專利名稱：用于管道內流體過程參數檢測的內外復合式陣列傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及流體測量技術領域，尤其涉及一種用于流體過程參數測量的傳感器。
背景技術：
多相流是在自然界和工業生產中都普遍存在的一種流體形態。例如石油開采過程中經常遇到的油/水兩相流、油/氣兩相流、油/氣/水三相流；冶金、能源領域中的氣力物料輸送、天然氣輸送；化工、制藥領域的氯化過程、氫化過程、擴散過程、結晶過程；食品、 環保領域中的發酵過程、混合過程、污水處理過程，都與多相流問題密切相關。與單相流相比，多相流由于各相間存在著界面效應和相對速度，相界面在時間和空間上均呈隨機變化， 具有更為復雜的流動特性，其特征參數要比單相流多。而且，作為一種隨機的多變量非線性系統，多相流的流動復雜性和隨機性使得其參數檢測的難度很大。然而，隨著科技的發展， 工業生產對計量、節能和控制等方面提出了更高的要求。因此對多相流的流動特性和流動規律進行研究，并對其相關過程參數進行準確測量，在科學研究和工業生產領域中都具有十分重要的意義，成為了現代工業測量領域的熱點之一，屬于國內外亟待解決的難題。近年來關于多相流過程參數檢測技術的研究取得了很大的進步，其中基于電學法的多相流檢測技術，得到了國內外學者的普遍關注，并取得了快速的發展。電學測量方法根據多相流中各相物質的不同的電學特性，獲取在某一電學敏感場的激勵下，被測流體局部或邊界上的響應信息，從而對流動過程參數進行估計。它具有響應速度快、易于安裝實現、 安全無輻射、價格低廉等特點優點，應用范圍包括氣液兩相流、油水亮相流、氣固兩相流、 油氣水三相流、氣液固三相流等。下面針對與本發明相關的幾類多相流過程參數電學測量技術進行簡單介紹。電導探針法它根據多相流中得各相具有的不同電導率，采用插入式電導探針的方法，檢測被測流體單點或局部的流動信息。由于其使用了侵入式(傳感器侵入到被測流體之中)的測量方法，其精度相對較高，可以直接獲得管道內部信息，但是其傳感器置于被測流場之中，容易對被測過程造成擾動，而且傳感器容易磨損和腐蝕，另外單點的測量方式使其不能獲得被測流體流動過程的2維、3維信息，從而限定了其應用范圍。絲網檢測技術它通過被測管道的某一截面上安裝網狀傳感器的方法，將整個管道截面分割成若干測量敏感區域，利用網狀傳感器邊界處的測量電流或電壓，采用一定的圖像重建算法對場內截面物質分布進行重建。這種方法的傳感器侵入被測流體內部，測量精度高，而且由于傳感器分布均勻，電學敏感場的軟場特性得到了很好的改善，重建效果穩定空間分辨率高，能夠有效的獲得流體2維界面信息。但是傳感器會對被測過程造成擾動， 而且傳感器加工和維護相對困難，應用范圍有限。環形電導法它通過在某一部分管段內壁上平行安裝環形電導傳感器的方法，對流體的體積流動參數進行測量。這種方法的傳感器非不用侵入流場之中，不會對被測流場造成擾動，而且由于采用多個環形電導，因此抗造能力強，能夠獲得被測流體的體積流動參數，但是這種方法獨立測量數目少，受流型影響較大，需要根據不同流體的不同流型進行修正，而且精度相對較低。電學層析成像法它通過圍繞被測對象安裝陣列傳感器，以獲取被測物場在不同觀測角度下的投影數據，再由計算機利用某種圖像重建算法給出被測對象的斷層圖，進而估計被測過程的截面信息，或應用相關測速、多傳感器數據融合等信息處理理論，獲取管道內部多相流體的過程參數。這種方法主要包括電阻抗層析成像法、電容層析成像法、電阻抗層析成像法、靜電層析成像法、電磁層析成像法等，他們的傳感器結構和安裝方式不同， 所得信號的物理含義不同，應用對象不同，但是都是基于電學敏感場，在成像原理和算法上有很大的相似性。與其他多相流檢測技術相比，電學層析成像技術的傳感器只分布在被測對象外部，不會對被測過程造成擾動，而且能夠獲得被測過程2維3維的參數分布，可以實現被測對象的實時在線監測。但是由于其基于軟場傳感器(電學傳感器)，其敏感場分布對于被測對象的特性分布(相分布)變化十分敏感，容易受被測介質分布的影響；另外其測量靈敏度會隨其與管壁的距離的增加而急劇減小，使得管道中心區域測量的空間分辨率相對低；管道內部的過程參數只能通過邊界信息反演估計的得到，測量精度不高。為了解決上述多相流過程檢測中遇到的困難，國內外諸多學者在電學傳感器的設計方便做出了很多努力。例如申請號為200510122587. 4的“ERT/ECT雙模態成像系統復合陣列傳感器” 及申請號為200710056857. 5的“ECT/ERT雙模態成像系統交叉式復合陣列傳感器”中設計了一種ERT/ECT雙模態系統，它通過一種雙模態復合陣列傳感器，成功的實現了 ECT技術與 ERT技術的融合與互補，提高了電學層析成像技術的測量精度，擴展了電學層析成像技術的應用范圍。但是在上述專利中傳感器仍然采用了傳統的方式固定在測量管道的內壁上，沒有對電學敏感場的不均勻性和軟場特性進行改善，被測管道中心區域的空間分辨率依然很較低。國內外還有不少學者，在電學層析成像技術的機理之上，通過采用增加傳感器數目的方式，或者通過采用多層傳感器的方式，以及優化傳感器幾何尺寸等方式，來獲取被測區域在邊界上的更多投影。這些方法在實際應用中得到了一定的效果，但是由于機械加工精度的限制，以及理論上的局限性，這幾種方法的改進效果十分有限。近年來，國內外一些學者，開始通過在被測場域內添加內部電極的方式，提高邊界投影的數目，改善靈敏場的不均勻性，進而提高被測場域內部的空間分辨率，得到了很好的效果。但是在以往的研究工作中，內部電極以被測場域內部存在的已知結構(如混合過程中的攪拌器)為基礎，一般分布在被測場域的中心部位，而且數量非常有限，一般不超過4 個，分布位置較為集中。這種位置和數目上的限制，使得以往的內部電極不能很好的改善被測場域內部各個區域的空間分辨率，對測量精度的改善能力十分有限。
發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術存在的不足，提出一種新型的用于管道內流體過程參數檢測的傳感器，提高被測管道中心區域的空間分辨率，從而達到提高流體過程參數的測量精度的目的。本發明的技術方案如下一種用于管道內流體過程參數檢測的內外復合式陣列傳感器，它包括外部電極陣列和內部電極陣列，外部電極按照圓周分布的方式固定在管道的內壁上，內部電極按照線性分布的方式固定在橫貫管道內部的支撐桿上；支撐桿由不導電材料制成，兩端固定在管道上，支撐桿是中空的，其內開設有內部引線槽，各個內部電極的形狀均為環形，固定在支撐桿外表面上，內部電極的內表面與布置在內部引線槽內的內部電極引線相連。作為優選實施方式，所述的外部電極陣列由8 64個外部電極組成，所述的內部電極陣列由5 對個內部電極組成；內部電極的個數與外部電極的個數相互獨立，均由相同材質的導體材料制成；外部電極和內部電極為不銹鋼、鈦合金或氯化銀；支撐桿材料為陶瓷或強化塑料。本發明的有益效果是與傳統的基于電學敏感場的管道內流體測量傳感器相比， 本發明可以在管道內排布更多的內部電極，而且內部電極的分布相對已有結構更加均勻， 能夠為管道內過程參數測量系統提供更多的獨立測量數據，獲取更多的內部信息，能夠改善被測管道內部區域的靈敏度，改善敏感場分布的不均勻性，提高測量系統的空間分辨率， 進而提高關于被測流體過程參數的測量精度。
以下附圖描述了本發明所選擇的實施例，均為示例性附圖而非窮舉或限制性，其中圖1為本發明的內外復合式陣列傳感器俯視圖；圖2為本發明的內外復合式陣列傳感器等軸側視圖；圖3為本發明的內外復合式陣列傳感器主視圖；圖4為圖3的A-A向剖面試圖；圖5為圖4的B區域的局部放大圖，縮放比例為3:1;圖6為圖4的C區域的局部放大圖，縮放比例為3 1 ；圖7為內部電極陣列的結構示意圖。圖中標號說明1、管道2、外部電極3、內部電極4、絕緣套管5、外部電極密封圈6、外部電極墊圈7、外部電極螺母8、外部電極接線柱9、外部電極引線10、支撐桿密封圈11、支撐桿墊圈12、支撐桿螺母13、支撐桿14、內部電極引線槽15、內部電極引線
16、小安裝孔17、大安裝孔
具體實施例方式以下詳細描述制造和操作本發明的步驟，旨在作為本發明的實施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，對其他可實現相同功能的實施例也應包括在本發明的范圍內。下面結合附圖以及實施例對本發明作進一步描述本發明的內外復合式陣列傳感器，由外部電極陣列和內部電極陣列組成。如圖1、 圖2、圖3所示的實施例，外部電極陣列由16個外部電極2組成，外部電極2按照圖4所示的圓形的分布方式，安裝在管道1的內壁上，內部電極陣列由5個內部電極3組成，內部電極3按照圖7所示的線性的分布方式，由相應的絕緣套管4依次隔開，安裝在橫貫管道1內部的支撐桿13上。本實施例中所述的外部電極2，其形狀為矩形；其材料為電化學特性穩定的導體材料制作，可以選用鈦合金、不銹鋼、氯化銀等；按照圖5所示的方式，由外部電極密封圈5、外部電極墊圈6以及外部電極螺母7安裝在管道1的內壁上；通過焊接在其背向管道內部一側的外電極接線柱8和外電極引線9與信號采集電路相連。本實施例中所述的支撐桿13的主要作用是固定和安裝內部電極陣列，其形狀為圓棒形，兩端開有螺紋；其材料為具有高機械強度的不導電材料，可以為陶瓷、強化塑料等； 按照圖5中所示的方式，在其兩端由支撐桿密封圈10、支撐桿墊圈11和支撐桿螺母12固定在管道1上；并在其外表面開設有內部電極引線槽14，用于布置與內部電極3相連的內部電極引線15。本實施例中所述的外部電極2，其形狀為矩形；其材料為電化學特性穩定的導體材料制作，可以選用鈦合金、不銹鋼、氯化銀等；按照圖6中所示的方式，由外部電極密封圈 5、外部電極墊圈6以及外部電極螺母7安裝在管道1的內壁上；在其背向管道內部的一面與外部電極接線柱8焊接在一起，再由接線柱8連接至外部電極引線9。本實施例中所述的內部電極3，其形狀為圓環形；其材料與本實施例中所述的外部電極2保持一致；按照圖7中所示的方式，焊接支撐桿13上的相應位置；在其內表面與布置在內部引線槽14內部的內部電極引線15相連。本實施例中所述的絕緣套管4的主要作用是隔離不同的內部電極3，使內部電極3 之間彼此保持非接觸性，其形狀為圓環形，與內部電極3的尺寸相配合；其材料為易于加工的不導電材料，可以選用塑料。本實施例中所述的內部電極引線15，采用小尺寸的同軸線纜，安裝在內部電極引線槽14中與內部電極3相連，然后采用密封條密封，使其與流體完全隔離。本發明的最佳應用場合是管道內部多相流體的過程參數測量。本實施例中所述的管道1的直徑為125mm，為典型的多相流應用管道。外部電極的數目經優化選取后設定為 16個。由于本實施例中使用的被測管道直徑較小，使得內部電極的尺寸相應較小，加工和安裝難度較大，因此本實施例中的內部電極數目設定為5個。在實際應用中，可以根據實際情況適當的增加或減少外部電極和內部電極各自的數量，以提高測量的速度或精度。本實施例中外部電極2的長寬尺寸被設置為20mmX 10mm,內部電極3的直徑為10mm，在實際應用中，可以根據具體情況適當調整。例如管道直徑為50mm時，外部電極2的長寬尺寸可調整為15mmX 5mm，內部電極3的直徑可調整為5mm。由于本發明中由于采用了侵入式的內部電極陣列，必然會對被測過程照成一定的擾動，為了減小擾動，可以根據實際情況適當的減小內部電極和支撐桿的尺寸，也可以采用具有流線型的支撐桿。在實際測量中，內部電極3和外部電極2均可以用作電流輸入、接地或電壓測量。 測量到的數據可以用于重構管道內部測量截面處的電阻率分布信息；也可以作為分布式傳感器陣列，結合相關測速、多傳感器數據融合等信息處理方法，直接得到關于管道內部被測流體的過程參數。與傳統的傳感器相比，該傳感器具有以下幾方面優勢首先，在外部電極數目相同的條件下，本發明的傳感器通過加入內部電極陣列有效的增加了測量系統的獨立測量數目，例如在本實施例中，獨立測量數目可以達到189個，比只有外部電極的測量系統多出 81個；其次，由于內部電極陣列的加入，可以得到管道內部物質分布信息在更多位置處的投影管道內部，有效了提高了測量數據的信息含量；另外，由于內部電極陣列的加入，有效的提高了敏感場的強度和均勻度，改善了電學敏感場的軟場特性，有利于提高測量系統的空間分辨率；最后，由于內部電極陣列的引入，管道內部物質的軸向分布信息，可以通過對內部電極陣列進行測量直接得到，在管道內部物質分布較為對稱的工業應用中(如水平管道內層狀流、鼓泡塔反應器中的多相反應)，可以由此推斷出場域內部物質的截面分布特點，增加對于管道內流體過程參數的檢測精度。本發明的內外復合式陣列傳感器，其主要應用場合是管道內部多相流過程參數測量，但也可應用于醫學生物阻抗測量，應用于醫學測量時，需要注意內部電極陣列的加工形式和安裝方式，避免對人體造成損傷，同時也可以用于結晶過程、地質勘探等。以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明的實施方案之一，如有本領域的普通技術人員在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造形的設計出與本發明相類似的結構形式或實施例，均應屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種用于管道內流體過程參數檢測的內外復合式陣列傳感器，其特征在于它包括外部電極陣列和內部電極陣列，外部電極按照圓周分布的方式固定在管道的內壁上，內部電極按照線性分布的方式固定在橫貫管道內部的支撐桿上；支撐桿由不導電材料制成，兩端固定在管道上，支撐桿是中空的，其內開設有內部引線槽，各個內部電極的形狀均為環形，固定在支撐桿外表面上，內部電極的內表面與布置在內部引線槽內的內部電極引線相連。
2.根據權利要求1所述的用于管道內流體過程參數檢測的內外復合式陣列傳感器，其特征在于在相鄰的內部電極之間設置有絕緣套管，用以固定和間隔內部電極。
3.根據權利要求1所述的內外復合式陣列傳感器，其特征在于所述的外部電極陣列由8 64個外部電極組成，所述的內部電極陣列由5 M個內部電極組成。
4.根據權利要求1或2任意一項所述的內外復合式陣列傳感器，其特征在于內部電極的個數與外部電極的個數相互獨立。
5.根據權利要求1至3任意一項所述的內外復合式陣列傳感器，其特征在于外部電極和內部電極均由相同材質的導體材料制成。
6.根據權利要求5所述的內外復合式陣列傳感器，其特征在于外部電極和內部電極為不銹鋼、鈦合金或氯化銀。
7.根據權利要求1所述的內外復合式陣列傳感器，其特征在于支撐桿材料為陶瓷或強化塑料。
全文摘要
本發明屬于流體測量技術領域，涉及一種用于管道內流體過程參數檢測的內外復合式陣列傳感器，它包括外部電極陣列和內部電極陣列，外部電極按照圓周分布的方式固定在管道的內壁上，內部電極按照線性分布的方式固定在橫貫管道內部的支撐桿上，支撐桿由不導電材料制成，兩端固定在管道上。本發明的優點是可以得到管道內部物質分布信息在更多位置處的投影，增強了敏感場的強度和均勻度，提高了流體測量系統的信息含量。
文檔編號G01N27/07GK102495107SQ201110319799
公開日2012年6月13日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者任尚杰, 董峰, 譚超 申請人:天津大學