CN101241095A - 一种高温高压阵列电极传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高温高压阵列电极传感器装置，该装置包括传感器腔、电极和密封结构三部分。其特征是：电极片焊接在导线上，导线穿过传感器腔壁上的孔，把电极片均匀的贴在传感器腔的涂有绝缘耐高温材料的内壁，利用卡套密封。该装置作为电阻层析成像系统的数据采集通道的前端传感器，实现高温高压反应和流体输送的原位流场测试。该装置具有耐高温、高压，耐腐蚀，安装灵活的特点。

Description

一种高温高压阵列电极传感器装置

本发明涉及一种阵列传感器装置，主要作为电阻层析成像系统(ERT)系统数据采集通道的前端传感器，实现电阻层析成像系统与高温高压工况下科研装置以及工业设备的对接。

层析成像技术是20世纪70年代初期首先在医学工程上得以成功应用并蓬勃发展起来的一项新技术，在医学上就是我们通常所熟知的CT技术。它的出现，不仅使医学技术发生革命性飞跃，而且还对各学科领域理论的研究和发展也起到了积极的推动作用。目前，层析成像技术在临床医学诊断和病理研究方面取得很大的成功，并且被逐渐运用到石油、化工、航天、天文学、地质勘探、地震学、无损探伤检测等领域。

ERT技术属于过程层析成像(Process Tomography，简称PT)技术的一种，特点在于：将传统的对过程参数的单点、局部的测量，发展为多点、截面分布式的测量；在不破坏、不干扰流体流动的情况下，获得管道或设备内部两相/多相流体的二维/三维分布信息；为在工业条件下对基于热动力学、反应动力学和流体动力学原理建立的过程、设备模型的证实提供一种方便的手段；还可以为优化过程设备及装置的设计，改进过程工艺，实现两相/多相流体输送，调整与控制反应复杂生产过程，提供全面、准确的信息和辅助的研究手段。

根据ERT测试设备的结构和成像原理，其数据采集通道前端传感器结构为在筒壁同一截面均匀开16个孔，分别安装16个金属电极(如图3)，保证16个金属电极与筒壁绝缘。在电极截面上下两侧圆柱筒内全部绝缘的高度最好保证为圆柱筒半径的长度。目前统一采用的工作方式为交流电流激励、电压测量，通常采用相邻激励方式，即在一对相邻电极上注入激励电流，建立敏感场，依次选择其它的相邻电极对测量电压(如图2)，然后切换到下一对相邻电极上激励，再在其它的相邻、非激励电极对上测量电压，重复上述过程直到所有的相邻电极对都激励过。对于N电极ERT系统，一共可以得到N(N-3)个测量电压值。根据互易原理，实际的独立测量次数为M＝N(N-3)×2个。对于16电极的ERT系统，有104个独立测量电压值。当场域内介质的电导率发生变化时，测量电压也会随之变化。测量电压值的变化反应了场域内电导率的变化，借助于适当的图像重建算法，可以由测量电压反算出被测对象内电导率分布的灰度分布。因此，根据场域内不同介质的电导率不同，可以得到被测对象在场域内的分布图像，从而实现可视化研究。

阵列电极传感器作为ERT系统数据采集通道前端传感器，其性能的好坏直接影响采集到的信号质量，如果电极阵列与激励信号形式匹配良好，且抗干扰能力较强，在电极采集端可以得到高频小噪声信号，就可以在后续数据采集中省去一部分响应时间很长的信号调理电路，简化数据采集通道，在去除噪声方面节省等待时间。文献(Fraser Dickin，Mi Wang.Measurement science & Technology，1996，Vol.7，No.3，P247～260)中报道了用于ERT系统的数据采集通道前端传感器，该传感器设计的缺点是灵活性不好，不能任意调整传感器在实验装置和工业设备中的位置；另外，满足器壁绝缘的条件时，不能用于高温高压环境。而专利(CN00250232)中，尽管改进了阵列电极传感器的灵活性，但其仍然局限于常压条件下使用，不能用于高温高压的工况。

本发明的目的就是在于解决以上所提到的现有技术的不足，提供了一种可以在较宽范围压力和温度下使用的具有高灵敏度，安装灵活的阵列电极传感器装置(如图1)。它主要包括传感器腔、电极和密封结构三部分。其主要的技术特点是：电极片连接在导线上，导线穿过具有屏蔽和保护作用的金属套管，导线和套管之间填充耐高温的致密的绝缘材料，以保证导线相互之间无电信号干扰，然后把保护导线套管穿过耐高温高压的金属传感器腔壁上的延长孔，保证电极片均匀平行地贴在内壁涂有绝缘耐高温材料的传感器腔上后，利用卡套实现静密封。

附图1为本实用新型的结构示意图；

附图2为阵列电极传感器电极片的排列方式和工作原理图；

附图3为阵列电极传感器电极片的立体排列方式示意图；

附图4为阵列电极传感器腔的俯视图；

附图5为阵列电极传感器腔的剖面图；

附图6为阵列电极传感器腔的A-A截面结构示意图；

附图7为阵列电极传感器腔的B-B截面结构示意图；

附图8为电极结构示意图；

附图9为阵列电极传感器腔壁上的延长孔和密封结构示意图。

为了更好的实现本发明的目的，本发明的设计者把金属护套和填充的高温绝缘材料的连接电极片的一端利用耐高温和腐蚀性的绝缘胶进行密封，以防止液体介质渗透腐蚀填料。另外，为了更好的保证电极和电极传感器腔壁之间的绝缘，设计者把电极外部进行喷涂绝缘处理，并在电极片后面加装了一个聚四氟垫片。对于两截面开孔的阵列电极传感器装置，垂直方向上的电极片投影可以重合，也可以有一定的角度。如本发明根据安装的需要确定角度为11.25°(图6，图7)。

附图的图面说明如下：

1-紧固螺栓孔 2-法兰A 3-内壁绝缘涂层 4-电极 5-腔壁 6-法兰B 7-密封延长管 8-密封卡套 401-金属护套 402-耐高温绝缘填料 403-金属导线 404-耐高温绝缘密封胶 405-绝缘垫片 406-电极片

下面结合附图，详细说明本发明的内容。

本发明的具体结构如图1所示，主要包括三个部分，即传感器腔、电极和密封结构，下面分别进行说明。

传感器腔主要包括顶部法兰A(1)，腔壁(5)和底部法兰B(6)。其中，两个法兰均为凹凸法兰，这样设计的目的是因为本发明用于高温高压工况连接密封的需要。腔壁一个截面(图6)上均匀开16个圆孔，在另一截面(图7)上也均匀开16个圆孔。在圆孔外壁开口端，磨成平面。

电极(4)的制作主要包括三个部分，首先利用线切割，把一块金属板切割成大小相同的32块电极片(406)，并在电极片的中心位置利用激光打孔。其次是制作导线，为了满足ERT系统对导线要求，必须保证导线导电性良好的同时，还要保证导线和腔壁(5)绝缘。为此，我们采用了金属护套(401)包裹导线(403)，中间填充致密耐高温绝缘材料(402)的结构，如图8所示。其中金属护套(401)有保护导线，屏蔽信号和密封三个作用。利用耐高温绝缘胶(404)密封填料(402)，目的是为了防止被测介质浸泡填料。最后，把导线(403)和电极片(402)固定到仪器，并在电极片(402)后面加装绝缘垫片(405)。

密封结构(图9)的密封方式为卡套式密封，主要包括卡套(8)和延长管(7)两部分，卡套主要用来密封电极，延长管的作用一个是增加导线长度，增加耐压强度，另一方面增加电极密封端的距离，比较适合安装。

完成上述工作后，把延长管焊接到腔壁开孔外端，然后把传感器腔内壁进行绝缘喷涂处理，以保证绝缘良好，同时把电极金属护套外侧也喷涂绝缘材料，更好的保证电极和腔壁绝缘。最后，按图1所示，把电极从内部孔道穿出，利用卡套密封。

本发明的创新点在于，成功解决了金属电极和筒壁及电极周围的绝缘问题，同时解决了导线在高温高压下的密封问题，以及同一截面上16股电信号之间的相互干扰问题。通过利用本发明的电极阵列传感器，实现了ERT测试系统和高温高压传递一转化耦合装置的对接，扩大了ERT测试系统的使用范围

具体实施方式：

本发明用以下实施例说明，但本发明并不限于下述实施例，在不脱离前后所述宗旨的范围下，变化实施都包含在本发明的技术范围内。

实施例1

1.制作电极：电极片(406)尺寸为25×14×3mm，材质为316L不锈钢，电极片(406)中心两侧打孔，一侧孔的直径为2mm，孔深2mm，另一侧孔径为4mm，孔深1mm；导线(403)直径为2mm，长度为200mm，材质为紫铜；护套(401)外径为4mm，厚度为0.5mm，长度为180mm，材质为紫铜；导线和铜护套之间填充致密的氧化镁耐高温绝缘材料(402)，利用耐高温绝缘胶硫化硅胶(404)灌封。然后把护套(401)表面和电极片(406)贴腔壁一侧喷涂特氟龙绝缘材料。加工聚四氟绝缘垫片(405)，直径为15mm，厚度为1mm，中心打孔，孔径为2mm。最后，按图8结构连接各组件，并把导线和电极片进行焊接和机械密封处理。

2.按照图4和图5的结构，加工一对法兰，然后和一个规格φ219×8的材质为316L不锈钢管焊接在一起，按照图6的结构在距法兰A(2)面200mm的壁上等间距开16个内径4.2mm的孔；按照图7结构在距法兰B(6)面200mm的壁上等间距开16个内径4.2mm的孔，并保证开孔截面间的间距为70mm。把孔的外端磨平，焊接上一端带有密封结构的延长管(7)，然后把传感器腔内壁喷涂特氟龙绝缘材料，同时把电极金属护套外侧也喷涂特氟龙绝缘材料。

3.把加工好的32根电极由传感器腔内部，通过壁上孔道把导线引出，利用卡套(8)进行密封。

Claims (8)

1.一种高温高压阵列电极传感器装置，该装置包括传感器腔、电极和密封结构三部分，其特征是：电极片焊接在导线上，导线穿过传感器腔壁上的孔，把电极片均匀的贴在传感器腔的内壁，利用卡套密封。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征为传感器腔结构为圆筒状结构，两端焊接法兰，传感器腔内部喷涂特氟龙，陶瓷或绝缘漆等绝缘耐高温材料。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征为电极片材质可以是铁，钛或者金属合金，外形可以为矩形或者圆形。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征为电极片和导线连接可以为焊接或者机械成型连接的方式。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征为导线套在具有屏蔽和保护作用的金属管内，金属管材质可以是铁，铜，钛或者合金材料；导线和金属管之间填充物为氧化镁或氧化铝等耐高温绝缘材料。

6.根据权利要求1和权利要求5所述装置，其特征为具有屏蔽和保护作用的金属管和传感器腔之间用卡套密封。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征为在两截面开孔的电极，垂直方向上的电极片投影可以重合，也可以有一定的角度。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征为使用温度-40～250℃，使用压力为5×10^-6Pa～～6MPa。

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