一種應用于液下環境的電容層析成像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了傳感器設計領域的一種應用于液下環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。本發明摒棄傳統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境，為對流換熱區域的汽、液兩相分布、液膜形成、發展、流型監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】—種應用于液下環境的電容層析成像傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器設計領域，尤其涉及一種應用于液下環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。對液膜形成及狀態的有效監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)技術根據被測物質各相具有不同的介電常數，當各相組分分布或濃度分布發生變化時，將引起混合流體等價介電常數發生變化，從而使測量電極對間的電容值發生變化，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分布圖。當前ECT技術在氣、液兩相流動領域受傳統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了對絕熱段汽液兩相分布的測量及液膜流型變化的監測。對于采用液體工質進行冷卻的冷凝段，受冷凝結構限制，尚無適用于該區段相變過程測量的傳感器。
【發明內容】
[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，尚無適用于該區段相變過程測量的傳感器；本發明提出了一種應用于液下環境的電容層析成像傳感器。
[0005]一種應用于液下環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，所采集到的測量數據經數據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]本發明的有益效果是:摒棄傳統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境。采用新型傳感器的電容層析成像技術為對流換熱區域的汽、液兩相分布、液膜形成、發展、流型監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為本發明提供的傳感器的連接示意圖；
[0016]圖2為本發明適用于液下環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-數據采集卡；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明的范圍及其應用。
[0021]圖1為本發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，所采集到的測量數據經數據采集卡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為本發明適用于液下環境的電容層析成像傳感器的立體結構示意圖；圖2中，本發明傳感器包括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，并置于液下環境。電極間隔離電極4與電極端環形屏蔽電極6相連，電極端環形屏蔽電極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和環形屏蔽電極6的長度可視需要根據傳感器長度而定。本實施例中傳感器長度為44_，測量電極5長度為30_，環形屏蔽電極6長度為6mm。測量電極2的寬度根據公式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，在計算機中進行數據處理和圖像重建，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。
[0030]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發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，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發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，所采集到的測量數據經數據采集卡傳送至計算機進行圖像重建。
2.根據權利要求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、導熱泥或環氧樹脂絕緣導熱材料制作。
4.根據權利要求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 優先權日:2013年11月27日
【發明者】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