CN102495107B

CN102495107B - 用于管道内流体过程参数检测的内外复合式阵列传感器

Info

Publication number: CN102495107B
Application number: CN 201110319799
Authority: CN
Inventors: 董峰; 任尚杰; 谭超
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-10-19
Also published as: CN102495107A

Abstract

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种用于管道内流体过程参数检测的内外复合式阵列传感器，它包括外部电极阵列和内部电极阵列，外部电极按照圆周分布的方式固定在管道的内壁上，内部电极按照线性分布的方式固定在横贯管道内部的支撑杆上，支撑杆由不导电材料制成，两端固定在管道上。本发明的优点是：可以得到管道内部物质分布信息在更多位置处的投影，增强了敏感场的强度和均匀度，提高了流体测量系统的信息含量。

Description

用于管道内流体过程参数检测的内外复合式阵列传感器

技术领域

本发明涉及流体测量技术领域，尤其涉及一种用于流体过程参数测量的传感器。

背景技术

多相流是在自然界和工业生产中都普遍存在的一种流体形态。例如：石油开采过程中经常遇到的油/水两相流、油/气两相流、油/气/水三相流；冶金、能源领域中的气力物料输送、天然气输送；化工、制药领域的氯化过程、氢化过程、扩散过程、结晶过程；食品、环保领域中的发酵过程、混合过程、污水处理过程，都与多相流问题密切相关。与单相流相比，多相流由于各相间存在着界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上均呈随机变化，具有更为复杂的流动特性，其特征参数要比单相流多。而且，作为一种随机的多变量非线性系统，多相流的流动复杂性和随机性使得其参数检测的难度很大。然而，随着科技的发展，工业生产对计量、节能和控制等方面提出了更高的要求。因此对多相流的流动特性和流动规律进行研究，并对其相关过程参数进行准确测量，在科学研究和工业生产领域中都具有十分重要的意义，成为了现代工业测量领域的热点之一，属于国内外亟待解决的难题。

近年来关于多相流过程参数检测技术的研究取得了很大的进步，其中基于电学法的多相流检测技术，得到了国内外学者的普遍关注，并取得了快速的发展。电学测量方法根据多相流中各相物质的不同的电学特性，获取在某一电学敏感场的激励下，被测流体局部或边界上的响应信息，从而对流动过程参数进行估计。它具有响应速度快、易于安装实现、安全无辐射、价格低廉等特点优点，应用范围包括：气液两相流、油水亮相流、气固两相流、油气水三相流、气液固三相流等。下面针对与本发明相关的几类多相流过程参数电学测量技术进行简单介绍。

电导探针法：它根据多相流中得各相具有的不同电导率，采用插入式电导探针的方法，检测被测流体单点或局部的流动信息。由于其使用了侵入式(传感器侵入到被测流体之中)的测量方法，其精度相对较高，可以直接获得管道内部信息，但是其传感器置于被测流场之中，容易对被测过程造成扰动，而且传感器容易磨损和腐蚀，另外单点的测量方式使其不能获得被测流体流动过程的2维、3维信息，从而限定了其应用范围。

丝网检测技术：它通过被测管道的某一截面上安装网状传感器的方法，将整个管道截面分割成若干测量敏感区域，利用网状传感器边界处的测量电流或电压，采用一定的图像重建算法对场内截面物质分布进行重建。这种方法的传感器侵入被测流体内部，测量精度高，而且由于传感器分布均匀，电学敏感场的软场特性得到了很好的改善，重建效果稳定空间分辨率高，能够有效的获得流体2维界面信息。但是传感器会对被测过程造成扰动，而且传感器加工和维护相对困难，应用范围有限。

环形电导法：它通过在某一部分管段内壁上平行安装环形电导传感器的方法，对流体的体积流动参数进行测量。这种方法的传感器非不用侵入流场之中，不会对被测流场造成扰动，而且由于采用多个环形电导，因此抗造能力强，能够获得被测流体的体积流动参数，但是这种方法独立测量数目少，受流型影响较大，需要根据不同流体的不同流型进行修正，而且精度相对较低。

电学层析成像法：它通过围绕被测对象安装阵列传感器，以获取被测物场在不同观测角度下的投影数据，再由计算机利用某种图像重建算法给出被测对象的断层图，进而估计被测过程的截面信息，或应用相关测速、多传感器数据融合等信息处理理论，获取管道内部多相流体的过程参数。这种方法主要包括：电阻抗层析成像法、电容层析成像法、电阻抗层析成像法、静电层析成像法、电磁层析成像法等，他们的传感器结构和安装方式不同，所得信号的物理含义不同，应用对象不同，但是都是基于电学敏感场，在成像原理和算法上有很大的相似性。与其他多相流检测技术相比，电学层析成像技术的传感器只分布在被测对象外部，不会对被测过程造成扰动，而且能够获得被测过程2维3维的参数分布，可以实现被测对象的实时在线监测。但是由于其基于软场传感器(电学传感器)，其敏感场分布对于被测对象的特性分布(相分布)变化十分敏感，容易受被测介质分布的影响；另外其测量灵敏度会随其与管壁的距离的增加而急剧减小，使得管道中心区域测量的空间分辨率相对低；管道内部的过程参数只能通过边界信息反演估计的得到，测量精度不高。

为了解决上述多相流过程检测中遇到的困难，国内外诸多学者在电学传感器的设计方便做出了很多努力。

例如：申请号为200510122587.4的“ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器”及申请号为200710056857.5的“ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器”中设计了一种ERT/ECT双模态系统，它通过一种双模态复合阵列传感器，成功的实现了ECT技术与ERT技术的融合与互补，提高了电学层析成像技术的测量精度，扩展了电学层析成像技术的应用范围。但是在上述专利中传感器仍然采用了传统的方式固定在测量管道的内壁上，没有对电学敏感场的不均匀性和软场特性进行改善，被测管道中心区域的空间分辨率依然很较低。

国内外还有不少学者，在电学层析成像技术的机理之上，通过采用增加传感器数目的方式，或者通过采用多层传感器的方式，以及优化传感器几何尺寸等方式，来获取被测区域在边界上的更多投影。这些方法在实际应用中得到了一定的效果，但是由于机械加工精度的限制，以及理论上的局限性，这几种方法的改进效果十分有限。

近年来，国内外一些学者，开始通过在被测场域内添加内部电极的方式，提高边界投影的数目，改善灵敏场的不均匀性，进而提高被测场域内部的空间分辨率，得到了很好的效果。但是在以往的研究工作中，内部电极以被测场域内部存在的已知结构(如：混合过程中的搅拌器)为基础，一般分布在被测场域的中心部位，而且数量非常有限，一般不超过4个，分布位置较为集中。这种位置和数目上的限制，使得以往的内部电极不能很好的改善被测场域内部各个区域的空间分辨率，对测量精度的改善能力十分有限。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种新型的用于管道内流体过程参数检测的传感器，提高被测管道中心区域的空间分辨率，从而达到提高流体过程参数的测量精度的目的。本发明的技术方案如下：

一种用于管道内流体过程参数检测的内外复合式阵列传感器，它包括外部电极阵列和内部电极阵列，外部电极按照圆周分布的方式固定在管道的内壁上，内部电极按照线性分布的方式固定在横贯管道内部的支撑杆上；支撑杆由不导电材料制成，两端固定在管道上，支撑杆是中空的，其内开设有内部引线槽，各个内部电极的形状均为环形，固定在支撑杆外表面上，内部电极的内表面与布置在内部引线槽内的内部电极引线相连。

作为优选实施方式，所述的外部电极阵列由8～64个外部电极组成，所述的内部电极阵列由5～24个内部电极组成；内部电极的个数与外部电极的个数相互独立，均由相同材质的导体材料制成；外部电极和内部电极为不锈钢、钛合金或氯化银；支撑杆材料为陶瓷或强化塑料。

本发明的有益效果是：与传统的基于电学敏感场的管道内流体测量传感器相比，本发明可以在管道内排布更多的内部电极，而且内部电极的分布相对已有结构更加均匀，能够为管道内过程参数测量系统提供更多的独立测量数据，获取更多的内部信息，能够改善被测管道内部区域的灵敏度，改善敏感场分布的不均匀性，提高测量系统的空间分辨率，进而提高关于被测流体过程参数的测量精度。

附图说明

以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：

图1为本发明的内外复合式阵列传感器俯视图；

图2为本发明的内外复合式阵列传感器等轴侧视图；

图3为本发明的内外复合式阵列传感器主视图；

图4为图3的A-A向剖面试图；

图5为图4的B区域的局部放大图，缩放比例为3∶1；

图6为图4的C区域的局部放大图，缩放比例为3∶1；

图7为内部电极阵列的结构示意图。

图中标号说明：

1、管道

2、外部电极

3、内部电极

4、绝缘套管

5、外部电极密封圈

6、外部电极垫圈

7、外部电极螺母

8、外部电极接线柱

9、外部电极引线

10、支撑杆密封圈

11、支撑杆垫圈

12、支撑杆螺母

13、支撑杆

14、内部电极引线槽

15、内部电极引线

16、小安装孔

17、大安装孔

具体实施方式

以下详细描述制造和操作本发明的步骤，旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述：

本发明的内外复合式阵列传感器，由外部电极阵列和内部电极阵列组成。如图1、图2、图3所示的实施例，外部电极阵列由16个外部电极2组成，外部电极2按照图4所示的圆形的分布方式，安装在管道1的内壁上，内部电极阵列由5个内部电极3组成，内部电极3按照图7所示的线性的分布方式，由相应的绝缘套管4依次隔开，安装在横贯管道1内部的支撑杆13上。本实施例中所述的外部电极2，其形状为矩形；其材料为电化学特性稳定的导体材料制作，可以选用钛合金、不锈钢、氯化银等；按照图5所示的方式，由外部电极密封圈5、外部电极垫圈6以及外部电极螺母7安装在管道1的内壁上；通过焊接在其背向管道内部一侧的外电极接线柱8和外电极引线9与信号采集电路相连。

本实施例中所述的支撑杆13的主要作用是固定和安装内部电极阵列，其形状为圆棒形，两端开有螺纹；其材料为具有高机械强度的不导电材料，可以为陶瓷、强化塑料等；按照图5中所示的方式，在其两端由支撑杆密封圈10、支撑杆垫圈11和支撑杆螺母12固定在管道1上；并在其外表面开设有内部电极引线槽14，用于布置与内部电极3相连的内部电极引线15。

本实施例中所述的外部电极2，其形状为矩形；其材料为电化学特性稳定的导体材料制作，可以选用钛合金、不锈钢、氯化银等；按照图6中所示的方式，由外部电极密封圈5、外部电极垫圈6以及外部电极螺母7安装在管道1的内壁上；在其背向管道内部的一面与外部电极接线柱8焊接在一起，再由接线柱8连接至外部电极引线9。

本实施例中所述的内部电极3，其形状为圆环形；其材料与本实施例中所述的外部电极2保持一致；按照图7中所示的方式，焊接支撑杆13上的相应位置；在其内表面与布置在内部引线槽14内部的内部电极引线15相连。

本实施例中所述的绝缘套管4的主要作用是隔离不同的内部电极3，使内部电极3之间彼此保持非接触性，其形状为圆环形，与内部电极3的尺寸相配合；其材料为易于加工的不导电材料，可以选用塑料。

本实施例中所述的内部电极引线15，采用小尺寸的同轴线缆，安装在内部电极引线槽14中与内部电极3相连，然后采用密封条密封，使其与流体完全隔离。

本发明的最佳应用场合是管道内部多相流体的过程参数测量。本实施例中所述的管道1的直径为125mm，为典型的多相流应用管道。外部电极的数目经优化选取后设定为16个。由于本实施例中使用的被测管道直径较小，使得内部电极的尺寸相应较小，加工和安装难度较大，因此本实施例中的内部电极数目设定为5个。在实际应用中，可以根据实际情况适当的增加或减少外部电极和内部电极各自的数量，以提高测量的速度或精度。本实施例中外部电极2的长宽尺寸被设置为20mm×10mm，内部电极3的直径为10mm，在实际应用中，可以根据具体情况适当调整。例如：管道直径为50mm时，外部电极2的长宽尺寸可调整为15mm×5mm，内部电极3的直径可调整为5mm。由于本发明中由于采用了侵入式的内部电极阵列，必然会对被测过程照成一定的扰动，为了减小扰动，可以根据实际情况适当的减小内部电极和支撑杆的尺寸，也可以采用具有流线型的支撑杆。

在实际测量中，内部电极3和外部电极2均可以用作电流输入、接地或电压测量。测量到的数据可以用于重构管道内部测量截面处的电阻率分布信息；也可以作为分布式传感器阵列，结合相关测速、多传感器数据融合等信息处理方法，直接得到关于管道内部被测流体的过程参数。

与传统的传感器相比，该传感器具有以下几方面优势：首先，在外部电极数目相同的条件下，本发明的传感器通过加入内部电极阵列有效的增加了测量系统的独立测量数目，例如：在本实施例中，独立测量数目可以达到189个，比只有外部电极的测量系统多出81个；其次，由于内部电极阵列的加入，可以得到管道内部物质分布信息在更多位置处的投影管道内部，有效了提高了测量数据的信息含量；另外，由于内部电极阵列的加入，有效的提高了敏感场的强度和均匀度，改善了电学敏感场的软场特性，有利于提高测量系统的空间分辨率；最后，由于内部电极阵列的引入，管道内部物质的轴向分布信息，可以通过对内部电极阵列进行测量直接得到，在管道内部物质分布较为对称的工业应用中(如：水平管道内层状流、鼓泡塔反应器中的多相反应)，可以由此推断出场域内部物质的截面分布特点，增加对于管道内流体过程参数的检测精度。

本发明的内外复合式阵列传感器，其主要应用场合是管道内部多相流过程参数测量，但也可应用于医学生物阻抗测量，应用于医学测量时，需要注意内部电极阵列的加工形式和安装方式，避免对人体造成损伤，同时也可以用于结晶过程、地质勘探等。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方案之一，如有本领域的普通技术人员在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造形的设计出与本发明相类似的结构形式或实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于管道内流体过程参数检测的内外复合式阵列传感器，其特征在于：它包括外部电极阵列和内部电极阵列，外部电极按照圆周分布的方式固定在管道的内壁上，内部电极按照线性分布的方式固定在横贯管道内部的支撑杆上；支撑杆由不导电材料制成，两端固定在管道上，支撑杆是中空的，其内开设有内部引线槽，各个内部电极的形状均为环形，固定在支撑杆外表面上，内部电极的内表面与布置在内部引线槽内的内部电极引线相连。

2.根据权利要求1所述的用于管道内流体过程参数检测的内外复合式阵列传感器，其特征在于：在相邻的内部电极之间设置有绝缘套管，用以固定和间隔内部电极。

3.根据权利要求1所述的内外复合式阵列传感器，其特征在于：所述的外部电极阵列由8～64个外部电极组成，所述的内部电极阵列由5～24个内部电极组成。

4.根据权利要求1或2任意一项所述的内外复合式阵列传感器，其特征在于：内部电极的个数与外部电极的个数相互独立。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的内外复合式阵列传感器，其特征在于：外部电极和内部电极均由相同材质的导体材料制成。

6.根据权利要求5所述的内外复合式阵列传感器，其特征在于：外部电极和内部电极为不锈钢、钛合金或氯化银。

7.根据权利要求1所述的内外复合式阵列传感器，其特征在于：支撑杆材料为陶瓷或强化塑料。