CN105319160B - 用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置及红外检测装置 - Google Patents
用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置及红外检测装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置，包括测温单元以及温度补偿单元，温度补偿单元的输入端与测温单元相连用于生成随测温单元的温度信号变化而变化的电压信号，温度补偿单元的输出端与红外发射器的驱动电路的输入端相连、用于根据电压信号调整驱动电路的驱动电流以维持红外发射器的输出光功率保持不变。本发明还公开了一种红外检测装置，包括红外发射器、红外接收器、驱动电路和温度补偿装置，温度补偿装置与驱动电路相连用于调整驱动电路的驱动电流以维持红外发射器的输出光功率保持不变。本发明的温度补偿装置以及红外检测装置均具有结构简单、可补偿环境温度对红外发射器输出光功率影响、以及检测精度高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及光学检测技术领域，特指一种用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置以及红外检测装置。
背景技术
目前，对于载人空间站、潜艇等装备，一般都是采用电解水制氧方法来实现对乘员的供氧需求。SPE(solid pilymer electrode)电解制氧技术是以固体聚合物为电解质的电解水制氧技术。电解制氧技术目前广泛应用在航天器、核潜艇等装备上，取代传统的碱性电解制氧装置。在SPE电解制氧装置中，作为反应物的水经过净化，在电解槽、换热器、水箱之间循环。水气分离装置将反应产生的气/水混和物进行分离，分离出的水将重新投入循环。在此过程中，未电解的水需要循环利用，而返回的水通常带有一定量的氢气和氧气，为气液两相混合流体，如果气液两相流中的气泡大小及体积含量超过一定比例，容易引起“气蚀”现象，导致电解制氧装置循环泵的损坏，这对电解制氧装置乃至整个装备都将造成极大的安全隐患，因此需要实时检测水中的气泡大小及体积含量，判定电解制氧装置是否正常工作，防止安全事故的发生。
国内外气液两相流测量分析的方法主要有超声波测量法、电磁法、电容测量法和光学检测法，其中光学检测法利用的是水对特定波段的红外光有吸收作用，而气体无吸收作用的原理。其理论基础为比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律，在特定波长下，红外光透射的能量与测量光路上吸收近红外线的分子数量成反比。红外辐射通过测试管路后的光强I与入射光强I0之比与吸收物质水的浓度C、光路长度d及消光系数K之间关系见式(1)：
I/I0＝exp(-Kcd) (1)
式(1)中：I―通过管道后的红外光强；I0―红外入射光强；K―消光系数；c―液态水浓度；d―测量管道长度。
光学检测法中采用的硬件一般包括一只红外激光二极管及其驱动电路、红外接收管及其检测电路、控温电路三大部分。驱动电路驱动红外激光二极管产生红外光，经气液两相流吸收后，被红外接收管接收产生光电流，实现检测；当气液两相流中的水含量变化时，红外光被吸收的情况也变化，从而使接收管输出的光电流也产生变化，经检测电路处理后，表现为输出电压变化，代表不同的气液两相含量。因红外激光二极管器件对环境温度极敏感，环境温度升高时，在相同的驱动电流下，其输出光强变小，极大的影响检测精度；因此通常往往还要设置复杂的控温电路和结构，保证红外激光二极管工作于恒定的温度下，以保证检测精度。但是采用TEC(半导体制冷器)控温的方式红外发射芯体集成红外激光二极管、半导体制冷片和测温电阻，结构复杂，对芯体集成工艺要求高；而且TEC控温必须设置复杂的控温电路，且功耗大，TEC和控温电路可靠性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、可补偿因温度影响导致的红外发射器输出光功率的变化，从而保持红外发射器输出光功率恒定的用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置，并相应提供一种检测精度不受环境温度变化而影响的用于气液两相流检测的红外检测装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置，包括温度补偿单元以及用于测量红外发射器内部温度的测温单元，所述温度补偿单元的输入端与所述测温单元相连用于生成随所述测温单元的温度信号变化而变化的电压信号，所述温度补偿单元的输出端与所述红外发射器的驱动电路的输入端相连、用于根据电压信号调整驱动电路的驱动电流以维持红外发射器的输出光功率保持不变。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述测温单元为安装于所述红外发射器内部的测温电阻。
所述温度补偿单元包括依次串联的第一电阻单元、第二电阻单元和第三电阻单元，所述第一电阻单元的一端与电源+5V相连，另一端与所述第二电阻单元的一端相连，所述第三电阻单元的一端与接地端相连，另一端与所述第二电阻单元的另一端相连，所述第三电阻单元与所述测温电阻并联；所述第一电阻单元连接第二电阻单元的一端与所述驱动电路的输入端相连。
还包括运算放大器U1A，所述第一电阻单元的另一端通过电阻R3与所述运算放大器UA1的反相输入端相连，所述运算放器U1A的反相输入端通过一电阻R1与输出端相连，所述运算放大器U1A的同相输入端连接有电源+2.5V；所述运算放大器UA1的输出端与所述驱动电路的输入端相连。
所述测温电阻为热敏电阻。
所述第一电阻单元、第二电阻单元和第三电阻单元均由多个电阻串联而成。
本发明还公开了一种用于气液两相流检测的红外检测装置，包括红外发射器、红外接收器、用于驱动红外发射器的驱动电路，还包括如上所述的温度补偿装置，所述温度补偿装置与所述驱动电路相连用于调整驱动电路的驱动电流以维持红外发射器的输出光功率保持不变。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述驱动电路包括运算放大器U1B和晶体管Q1，所述运算放大器U1B的同相输入端与所述温度补偿装置的输出端相连，反相输入端与红外发射器的负极相连并通过电阻R1与接地端相连，所述运算放大器U1B的输出端与晶体管Q1的基极相连，所述晶体管Q1的集电极通过电阻R2与电源VCC相连，所述晶体管Q1的发射极与红外发射器的正极相连。
所述红外发射器为红外激光二极管。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置，温度补偿单元根据测温单元的温度信号实时调整红外发射器驱动电路的输入电压，从而调整驱动电路的输出电流以使红外发射器输出的光功率保持不变，从而使气液两相流检测精度不受环境温度变化的影响；而且本发明的温度补偿装置结构简单、易于实现。本发明的用于气液两相流检测的红外检测装置设有温度补偿装置，可根据当前环境温度增大或降低红外激光二极管的驱动电流，补偿因环境温度升高或下降导致的输出光功率下降或升高，从而保持红外激光二极管的输出光功率恒定，使气液两相流检测精度不受环境温度变化的影响。
附图说明
图1为本发明中温度补偿装置在具体实施例中的方框结构图。
图2为本发明中温度补偿装置和驱动电路的电路原理图。
图中标号说明：1、测温单元；2、温度补偿单元；3、驱动电路；4、红外发射器。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1和图2所示，本实施例的用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置，包括用于测量红外发射器4内部温度的测温单元1、以及温度补偿单元2，本实施例中的测温单元1为安装于红外发射器4内部的测温电阻，具体为热敏电阻；温度补偿单元2的输入端与测温单元1相连用于生成随测温单元1的温度信号变化而变化的电压信号，温度补偿单元2的输出端与红外发射器4的驱动电路3的输入端相连、用于根据电压信号调整驱动电路3的驱动电流以维持红外发射器4的输出光功率保持不变。本实施例的用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置，通过温度补偿单元2与测温单元1相连，输出随温度变化的电压值，作为驱动电路3的输出电流设定值，其变化规律如下：1、环境温度升高时，红外发射器4内的热敏电阻测得的电阻阻值减小，经温度补偿单元2后，输出电压升高即电流设定值增大，驱动电路3驱动红外发射器4的驱动电流增大，使输出光功率增大，补偿因环境温度升高而导致的输出光功率下降；2、当环境温度降低，红外发射器4内的热敏电阻阻值增大，经温度补偿单元2后，输出电压降低即电流设定值减小，驱动电路3驱动红外发射器4的驱动电流减小，使输出光功率减小，补偿因环境温度降低而导致的输出光功率增大。因此，本发明的温度补偿装置可根据当前环境温度增大或降低红外发射器4的驱动电流，补偿因环境温度升高或下降导致的输出光功率下降或升高，从而保持红外发射器4的输出光功率恒定，使气液两相流检测精度不受环境温度变化的影响。另外本实施例中，红外发射器4为红外激光二极管。
如图2所示，本实施例中，温度补偿单元2包括依次串联的第一电阻单元、第二电阻单元和第三电阻单元，第一电阻单元的一端与电源+5V相连，另一端与第二电阻单元的一端相连，第三电阻单元的一端与接地端相连，另一端与第二电阻单元的另一端相连，第三电阻单元与测温电阻并联；第一电阻单元连接第二电阻单元的一端与驱动电路3的输入端相连。
如图2所示，本实施例中，第一电阻单元的另一端通过运算放大器U1A与驱动电路3的输入端相连，第一电阻单元的另一端通过电阻R3与运算放大器UA1的反相输入端相连，运算放器U1A的反相输入端通过一电阻R1与输出端相连，运算放大器U1A的同相输入端连接有电源+2.5V；运算放大器UA1的输出端与驱动电路3的输入端相连。
本实施例中，第一电阻单元、第二电阻单元和第三电阻单元均由多个电阻串联而成，具体为第一电阻单元由电阻R11～R13串联而成，第二电阻单元由R14～R16串联而成，第三电阻单元由R17～R19串联而成。其中电阻可采用普通金属膜电阻器、热敏电阻或其它类型的电阻器。
结合附图对本发明的温度补偿装置的工作过程描述如下：以正常工作温度下驱动电流50mA，R1为50Ω，工作温度范围0～40℃为例。
如正常工作温度为20℃时，红外激光二极管驱动电流为50mA；低温0℃时，红外激光二极管发光效率提升，根据红外激光二极管的输出特性曲线，达到工作温度20℃驱动电流50mA时的光强输出所需的驱动电流减小为46.64mA；高温40℃时，红外激光二极管发光效率降低，根据红外激光二极管的输出特性曲线，达到工作温度20℃驱动电流50mA时的光强输出所需的驱动电流需增大为54.14mA。
即当正常工作温度为20℃时，热敏电阻值RT20＝10kΩ，红外激光二极管的驱动电流为50mA，则应使运算放大器U1B的同相输入端为2.5V，温度补偿单元2的输出电压应为2.5V；
低温0℃时，热敏电阻值为RT0＝25.16kΩ，红外激光二极管的驱动电流为46.64mA，则应使运算放大器U1B的同相输入端为46.64mAx50Ω＝2.332V，温度补偿单元2电压输出应为2.668V；
高温40℃时，热敏电阻值为RT40＝4.47kΩ，红外激光二极管的驱动电流为54.14mA，则应使运算放大器U1B的同相输入端为54.14mAx50Ω＝2.707V，温度补偿单元2的电压输出应为2.293V。
根据电阻串并联和分压计算公式可列出20℃，0℃和40℃工作情况下的输出公式为
求解得到近似解如下：
(R11+R12+R13)＝8.363kΩ (5)
(R14+R15+R16)＝4.450kΩ (6)
(R17+R18+R19)＝6.430kΩ (7)
本实施例中，R11、R12、R13分别采用8.2kΩ、160Ω和3Ω三个普通金属膜电阻器实现此阻值；R14、R15、R16分别采用4.3kΩ、130Ω和20Ω三个普通金属膜电阻器实现此阻值；R17、R18、R19分别采用5.6kΩ、820Ω和10Ω三个普通金属膜电阻器实现此阻值。
本发明还公开了一种用于气液两相流检测的红外检测装置，包括红外发射器4、红外接收器、用于驱动红外发射器4的驱动电路3，还包括如上所述的温度补偿装置，温度补偿装置与驱动电路3相连用于调整驱动电路3的驱动电流以维持红外发射器4的输出光功率保持不变。本发明的用于气液两相流检测的红外检测装置设有温度补偿装置，可根据当前环境温度增大或降低红外激光二极管的驱动电流，补偿因环境温度升高或下降导致的输出光功率下降或升高，从而保持红外激光二极管的输出光功率恒定，使气液两相流检测精度不受环境温度变化的影响。
本实施例中，驱动电路3包括运算放大器U1B和晶体管Q1，运算放大器U1B的同相输入端与温度补偿装置的输出端相连，反相输入端与红外发射器4的负极相连并通过电阻R1与接地端相连，运算放大器U1B的输出端与晶体管Q1的基极相连，晶体管Q1的集电极通过电阻R2与电源VCC相连，晶体管Q1的发射极与红外发射器4的正极相连。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置，其特征在于，包括温度补偿单元（2）以及用于实时测量红外发射器（4）内部温度的测温单元（1），所述温度补偿单元（2）的输入端与所述测温单元（1）相连用于生成随所述测温单元（1）的温度信号变化而实时变化的电压信号，所述温度补偿单元（2）的输出端与所述红外发射器（4）的驱动电路（3）的输入端相连、用于根据电压信号调整驱动电路（3）的驱动电流以维持红外发射器（4）的输出光功率保持不变；所述测温单元（1）为安装于所述红外发射器（4）内部的测温电阻；
所述温度补偿单元（2）包括依次串联的第一电阻单元、第二电阻单元和第三电阻单元，所述第一电阻单元的一端与电源+5V相连，另一端与所述第二电阻单元的一端相连，所述第三电阻单元的一端与接地端相连，另一端与所述第二电阻单元的另一端相连，所述第三电阻单元与所述测温电阻并联；所述第一电阻单元连接第二电阻单元的一端与所述驱动电路（3）的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置，其特征在于，还包括运算放大器U1A，所述第一电阻单元的另一端通过电阻R3与所述运算放大器UA1的反相输入端相连，所述运算放大器U1A的反相输入端通过一电阻R4与输出端相连，所述运算放大器U1A的同相输入端连接有电源+2.5V；所述运算放大器UA1的输出端与所述驱动电路（3）的输入端相连。
3.根据权利要求1或2所述的用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置，其特征在于，所述测温电阻为热敏电阻。
4.根据权利要求1或2所述的用于气液两相流检测的红外发射器的温度补偿装置，其特征在于，所述第一电阻单元、第二电阻单元和第三电阻单元均由多个电阻串联而成。
5.一种用于气液两相流检测的红外检测装置，包括红外发射器（4）、红外接收器、用于驱动红外发射器（4）的驱动电路（3），其特征在于，还包括如权利要求1至4中任意一项所述的温度补偿装置，所述温度补偿装置与所述驱动电路（3）相连用于调整驱动电路（3）的驱动电流以维持红外发射器（4）的输出光功率保持不变。
6.根据权利要求5所述的用于气液两相流检测的红外检测装置，其特征在于，所述驱动电路（3）包括运算放大器U1B和晶体管Q1，所述运算放大器U1B的同相输入端与所述温度补偿装置的输出端相连，反相输入端与红外发射器（4）的负极相连并通过电阻R1与接地端相连，所述运算放大器U1B的输出端与晶体管Q1的基极相连，所述晶体管Q1的集电极通过电阻R2与电源VCC相连，所述晶体管Q1的发射极与红外发射器（4）的正极相连。
7.根据权利要求5或6所述的用于气液两相流检测的红外检测装置，其特征在于，所述红外发射器（4）为红外激光二极管。
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