一種應用于液下環(huán)境的電容層析成像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了傳感器設計領域的一種應用于液下環(huán)境的電容層析成像傳感器。傳感器包括兩相流分布測量電極陣列、電極端環(huán)形屏蔽電極、電極間隔離電極、傳感器絕水層和信號傳輸電纜；所述兩相流分布測量電極陣列包括N個測量電極；所述信號傳輸電纜包括纜芯和屏蔽絲網。本發(fā)明摒棄傳統(tǒng)電容層析成像傳感器外屏蔽罩結構，通過采用絕緣導熱材料將測量電極陣列密閉于測量管段外壁面，從而可將其置于液下環(huán)境，為對流換熱區(qū)域的汽、液兩相分布、液膜形成、發(fā)展、流型監(jiān)測等提供了有效檢測手段，有效地拓展了電容層析成像技術的應用領域。
【專利說明】—種應用于液下環(huán)境的電容層析成像傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器設計領域，尤其涉及一種應用于液下環(huán)境的電容層析成像傳感器。
【背景技術】
[0002]以液體工質作為冷卻介質，涉及被冷卻介質的相變對流換熱是傳熱領域的常見問題。在熱量傳遞過程中同時伴隨相變過程發(fā)生。例如:熱管冷凝段換熱、電廠凝汽器和回熱器中蒸汽與管外壁換熱。凝結換熱分為珠狀凝結和膜狀凝結，珠狀凝結形成比較困難且不持久，多數(shù)情況下的凝結換熱為膜狀凝結。不同液膜厚度和液膜運動狀態(tài)很大程度上影響其換熱特性。不凝氣體含量、蒸汽流速、壁面形狀、壁面粗糙度等諸多因素都會影響影響液膜的形成和流態(tài)。對液膜形成及狀態(tài)的有效監(jiān)測有助于進一步理解凝結換熱的機理，并采取有效手段對凝結換熱進行強化。
[0003]電容層析成像(ECT)技術根據(jù)被測物質各相具有不同的介電常數(shù)，當各相組分分布或濃度分布發(fā)生變化時，將引起混合流體等價介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使測量電極對間的電容值發(fā)生變化，在此基礎上，利用相應的圖像重建算法重建被測物場的介電常數(shù)分布圖。當前ECT技術在氣、液兩相流動領域受傳統(tǒng)傳感器結構限制主要用于絕熱條件下的管內空隙率測量及流型識別。以重力熱管為例，專利CN200510093326.4通過設計作為同時具有管壁和傳感器功能的結構實現(xiàn)了對絕熱段汽液兩相分布的測量及液膜流型變化的監(jiān)測。對于采用液體工質進行冷卻的冷凝段，受冷凝結構限制，尚無適用于該區(qū)段相變過程測量的傳感器。

【發(fā)明內容】

[0004]針對【背景技術】中采用液體工質進行冷卻的冷凝段，受冷凝結構限制，尚無適用于該區(qū)段相變過程測量的傳感器；本發(fā)明提出了一種應用于液下環(huán)境的電容層析成像傳感器。
[0005]一種應用于液下環(huán)境的電容層析成像傳感器，其特征在于，所述傳感器包括兩相流分布測量電極陣列、電極端環(huán)形屏蔽電極、電極間隔離電極、傳感器絕水層和信號傳輸電纜；所述兩相流分布測量電極陣列包括N個測量電極；所述信號傳輸電纜包括纜芯和屏蔽絲網；
[0006]其中，所述電極間隔離電極與電極端環(huán)形屏蔽電極相連，經由信號傳輸電纜的屏蔽絲網引出，然后通過ECT信號采集設備的連接地線接地；
[0007]所述傳感器絕水層對冷凝管段的測量電極、電極間隔離電極和電極端環(huán)形屏蔽電極進行密封；
[0008]所述信號傳輸電纜的纜芯一端與測量電極相連，另外一端連接ECT信號采集設備，所采集到的測量數(shù)據(jù)經數(shù)據(jù)采集卡傳送至計算機進行圖像重建。
[0009]所述傳感器貼附安裝于測量管段橫截面為圓形、橢圓形或矩形在內的閉合形狀上。
[0010]所述傳感器絕水層采用導熱絕緣的硅膠、導熱泥或環(huán)氧樹脂絕緣導熱材料制作。
[0011]所述兩相流分布測量電極陣列、電極間隔離電極和電極端環(huán)形屏蔽電極均采用銅箔材料制作；電極表面作防腐處理。
[0012]所述傳感器不設置屏蔽罩結構。
[0013]所述N的取值范圍為4?16個。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:摒棄傳統(tǒng)電容層析成像傳感器外屏蔽罩結構，通過采用絕緣導熱材料將測量電極陣列密閉于測量管段外壁面，從而可將其置于液下環(huán)境。采用新型傳感器的電容層析成像技術為對流換熱區(qū)域的汽、液兩相分布、液膜形成、發(fā)展、流型監(jiān)測等提供了有效檢測手段，有效地拓展了電容層析成像技術的應用領域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明提供的傳感器的連接示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明適用于液下環(huán)境的電容層析成像傳感器的立體結構示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明傳感器沿A-A和B-B兩個方向的視圖；其中，(a)為B-B方向的視圖；(b)為A-A方向的視圖；
[0018]圖4為本發(fā)明的使用流程示意圖；
[0019]其中，1-套管的內管；2_信號傳輸電纜；3_傳感器絕水層；4_電極間隔離電極；5-測量電極；6-電極端環(huán)形屏蔽電極；7_套管結構的上端蓋；8_進液口 ；9-出液口 ；10_套管結構的下端蓋；11-外管；12-ECT信號采集設備；13-連接地線；14-數(shù)據(jù)采集卡；15-計算機；16-顯示器。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。
[0021]圖1為本發(fā)明提供的傳感器的連接示意圖。圖1中，傳感器包括兩相流分布測量電極陣列、電極端環(huán)形屏蔽電極6、電極間隔離電極4、傳感器絕水層3和信號傳輸電纜2 ；所述兩相流分布測量電極陣列包括N個測量電極5 ;所述信號傳輸電纜包括纜芯和屏蔽絲網；
[0022]其中，所述電極間隔離電極4與電極端環(huán)形屏蔽電極6相連，經由信號傳輸電纜的屏蔽絲網引出，通過ECT信號采集設備12的連接地線13接地；
[0023]所述傳感器絕水層對冷凝管段的測量電極5、電極間隔離電極4和電極端環(huán)形屏蔽電極6進行密封；
[0024]所述信號傳輸電纜2的纜芯一端與測量電極5相連，另外一端連接ECT信號采集設備，所采集到的測量數(shù)據(jù)經數(shù)據(jù)采集卡14傳送至計算機15進行圖像重建，并在顯示器16上進行顯示。
[0025]圖2為本發(fā)明適用于液下環(huán)境的電容層析成像傳感器的立體結構示意圖；圖2中，本發(fā)明傳感器包括8個測量電極5構成的測量電極陣列、電極間隔離電極4、電極端環(huán)形屏蔽電極6、信號傳輸電纜2和傳感器絕水層3。測量電極5、隔離電極4、電極端環(huán)形屏蔽電極6作防腐處理后安裝于套管的內管I外壁面；然后用絕緣導熱材料制作的傳感器絕水層3對其進行封閉，并置于液下環(huán)境。電極間隔離電極4與電極端環(huán)形屏蔽電極6相連，電極端環(huán)形屏蔽電極6和信號傳輸電纜2的屏蔽絲網相連，隨信號傳輸電纜2引出并經連接地線置零電位，以消除噪聲信號的影響。測量電極5、電極間隔離電極4和電極端環(huán)形屏蔽電極2均由銅箔材料制作而成。傳感器沿A-A和B-B兩個方向的視圖如圖3所示。
[0026]目前，較多的ECT信號采集設備具有16個測量通道，能連接16個介電常數(shù)分布測量電極。該實例采用8個測量電極的ECT傳感器。測量電極5和環(huán)形屏蔽電極6的長度可視需要根據(jù)傳感器長度而定。本實施例中傳感器長度為44_，測量電極5長度為30_，環(huán)形屏蔽電極6長度為6mm。測量電極2的寬度根據(jù)公式w= π d/η-δ計算，其中:w為測量電極寬度，d為套管的內管外徑，η為測量電極數(shù)量，δ為測量電極之間隔離電極寬度。本實施案例中套管的內管外徑為16mm，各測量電極寬度為4.3mm，隔離電極寬度為0.5mm。
[0027]圖4為本發(fā)明的使用流程示意圖。圖4中，首先將含8個測量電極5的傳感器測量電極陣列、電極間隔離電極4、電極端環(huán)形屏蔽電極6貼附安裝于套管式結構內管I的外壁面，而后用絕水層3對其進行密封；將內管I置于外管11內；套管結構通過上端蓋7和下端蓋10進行密封，信號傳輸電纜2經套管結構的上端蓋引出，上、下端蓋同時固定內管。外管上下兩端分別設置進液口 8和出液口 9，冷卻流體經進液口 8進入套管內空間，從出液口9排出，和內管內蒸汽進行逆流對流換熱，蒸汽凝結產生汽、水兩相流。通過傳感器絕水層3密封的電容層析成像傳感器在液下環(huán)境工作，測量電極信號通過傳輸電纜經上層端蓋引出至ECT信號采集設備，在計算機中進行數(shù)據(jù)處理和圖像重建，得到內管中汽、液兩相的分布圖形。
[0028]與傳統(tǒng)傳感器標定有所不同，為保持與試驗條件一致，其空場與滿場的標定均需在液下環(huán)境條件下完成。記錄空場與滿場條件下的測量電容，并用于試驗過程中的圖像重建。
[0029]試驗中對各電極進行檢測時，激勵電極的相鄰電極增益為低增益，其余為高增益。首先I號電極作為激勵電極，檢測其與2至8號傳感器之間的電容值；然后以2號電極為激勵電極，檢測其與3至8傳感器之間電容值；以此類推，共檢測出28個電容值。激勵與檢測通過計算機將控制信號送入采集電路，進而控制傳感器電極的激勵與檢測狀態(tài)。
[0030]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種應用于液下環(huán)境的電容層析成像傳感器，其特征在于，所述傳感器包括兩相流分布測量電極陣列、電極端環(huán)形屏蔽電極、電極間隔離電極、傳感器絕水層和信號傳輸電纜；所述兩相流分布測量電極陣列包括N個測量電極；所述信號傳輸電纜包括纜芯和屏蔽絲網；其中，所述電極間隔離電極與電極端環(huán)形屏蔽電極相連，經由信號傳輸電纜的屏蔽絲網引出，然后通過ECT信號采集設備的連接地線接地；所述傳感器絕水層對冷凝管段的測量電極、電極間隔離電極和電極端環(huán)形屏蔽電極進行密封；所述信號傳輸電纜的纜芯一端與測量電極相連，另外一端連接ECT信號采集設備，所采集到的測量數(shù)據(jù)經數(shù)據(jù)采集卡傳送至計算機進行圖像重建。
2.根據(jù)權利要求1所述傳感器，其特征在于，所述傳感器貼附安裝于測量管段橫截面為圓形、橢圓形或矩形在內的閉合形狀。
3.根據(jù)權利要求1所述傳感器，其特征在于，所述傳感器絕水層采用導熱絕緣的硅膠、導熱泥或環(huán)氧樹脂絕緣導熱材料制作。
4.根據(jù)權利要求1所述傳感器，其特征在于，所述兩相流分布測量電極陣列、電極間隔離電極和電極端環(huán)形屏蔽電極均采用銅箔材料制作；電極表面作防腐處理。
5.根據(jù)權利要求1所述傳感器，其特征在于，所述傳感器不設置屏蔽罩結構。
6.根據(jù)權利要求1所述傳感器，其特征在于，所述N的取值范圍為4~16個。
【文檔編號】G01N27/22GK103604843SQ201310636762
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權日:2013年11月27日
【發(fā)明者】韓振興, 李驚濤, 李志宏, 劉石, 王冬驍, 王飛 申請人:華北電力大學