CN101793852B - 一种多环电极阵列成像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多环电极阵列成像传感器。该传感器介入两相流体内部，与测量管道内壁无接触，主要功能是对电导率相差较大的多相流体流道截面进行电学成像，并测量各相的组分含量。其结构包括有测量电极、支撑臂和支撑轴，测量电极排布于支撑臂上和支撑轴上，并且分布在与支撑轴中心同心的不同圆周上，呈辐射状；测量电极分别引线，相互独立，与支撑臂和支撑轴绝缘，待测流体的流动通道是支撑轴和管壁之间的环形通道。该结构突破层析成像“非侵入”的传统模式，可有效减小制约层析成像的“软场”效应的影响，且可采用多模态的测量方式，确定多相流体各相组分在整个管道或管道横截面上的局部分布信息，测量精度高，可靠性好。

Description

一种多环电极阵列成像传感器

技术领域

本发明涉及一种检测器件，具体是一种多环电极阵列成像传感器，用于对电导率相差较大的多相流体流道截面进行电学成像，并测量各相的组分含量。

背景技术

多相流测量是工程技术发展中存在的共性问题，具有明显的工业应用背景。与单相流动相比，多相流动相间存在着界面效应和滑差速度，其流动特性更加复杂。因此，要建立可靠的多相流动力学模型并对多相流动过程进行设计、控制及预测，须解决多相流动过程中的参数检测问题。常规的参数检测技术大多为离散点测量，无法反映被测区域的二维或三维场分布信息。随着高速数据采集与信息处理技术的发展，层析成像技术进入多相流检测领域并得到迅速发展，其对于深入揭示多相流动的基本规律，推动多相流理论的发展和工程应用具有重要的意义。

电学层析成像是层析成像技术的一种，其通过对被测物体施加电激励，并检测其边界值的变化，再利用特定数学手段反演被测物体内部的电学参数分布，从而得到物体内部的分布情况。与其它层析成像技术相比，电学层析成像具有无辐射、响应速度快、价格低廉等优势。

目前，电学层析成像传感器大多采用“非侵入”的测量结构，如专利：双模电成像系统传感器及基于该传感器的图像重建方法，申请号：200610013339.0，及2003年H.S.Tapp发表在《Sensors and Actuators B》(《传感器与执行机构，B辑》)，第92卷，第17-24页，题为“Chemical engineeringapplications of electrical process tomography”(电学过程成像在化学工程中的应用)的文章。该结构具有安全可靠、不阻碍流体流动、安装方便等特点，但受电极数量和分布位置的限制，该类结构的传感器可获取的信息量较少，造成管道中心部位的分辨率较低，影响了成像质量。此外，在某些领域(例如油田生产测井)，传感器的电极阵列难以在流动通道管壁上安装，限制了电学成像“非侵入”结构传感器的使用。

本发明提出了一种“侵入”式的电学成像传感器结构，具体是一种多环电极阵列成像传感器，主要功能是对电导率相差较大的多相流体流道截面进行电学成像，并测量分相含量。可广泛用于动力、石油、化工、核能、食品和医学等多个领域，对满足要求的气/液、液/液和多相流体进行测量。

发明内容

为克服上述技术问题和弥补“非浸入”成像模式在某些领域的不足，本发明提出了一种多环电极阵列成像传感器。该结构打破了层析成像“非侵入”的传统模式，扩展了电极阵列的空间配置方式并降低了电场“软场”效应的影响，有利于提高成像质量和测量精度。

1、一种多环电极阵列成像传感器，其特征在于：该传感器介入两相流体内部，与测量管道内壁无接触，其结构包括测量电极(1)、支撑臂(2)和支撑轴(3)；支撑轴(3)为传感器的中心轴，支撑臂(2)连接到(或固定于)支撑轴(3)上，所有支撑臂(2)在支撑轴上(3)等角度分布，支撑臂(2)关于支撑轴(3)中心对称；测量电极(1)排布于支撑臂(2)和支撑轴(3)上，并且分布在不同圆周上，这些圆周的圆心均位于支撑轴的轴线上，同心圆周的数量即为传感器电极阵列的环数，支撑臂(2)和支撑轴(3)均与测量电极(1)电绝缘。

2、所述的一种多环电极阵列成像传感器，支撑臂(2)的安装方式为单端固定于支撑轴(3)上，另一端悬空。支撑臂(2)与支撑轴(3)之间夹角范围为：0到180°，支撑臂(2)上分布的电极可分布于相同截面或不同截面上。

3、所述的一种多环电极阵列成像传感器，支撑臂(2)的数量不少于两个。

4、所述的一种多环电极阵列成像传感器，每个支撑臂(2)上测量电极(1)的数目可相同或不相同，每环电极的数目可相同或不相同。

5、所述的一种多环电极阵列成像传感器，支撑轴(3)上可分布测量电极(1)的环数为0或1，支撑臂(2)上可分布测量电极(1)的环数不小于1，传感器总电极环数不小于2。

6、所述的一种多环电极阵列成像传感器，支撑轴(3)和支撑臂(2)可设计成空心结构，用于测量电极(1)走线，也可设计成实心结构。

本发明的有益效果是打破了传统过程层析成像技术“非侵入”的测量模式，一方面可避免传统模式在装配方面的局限性，另一方面有效降低了制约层析成像的“软场”效应的影响，有利于提高测量精度。本发明具有如下优点：

1、本发明的一种多环电极阵列成像传感器采用“侵入”的测量模式，提高了信息获取能力，有效降低了制约层析成像的“软场”效应的影响，测量精度高。

2、本发明的一种多环电极阵列成像传感器可实施多模态的测量：电导探针、电阻(或电导)成像(需要图像重建的过程层析成像技术)和电容成像，通过多种测量模式的信息融合，提高成像质量。

3、本发明的一种多环电极阵列成像传感器，测量电极遍布于整个测量截面，提高了传感器对整个截面区域的敏感度。

4、本发明的一种多环电极阵列成像传感器便于扩展驱动装置和其它功能，满足复杂的测量要求。

附图说明

图1为本发明的多环电极阵列成像传感器的斜视图。

图2为本发明的多环电极阵列成像传感器的仰视图。

图中：

1、测量电极  2、支撑臂  3、支撑轴

具体实施方式

现结合附图对本发明的一种多环电极阵列成像传感器具体实施方式做进一步说明：

一种多环电极阵列成像传感器，其特征在于：该传感器介入两相流体内部，与测量管道内壁无接触，其结构包括有测量电极(1)、支撑臂(2)和支撑轴(3)；支撑轴(3)位于传感器中心，支撑臂(2)固定于支撑轴(3)上，并沿其径向向外延伸，依其数量M在支撑轴上(3)等角度辐射状分布，支撑臂(2)与支撑轴(3)之间的夹角为

测量电极(1)排布于支撑臂(2)和支撑轴(3)上，并且分布在与圆形截面管道同心的不同圆周上，同心圆周的数量N即为传感器电极阵列的环数；测量电极(1)之间相互独立，与支撑臂(2)和支撑轴(3)绝缘，测量电极(1)分别引线。

本发明可针对不同流型采用电导探针和电阻或电导成像相结合的测量方式。现以金属管壁，气/水两相水平分层流为例说明多环电极阵列成像传感器具体的实施方法，其中多环电极阵列成像传感器具有12个支撑臂，每个支撑臂与支撑轴的夹角为30°，在支撑轴上等角度辐射状分布，关于支撑轴(3)中心对称，每个支撑臂上分布有内外两个测量电极，支撑臂上分布的测量电极处于两个同心圆周上，两个同心圆的圆心在支撑轴的轴线上，支撑轴上排布有4个测量电极，处于一个圆周上，该圆周的圆心在支撑轴的轴线上。

空气是良绝缘体，而没有经过特殊处理的水在中低频率的交流激励下具有较好的导电性。针对于金属管壁的气/水分层流，在交流激励下，首先采用电导探针方式，由于气和水的电导率相差较大，空气中电极与管壁之间的电导值要远小于水中电极与管壁之间的电导值，通常相差两个数量级以上。因此可利用电导值的差别判断电极处于空气中或水中，进而推算出气/水分界面的大概位置。由于电极分布的离散性，采用电导探针方式的判断结果仅提供了界面的分布范围，其高度和角度仍具有一定的不确定度，如果不能满足精度要求，由于分界面附近的电极受其影响较大，可根据界面附近电极的响应通过具体的算法精确估算其位置，也可利用标定和仿真结果辅助判断。

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

Claims (4)

1.一种多环电极阵列成像传感器，其特征在于：该传感器介入两相流体内部，与测量管道内壁无接触，其结构包括测量电极(1)、支撑臂(2)和支撑轴(3)；支撑轴(3)为传感器的中心轴，支撑臂(2)连接到支撑轴(3)上，所有支撑臂(2)在支撑轴上(3)等角度分布，支撑臂(2)关于支撑轴(3)中心对称；测量电极(1)排布于支撑臂(2)和支撑轴(3)上，并且分布在不同圆周上，这些圆周的圆心均位于支撑轴的轴线上，同心圆周的数量即为传感器电极阵列的环数，支撑臂(2)和支撑轴(3)均与测量电极(1)电绝缘。

2.根据权利要求1所述的一种多环电极阵列成像传感器，支撑臂(2)的安装方式为单端固定于支撑轴(3)上，另一端悬空；支撑臂(2)与支撑轴(3)之间夹角范围为：0到180°。

3.根据权利要求1所述的一种多环电极阵列成像传感器，支撑臂(2)的数量不少于两个。

4.根据权利要求1所述的一种多环电极阵列成像传感器，支撑轴(3)和支撑臂(2)设计为空心结构或者设计为实心结构。

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