泡沫液位傳感器設(shè)計(jì)

1、摘要：泡沫是一種特殊的兩相流形態(tài)，其力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等多種性能均與 單相氣體或液體有很大區(qū)別，由于泡沫的形成機(jī)理多樣、性質(zhì)變化復(fù)雜，至今尚 無完善的研究理論體系，泡沫的液位測量在國內(nèi)外也是一個(gè)空白 開發(fā)了一種基于傳熱原理的測量泡沫液位的傳感器，介紹了傳感器的構(gòu)造和原理，以及測量誤差和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的計(jì)算分析：1引言泡沫是氣一液聯(lián)合構(gòu)造的特殊形態(tài)，也是一種具有重要研究價(jià)值的邊界形 態(tài)。在 自然界和工業(yè)生產(chǎn)過程中，普遍存在著 大量的泡沫和泡沫性物質(zhì)。在有些領(lǐng)域它們對(duì)人類的生產(chǎn)和生活起著積極的 推動(dòng)作用，比如泡沫浮選、啤酒制造和消防；然而有時(shí)候泡沫的形成卻起 著相反的作用，比如造紙過程和放射性廢水濃縮過程

2、，能否有效地監(jiān)測和控 制泡沫，直接關(guān)系著產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。目前，生產(chǎn)和科研領(lǐng)域急需用于泡沫測量的儀表。通過對(duì)泡沫的深入調(diào)研，開發(fā)r 一種基于傳熱原理的測量泡沫液位的 傳感器II J ，介紹其構(gòu)造和原理，并進(jìn)行了測量誤差和動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算分 析。2泡沫概述2. 1泡沫的定義隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于泡沫的研究越來越受到各行業(yè)的重 視，然而“泡沫”至今仍無統(tǒng)一的定義，人們也經(jīng)常將它與其他狀態(tài)的物質(zhì)相 混淆。英語中 “泡沫”稱為 “ foam”，常用的 “ bubble是指“氣泡”，而 不是“泡沫”?，F(xiàn)在比較通用的一種泡沫界定方法如下 (如圖1):圖1泡沫與氣泡、氣泡分散體示意圖(1) 氣泡：浮于

3、氣體中的單個(gè)液膜包裹氣體物，如娛樂中吹的肥皂泡；(2) 泡沫：氣多液少的 “氣/液”粗分散體，如污水處理產(chǎn)生的泡沫；(3) 氣泡分散體：液多氣少的“氣/液”粗分散體，如液體中的氣泡。2. 2泡沫的形成和穩(wěn)定條件泡沫形成的基本要素為：氣液接觸，含助泡劑，并且發(fā)泡速度高于破泡速 度。液體表面形成的泡沫如果不能夠保持穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生明顯的影響，影響泡沫穩(wěn)定的主要因素是 Marangoni效應(yīng)，又叫作 “自我痊愈效應(yīng)”；表面 粘度；液膜表面電荷；以及熵性雙層互斥作用。2. 2泡沫的研究目前泡沫的研究主要在兩個(gè)方面：一是對(duì)于泡沫穩(wěn)定性的研究，其重 點(diǎn)在于增加泡沫流體的穩(wěn)定性和消泡；二是對(duì)液體中氣泡的

4、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究，主 要研究方向有：在界面上氣泡的生成理論、生長速率、動(dòng)力學(xué)、脫離理論和數(shù) 值模擬以及氣泡傳熱傳質(zhì)的研究。泡沫的研究手段主要有：(1) 聲學(xué)技術(shù)：主要包括聲學(xué)共振、脈沖探測，聲納復(fù)合頻率反射方 法，聲學(xué)方法在海洋泡沫研究中使用較多；(2) 氣泡陷阱：用激光束在液體內(nèi)生成勢(shì)阱，在力的不平衡作用下， 氣泡停留在勢(shì)阱里；(3) 照相方法：以調(diào)整攝影記錄氣泡的軌跡；(4) 電導(dǎo)方法：用探針測量電導(dǎo)率的變化，記錄氣泡。2. 4泡沫的測量方法(1) 射線法：基于核輻射通過物質(zhì)時(shí)被減弱的原理測量泡沫。(2) 輻照陷肼法：將特殊的固體彈性高聚物放置在液體中，過熱的小液滴附著分布在上面，處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)

5、，容易被激發(fā)。當(dāng)中子打擊探測器表面液滴的 原子時(shí)，產(chǎn)生的重離子反彈，形成熱點(diǎn)，液體蒸發(fā)汽化，形成特殊的勢(shì)能陷阱， 周圍的氣泡被吸引在勢(shì)肼中。用光纖觀察表面氣泡數(shù)量，可以確定氣泡的特征。(3) 電導(dǎo)法：以電導(dǎo)探針測量電導(dǎo)率的變化，反映探針端部處于氣泡 的中央還是液體中。(4) 導(dǎo)電法：把電極一極裝在液體中，另一極在液體上方，當(dāng)泡沫出 現(xiàn)時(shí)，使電極導(dǎo)電，反映泡沫高度。3傳感器的設(shè)計(jì)3. 1傳感器的原理當(dāng)流體流過一個(gè)功率恒定的發(fā)熱體表面時(shí)，對(duì)流和導(dǎo)熱的聯(lián)合作用構(gòu) 成對(duì)流換熱，發(fā)熱體表面溫度決定于表面與流體介質(zhì)問的換熱情況。 當(dāng)換熱達(dá)到 動(dòng)態(tài)熱平衡時(shí)，發(fā)熱體的釋熱功率等于對(duì)流換熱的換熱功率，用對(duì)流換熱

6、的牛頓 冷卻公式可表示為q： aAt(1)Q: FaAt(2)當(dāng)發(fā)熱體的表面積F 定時(shí)，流體與發(fā)熱體的溫差A(yù)f與對(duì)流換熱系 數(shù)Ct的關(guān)系可以表示為(3)對(duì)流換熱系數(shù)a受流體 自身性質(zhì)的影響，固定釋熱功率和發(fā)熱體表 面積，溫差就反映了對(duì)流換熱系數(shù)的變化。 熱體與同溫同壓水和水蒸氣的對(duì) 流換熱系數(shù)存在較大差別，如：對(duì)于運(yùn)行壓力為2. 5 MPa,溫度為210 oC的反應(yīng)堆，冷卻劑使用去離子水，發(fā)熱體釋熱功率1 . 21 W,計(jì)算結(jié)果是：水 中的換熱系數(shù)口水=2 O4CW/(m2 - oC)，以同一條件下，干飽和水蒸氣的換熱系數(shù) 口 濘=80. 1 w/( -C )，兩者之比為 汽：Atj :口水：

7、口汽=2 040 : 80. 1： 25. 47(4)從上述數(shù)據(jù)中可以看到，在反應(yīng)堆冷卻劑中，釋熱式液位傳感器可以 明顯地區(qū)分液體介質(zhì)和蒸汽介質(zhì)。在被測環(huán)境中沿豎直方向不同高度設(shè)置傳感器 組，就可以對(duì)液位進(jìn)行不連續(xù)測量。在反應(yīng)堆的堆芯冷卻劑液位測量中，前蘇 聯(lián)、美國、日本和中國等國家的科學(xué)研究應(yīng)用了基于傳熱原理的液位傳感器，得到了比較滿意的結(jié)果f J 。泡沫流體具有特殊的物性，有可能利用相近的方 法，對(duì)泡沫介質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：把液位測量轉(zhuǎn)換為溫度測量， 而溫度測量是最成熟的測量技術(shù)之一，因此提高了可靠性和可實(shí)現(xiàn)性。3. 2傳感器結(jié)構(gòu)傳感器主要由兩部分組成，一部分是測溫元件，另一部分

8、是發(fā)熱元 件，結(jié)構(gòu)如圖2。發(fā)熱元件采用螺旋狀電阻絲 ，值(1 2 l %)Q測溫元件采用了通用的K型鎧裝熱電偶(材料為NiCr NiSi)，熱電勢(shì)較大，靈敏 度高，且輸出信號(hào)的線性好；鎧裝的絕緣材料為M，熱導(dǎo)率低。測量泡沫液位的傳感器采用2支相同結(jié)構(gòu)的傳感器元件1 %)Q，組成復(fù)合組件，如圖3所示， 其中1支作為加熱一測量元件，另1支用來測量環(huán)境溫度，這樣可避免由于熱電 偶動(dòng)態(tài)特性不同造成的溫差擾動(dòng)。同時(shí)，它們互為冗余，當(dāng)其中1個(gè)傳感器內(nèi)的加熱元件燒毀時(shí)，可以用另1支替換。經(jīng)計(jì)算分析，測量組件中兩個(gè)傳感器的 測量端水平距離定為15 mm,這樣可以保證傳感器所在位置的環(huán)境溫度基本一 致，同時(shí)盡量

9、減小測量傳感器發(fā)熱元件對(duì)環(huán)境溫度測量造成的誤差3. 3傳感器誤差分析傳感器的誤差為溫度輸出信號(hào)的誤差，主要由下述各項(xiàng)構(gòu)成：測溫?zé)犭娕挤侄日`差】：1 = 0.1 C；熱電偶測溫誤差：對(duì)于K型熱電偶，測量范圍0 120C ， 8 2 = 1 2 0 X 1 % = 1 . 2 o C ;補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差 文：亂=0 . 5 o C ;加熱恒流源固有誤差：恒流源精度1.5%，根據(jù)式(3 )，2 0 0 4 1 0 4 0 1 0 -0_ 3 CX 丌X ( X 一 ) X ( X )發(fā)熱元件電阻誤差：發(fā)熱元件電阻指標(biāo)為R=( 1 2 1 %)Q，傳感器一致性誤差6 :對(duì)使用的6支泡沫傳感器標(biāo)定，計(jì) 算

10、一致性誤 差6 = 0.3o C .由于所有的誤差都是隨機(jī)誤差，求算系統(tǒng)的最可幾誤差：=0 .1 2+1. 2 2+0. 5 +0 . 3 +0 .1 +0 . 3 =1. 37 5 o C ( 5 )3 . 4傳感器動(dòng)態(tài)特性計(jì)算動(dòng)態(tài)特性是傳感器重要的性能指標(biāo)，只有傳感器的動(dòng)態(tài)測量變化率 大于被測對(duì)象的參數(shù)變化率的前提下，才能保證測量的實(shí)時(shí)性和可靠性。首先分析傳感器從水到水蒸氣介質(zhì) 變化的動(dòng)態(tài)問題，求解非穩(wěn) 態(tài)傳熱過程變化規(guī)律。假定0時(shí)刻前傳感器處于水 中，傳熱到達(dá)穩(wěn) 態(tài)；0時(shí) 刻突然進(jìn)入水蒸氣介質(zhì)中，介質(zhì)溫度不發(fā)生改變。在單位時(shí)問長度A r內(nèi)，傳感器從發(fā)熱元件吸收的熱量為Q 吸=q A r

11、( 6 )釋放的外界環(huán)境的熱量Q放：a F(t 一 t)r (7 )單位時(shí)間傳感器蓄熱熱量Q蓄：Q 吸 一 Q 放=q A r a F ( t一 t ) A r ( 8 )一般來說，傳感器測量端表面與介質(zhì)之間的對(duì)流換熱系數(shù)a是 換熱平均溫度t : ( t +t )/ 2的單值連續(xù)函數(shù)。在t連續(xù)變化時(shí)，為了簡化，視c t為常數(shù)，由此 推導(dǎo)動(dòng)態(tài)特性。傳感器 因?yàn)樾顭岫鴾?度變化Q 蓄=c 。 m。A t ( 9 )以上傳熱過程遵守 能量守恒定律由式，(8)和式(9 ) 得c。m。At=q。A r 一口 ( t 一 t ) Ar (1 0 )d (1 1 )將式(1 1 ) 兩端對(duì)r積分，積分起始時(shí)

12、間0 ,對(duì)應(yīng)傳感器表面溫度to ,積分結(jié)束時(shí)間r ,對(duì)應(yīng)傳感器表面溫度t ,得=J 未 ” k :+ q 一 ( +f 一 f 0 ) e 一 ( 1 2 )此式表示了介質(zhì)由水變化為水蒸氣時(shí)傳感器表面溫度與時(shí)間 的關(guān)系。忽略溫度變化對(duì)于傳感器材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，熱電偶測點(diǎn)溫度與 傳感器表面溫度的溫差為定值，測試測點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)響應(yīng)同式(1 2 )，得 = +a 旦 F ( + 一 f 0 ) e 一 ( 1 3 )傳感器時(shí)間響應(yīng)常數(shù)f :( 1 4 ) 然后，計(jì)算傳感器從水蒸氣到水介質(zhì)變化 的動(dòng)態(tài)特性。假定0時(shí)刻前傳感器處于水蒸氣中，溫度t=1 0 0 o C ； 0時(shí)刻后介質(zhì)為水，溫度同水蒸氣。在0時(shí)刻傳感器的溫度初值t 0 ， 忽略傳感器結(jié)構(gòu)熱阻，得到簡化的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程式如下：=c + + v - J + 所以，由式(2 )Q=aF (t t )