgetpeoplepayattention.Formanyyears,domesticandinternationalalotofscholarsmakeplentyofresearchworksinthisrespect.Sincesingleelectronicprobelawusesonprobewithhighvoltage,init’saroundproduceelectromagneticfieldjustprobevolumegreater,convectionsitehasinfluence,makesmeasureprecisionandsuitablescopehavegottenrestriction.Therefore,wepressdropletself,iselectrifiedtomeasuretheresearchofdropletparticlesizedistribution,havemadethedesignoftheprobelawdropletsizeofelectricchargeandthemeasuresystemofitsdistribution.
Showthroughtheplentyofexperimentsthatproducedropletforalteringthedropletgeneratorofsystembyinjector：
Dropletinitform,possiblepositivelotusisalsopossibletotakenegativeelectriccharge,eachdropletcanproduceinreamingandbreakingawayfromprobe，isbeingnegativetojumptwicetochangeandjustnegativepulsesummitpeakvaluecorrespondingrelation,anddropletisthemorebig,it’spulsesummitpeakvalueisalsothemorebig,spreadmeasuredropletsizeanditthroughmarkingtofindthiskindofcorrespondingrelation.
KeyWords：
Droplet;ElectronProbe;AngryLiquidisTwo-phasetoFlow;DropletParticleSizeDistribution
第1章绪论
1.1选题的目的和意义
气液两相流是由气液两相混合物构成的两相共存并相互作用的流动体。
如降雨、瀑布、油气喷发物它们广泛存在于化工、石油、能源、动力等行业中，其特征参数（液滴粒度、起泡尺寸、液膜厚度等）的检测技术已成为两相流基础研究的一个关键环节，是当前国内外普遍关注的热点之一，难点之一。
液滴粒度及其分布参数的测量是气液两相流的重要特征参数之一，为了使工程设计合理，设备运行优化及评价各种安全因素，迫切需要提供气液两相流中液滴粒度及分布参数，基于实测所提供的数据，从而达到改进工程设计和工艺操作等，无疑将大大提高产品的质量和劳动生产率，获取更大的工作效益。
例如：
在动力机械（锅炉、内燃机、涡轮喷气发动机）的燃料燃烧过程如能掌握液雾中燃料液滴的平均粒度，粒度分布和空间分布，据以设法增大其总体表面积，就可提高传热、传质速率、加快燃烧过程，提高燃烧效率，再如：
在相接触设备（传质、传热、搅拌设备）中，在喷射状况下，测量液滴粒度及分布，对于研究像精馏塔这类分离设备的流体力学特性及传质性能，进而改善工程设计或工艺操作，以获取更好的经济效益具有十分重要的意义[2]。
1.2国内外研究现状概述
当液滴碰有一加有电压的金属探针时，会产生一个脉冲信号，液脉冲信号的幅值与液滴粒度有一定的关系，故分析脉冲的幅度即可得到液滴的粒度及其分布。
这种测量方法有Gugton于四十年代提出的研究结果表明脉冲幅值与液滴的粒度平方成正比，此后又有许多学者对电子探针法进行了研究并取得了一定的进展，归纳如下：
1．Geist的研究结果表明：
导电液滴撞击探针所产生的脉冲幅值与液滴粒度，探针电压，液滴撞击探针的位置有关，而基本上不受液滴才质的影响；
2．EROK，PakerGoishTotterson等人由球形探针来解决脉冲幅值受撞击位置的影响问题，但使用效果不佳；
3．玉野和保采用与O.F.Tattonson等人由球形探针，对电子探针法的机理，影响测量结果的因素使用范围以及数据处理等进行了较全面的研究。
并采用了峰值保持电路及A/D与微机连接处理数据的技术；
4．R.V.Rincirwesti和c.j.o.Fell及JA.Raprer用电子探针法测量筛板塔内喷雾工况下液滴粒度及分布，对探针特性进行了较全面的研究，在适用性方面进了一步。
1.3本设计的主要内容
1．在前人研究的基础上，使测量系统实现智能化——AT89C52单片机
2．采用高精度、中速的ADC0809芯片作为A/D转换器代替原A/D板
3．优化改进峰值保持电路，以LF398（采样保持器）为核心器件构成简便实用的峰值保持电路
4．防50Hz工频干扰陷波电路设计
5．智能测量系统电源设计、±5V、±15V双路稳压电源
6．上下位机通讯接口设计，上位机通过传行口控制下位机操作编制友好用户界面，在界面上直接进行参数设置和传送，以及数据的存盘、打印等操作。
通讯接口采用RS—232C
7．软件设计
1）单片机软件：
为了便于调试和扩展功能系统软件采用模块结构，按功能分为主程序模块，数据采集模块，数据存储模块和通讯模块。
2）C语言编写的上位机程序：
在Windows环境下的数据采集与分析程序，本程序将各种参数送到下位机，下位机采样后将数据传送到上位机，上位机程序对数据进行处理，并对处理结果进行显示、存储、打印等操作。
这一系列过程都是由C语言实现的。
第2章电子探针法测量液滴粒度及分布的机理
2.1测量原理
电子探针法是利用一根两端加以绝缘套的金属丝作为探针，并施以高压形成正电位。
当带有一定导电性的液滴撞击到探针的裸露部分时，会产生一电脉冲信号，该脉冲信号的幅值与液滴粒度存在单一的线性关系，通过测量分析单个液滴的脉冲幅值即可得出液滴的粒度及分布[2]。
2.2测量方法
将传感器的探针部位放置于存在液滴群的空间，以便各种粒度的液滴能与探针发生碰撞，并应使探针提取的由于液滴碰撞所产生的电脉冲信号经由电缆接至外部的陷波电路消除50Hz的工频干扰后，经过峰值保持电路、A/D转换电路将液滴脉冲信号送单片机进行处理。
依靠软件根据液滴粒度与脉冲幅值的线性关系式D=AUom+B可得到液滴粒度及分布。
其结果可用微型打印机打印，也可通过上位机显示出来[4]。
2.3理论分析及影响因素
2.3.1响应Uom与粒度D的关系
为了得到响应Uom与待测粒度D的关系的结果，可用电子探针传感器在一定范围内对不同液滴粒度D进行测量，其结果显示Uom与待测粒度D呈线性关系[5]。
2.3.2液滴导电率产生的影响
不同导电率的液滴在同一粒度D时碰撞探针的同一位置所获的的响应是不同的。
因此，为保证测量的精确度，在测量过程中应保持待测液滴的导电率不变[3]。
2.3.3液滴本身带电产生的影响
各种液滴在形成时，由于摩擦等因素，均会在不同程度上带有一定的电荷，但由于充电电荷远远大于生成的液滴自身带电量，故液滴自身带电量对测量的影响可以忽略。
2.3.4重叠碰撞产生的影响
在液滴群的密度较高的情况下，有可能在同一时间内有两个或两个以上的液滴同时碰撞到探针上，即产生重叠碰撞。
这时产生的Uom即为多个脉冲重叠的结果。
显然，这样会给测量带来很大的误差，为了减小重叠碰撞的可能，我们采用Reper曾经用过的方法，即适当缩短探针的长度。
2.3.5液滴形状产生的影响
在测量范围内，液滴的形状基本上是球形。
当它碰撞到探针时，在接触处会有一定的变形，然而在其接触探针后的1us后，Uom即被检测出来了，在1us这样短的时间内，液滴尚未来的及变形，故液滴的形状及其变形后的影响可以忽略不计。
2.3.6液滴碰撞位置产生的影响
严格的讲，由于探针表面电荷密度不同（尖端密度大，末端密度小），当同一密度的液滴碰撞于探针的不同位置时，将会产生不同的影响。
因此，理应建立一种能够反映碰撞位置影响的模型，才能提高分析的准确性。
但从实际的角度出发，我们采用了这样的方法：
适当降低探针电压并且将探针首末两端套以绝缘管，使液滴在这两端发生碰撞无效。
而仅仅取距末端上1/3至2/3长的一段来进行测量，则基本上就可以认为所获Uom与碰撞位置无关[3]。
第3章硬件设计
3.1引言
气液两相流特征参数自动测量系统（主要测量液滴粒度及分布）的硬件设计包括：
1．电子探针传感器的设计；
2．50Hz陷波电路的设计；
3．峰值保持电路的设计；
4．AT89C52以及A/D转换电路的设计；
5．通讯接口电路及电源电路的设计。
3.2电子探针传感器设计
3.2.1设计应遵循的原则
1．现有的加工条件达到尽可能高的精度要求和灵敏度要求，尽量减少探针的裸露部分，以免引入干扰，避免在液滴群浓度高的情况下使用，防止重叠碰撞对测量准确度的影响；
2．保证探针有一定的机械强度，保持在液滴浓度较高，流速快的流场中不至于变形。
是探针体积尽量小，减小对流场的影响。
3.2.2电子探针的结构
电子探针传感器的结构如图3-1所示：
（尺寸单位：
mm）
图3-1传感器结构图
1．钽丝2．绝缘管3．玻璃管
4．不锈钢管5．聚氯乙烯6．输入输出端
其中探针材料为不锈钢，直径0.3mm，针体外长30mm，首尾两端各套以长10mm的绝缘套管，为了减小探针部分队流场的干扰，探针经过一长约14mm的过渡段（外套以玻璃管如图）再与针体相连，后者由聚氯乙烯内装不锈钢管组成。
我所采用的单电子探针传感器其实是令待测得液滴或固体颗粒与作为检测元件的探针发生碰撞，使探针产生一电脉冲信号，来反映液滴或颗粒的粒度。
脉冲信号的幅值为Uom，若电子探针的输出为Uo（t），则波形输出基本如图3-2所示。
经研究表明，液滴直径D与脉冲幅值之间是单线性对应关系且存在关系式。
D=AUom+B，其中A、B值与硬件有关，下文将有介绍。
为了找出脉冲峰值Uom与液滴粒径D的关系，首先要能产生不同大小的液滴。
这可以通过改变液滴发生器来实现。
具体方法如下：
1．在一支洁净的注射器内接一定量的水滴，然后逐滴滴在电荷探针传感器上，同时用微机采集并计算每一水滴滴到电荷探针上时所产生的脉冲响应峰值Uom，因同一针头号形成的液滴碰撞探针时，产生的脉冲峰峰值之间略有差异，故表3-1中每个峰值为一组液滴测得的平均值。
2．用称重法得出不同大小液滴的直径D。
即用精密天平对接有一定量水滴的注射器称重，减去干注射器的重量，可以得到水的净质量除以水的密度，再除以滴数，即可得出每一滴液滴的体积，进而可以计算出液滴的粒径。
这里有两个前提，即：
1）假定液滴形状为球形，这在前人的研究中已经证明是合理的
2）液滴下滴过程中认为同一针头产生的液滴大小是一样的。
不同尺寸液滴粒径D与脉冲峰值Uom之间关系的实验结果如表3-1所示。
表3-1液滴粒径D与脉冲峰值Uom之间关系的实验结果
标号
1
2
3
4
5
6
7
液滴总重（g）
52.9002
51.1712
47.7036
43.7937
40.0001
39.4018
39.3006
粒径D（mm）
6.58
6.31
5.70
4.74
3.36
2.98
2.91
峰值Upp（V）
2.06
2.04
1.75
1.65
1.15
0.98
0.84
通过实验，给出了液滴直径D与其响应的脉冲峰值之间的对应关系。
结果表明，当液滴碰撞探针时，所产生的脉冲峰值与液滴粒径之间确实存在一种单值对应关系，且液滴越大，其脉冲响应的峰值也就越大。
即可按液滴自身带电来测量液滴粒度分布，也对前人的定性分析作了必要的补充，并验证了所研制的信号处理电路可行性同时也为后面现场标定电荷控针法测量系统，提供了理论依据。
3.350Hz陷波电路的设计
在设计中，为了抑制电路中出现的50Hz工频交流信号干扰，我们必须设计50Hz陷波电路，消除工频信号干扰，使得到的信号只有电荷探针传感器产生的信号。
我们可以采用LC陷波电路。
结构图如3-3所示。
图3-3陷波LC电路设计
在LC陷波电路中根据LC电路性质得出它可以有效的滤除LC达到共振时的频率。
L一般取20亨，可以得出C的值约为20uF。
我们也可以采用有源RC网络，这对抑制干扰噪声、提高信噪比具有重要的意义[1]，其结构如图3-4所示。
图3-4陷波器电路设计
两种设计的比较我们采用图3-4陷波电路。
陷波器的工作原理：
1．当输入信号频率较低时，C1、C2、C3的容抗很大，输入信号Vi通过电阻R3支路传输到输出端，这时KF=Vo/Vi=1；
2．当输入信号频率很高时，C1、C2、C3的容抗很小，输入信号Vi通过C1、C2、C3传输到输出端，这时KF也接近于1；
3．当输入信号频率在某一中间频率50Hz时，适当选择每个电阻和电容的数值，使得R3支路和C1、C2、C3支路上传输的电压大小相等，相位相反，便可以互相抵消。
因而使KF=Vo/Vi=0。
从而可以实现选频滤波针对f0=50Hz工频信号，经运算分析可得电路中各器件的参数：
R1=500R2=50KRW=5KR3=333KC1=C2=C3=0.1uF。
3.4峰值保持的电路设计
峰值保持电路是一种能使输出信号自动跟踪输入信号的峰值并保持该峰值的电路。
在电路涉及随机脉冲信号检测的技术领域中得到了广泛的应用。
为了获得高性能的峰值保持电路，这里在研制时着重考虑了一下的指标：
1．响应速度快，以使峰值保持器电路正常工作时输入脉冲的最短趋峰值时间来表示；
2．保持时间长。
以所保持的峰值下降了10%所需要的时间衡量；
3．线性范围好。
以输入信号大小变化时输出能按一定比例变化的范围来衡量；
4．失调小。
稳定度好，重复性好。
3.4.1选取LF398采样保持器的原因
由于目前已经有集成的采样保持器生产，而且无论从精度和其他技术指标要求还是从经济考虑这种芯片都可以满足我们的设计需要，并且可以节省时间，提高精度，所以采用LF398芯片[8]。
3.4.2LF398采样保持器简介
LF398是单采样保持电路，它采用了BI-FZT工艺实现了超高直流精度，快信号捕捉率以及很低的下降速率。
在单位增益跟踪器工作时，直流增益精度的典型值0.002%-0.01%时，捕捉时间低到6us，双级输入级用来实现低的失调电压和宽的带宽，输入失调的调节是用单个端子来完成的，它不会使输入失调飘移的特性变坏。
宽的带宽使LF398可以包含在1MHz运算放大器的反馈环内也不会产生稳定性的问题。
输入阻抗使得高阻抗信号源可以使用，不会影响精度。
输出放大器采用P沟道结型场效应晶体管和双极型器件的组合。
在1uF保持电容下的下降速率可低到5mv/min。
结型场效应管局又比以往设计中所用的MOS管低很多的噪声。
并且不存在保证了保持状态下，即输入信号等于电源电压，在输入和输出之间也不会出现馈通[8]。
LF398具有以下特点：
1．工作电源电压从±5V到±1.8V；
2．捕捉时间小于10us；
3．TTLPMOSCMOS逻辑输入电平相容ch=0.01uF时保持阶跃的典型只有0.5mv；
4．低的输入失调；
5．增益精度为0.002%；
6．在保持状态下的低输出噪声；
7．在保持状态下输出特性不变；
8．在采样或保持状态下的高的电源电压抑制比；
9．宽的带宽。
LF398的逻辑输入具有低输入电源的差动级，同时可与TTL、PMOS、CMOS直接相连，从±5V到±1.8V电源LF398都能工作，采用8个引出端的TO-5封装。
在本设计中LF398单片采样保持电路还应配以电压比较器进行采样。
（在设计中的采样电路由采样保持器LF398和电压比较器组成）。
LF398芯片功能如图3-5所示。
图3-5LF398功能图
LF398典型应用图如图3-6所示。
图3-6LF398典型应用图
关于LF398单片采样保持电路在设计中的具体应用还要配以电压比较器进行采样，这里就不做介绍了。
3.4.3采样电路的设计
在设计中的采样电路由采样保持器LF398和电压比较器组成。
1．放大器的选择：
CA3140和CA3120系列的BZMO运算放大器既具有MOS/FET的特点又有双极型的高速性能和工作电压范围高的特点。
单电源或是双电源共模输入电压可以低于与负电源0.5V，输出电压摆幅几乎可以达到正电源，可以充分利用工作电源。
电源电压可低至4V，PMOS输入端由双极型增强二极管保护可以可靠的工作。
在大多数应用中可以直接替代符合工作标准的741（CA3140）或747（CA3240）,可替代许多类型符合工作标准的运算放大器，如通用FET输入型宽频带（高摆频）[5]。
CA3140系列为MOS/FET输入，双极性输出CA3240系列为双CA3140系列放大器，它们的电器特性比较见表3-2及表3-3。
表3-2运算放大器指标
型号
RI
TImax
IIOmax
VIOmax
SR
FT
输出摆幅
CA3140
1.5
50
30
15
9
4.5
-14--+13
CA3140A
1.5
40
20
5
9
4.5
-14--+13
CA3140B
1.5
30
10
2
9
4.5
-14--+13
CA3240
1.5
30
30
15
9
4.5
-14--+13
CA3240A
1.5
20
20
5
9
4.5
-14--+13
表3-3运算放大器指标
型号
补偿
AOL（min）
电源电压范围
Vh
Hb
CA3140
内部
20K
86
4—36
CA3140A
内部
20K
86
4—36
CA3140B
内部
50K
94
4—44
CA3240
内部
20
86
4—36
CA3240A
内部
20
86
4—36
基于上述运放的特点，结合经济性、实用性及通用性。
我们选用了CA3140运算放大起来构成电压比较器。
这样CA3140和LF398构成的峰值保持电路如图3-7所示。
运算放大器设计为比较器的设计思路：
输入电压连接到CA3140的同相端，由于运放虚短对10uF保持电容充电，使下面的运放反相端电压滞后于同相端电压，当电压发生跳变时，下边的运放输出低电平。
通过非门通知峰值保持器LF398保持峰值电压[6]。
图3-7峰值保持电路图
2．工作原理
输入电压信号Ui经陷波电路传送给采样保持器LF398，由运算放大器构成的电压比较器的同相端电压Ut与反相电压Ut-1比较，因为LF398的特性，所以当Uo（t）在上升过程中，对于电压比较器输出高电平，当Uo（t）达到峰值后很短时间内，则出现Ut-1>Ut，即比较器输出低电平，此时比较器的输出端输出低电平经非门转换成高电平直接向LF398发出保持信号，LF398输出峰值保持电压[9]。
3.5AT89C52以及A/D转换电路的设计
我们设计研究的气液两相流特征参数自动测量系统，是以单片机AT89C52为核心配以传感器、峰值保持器、A/D转换器构成的。
系统用来检测两相流中液滴粒度及分布，检测结果可由微型打印机打印也可由上位机显示输出。
液滴粒度及分布自动测量系统的构成
自动测量系统的组成为：
陷波电路、采样保持电路及电压比较器构成的峰值比较电路。
A/D转换部分、AT89C52单片机再加上前面所介绍的电子探针传感器以及后面将要介绍的通讯设施。
传感器及采样保持电路部分在前面已经详述，这里对其余组成部分进行详细说明
3.5.1AT89C52单片机简介
1．单片机概念及种类[7]
集成电路的发展导致芯片的集成度和功能极大提高，把微处理器与外围电路集成在一个芯片中就形成了单片机。
今天，单片机的概念已经发展到最新的systemononechip，即片上系统的概念。
根据不同应用，单片机被设计成多种多样。
NEC，三星，华邦等的4位单片机。
MCS-48，MCS-51，摩托罗拉的MC6805，MC6811，ZILOG的Z8系列，MICROCHIP的PIC15，P1C16，PIC17等系列的单片机。
MCS-196是16位单片机。
德州的DSP高速数据处理器是64位的单片机。
51单片机今天也是个大家族，INTEL
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