CN108152341A - 一种低温流体管内流动电容层析成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温流体管内流动电容层析成像装置，应用于深低温流体(如液氮(～78K)、液氧(～90K))管内流动流型监测的电容层析成像。装置包括：绝缘管道、电极片、限位套、屏蔽隔板、电磁屏蔽罩、屏蔽环、紧固螺柱。该装置针对于低温下材料的收缩设置紧固螺柱维持电极片与绝缘管道的贴合，同时针对低温流体液气介电常数接近的特点设计屏蔽结构。本低温流体电容层析成像装置具有以下特点：结构简单，可快速拆装，可方便与系统其他管路连接；可用于从室温到深低温的较大范围，多次大幅度温度循环不影响测量精度；定位精度高、电磁屏蔽效果好。

Description

一种低温流体管内流动电容层析成像装置
技术领域
本发明涉及低温制冷工程技术及传感器科学技术领域，尤其涉及一种低温流体管内流动电容层析成像(ECT)装置。
背景技术
管内两相流动在化工、空分等流体相关工业经常出现，涉及设计优化及运行安全，因此对两相分布的检测有重要意义。电容层析成像(Electrical CapacitanceTomography,ECT)技术，利用场内微元内不同相含量具有不同总介电常数的特点，通过测量多极片两两之间的电容值，利用反演算法对场内每个微元内流体的相分布进行求解成像，是一种非侵入式的测量技术，具有响应速度块、对流场无干扰、可同时获得相含率及相分布数据等优点，目前被广泛研究并在常温流体工业中得到应用。
不同于室温流体气液介电常数差别较大，低温流体液-气介电常数比普遍小于1.5，成像结果对于测量噪声极为敏感，对极片的布置精度有着很高的要求，为了保证有较好的成像效果，需要构建良好的电磁屏蔽结构。并且由于金属和非金属在低温下的收缩率相差较大，传统的粘合或者将金属烧蚀在非金属表面的极片安装方法，将很容易导致松脱，甚至非金属管道受到金属热应力而产生破裂。另外，非金属管道低温下极易发生脆裂。本发明针对于低温流体的相含率测量技术需要，综合低温流体的本身物性及低温环境下的材料特性，进行发明设计。
浙江大学制冷与低温研究所张小斌、陈建业、王宇辰、谢黄骏[1][2][3]等人相继对应用于低温流体两相流空泡率测量的二极片电容传感器及适用于低温流体相分布及空泡率测量的电容层析成像技术进行了理论及实验的研究。陈建业的实验表明，其二极片电容传感器对管内低温流体空泡率的测量误差可控制在15％以内，但这种传感器外面包裹两个电极片，也没有采取电磁屏蔽结构，与本发明结构差异巨大。谢黄骏对应用于低温流体测量的电容层析成像技术进行了理论验证，发现其数值实验的结果较好，但文章没有涉及针对于低温流体两相流测量的电容层析成像传感器的具体结构设计。Filippov等[4]研究了使用射频传感器测量低温流体两相流空泡率，结果表明射频传感器的测量精度可达1.5％，它与本发明使用完全不同的原理和结构。
中国专利CN100412534C公开了一种应该用于微通道的电容层析成像装置，该传感器旨在弥补ECT传感器在微尺度下管内两相流的液膜测量的需求。该发明没有环向屏蔽与绝缘垫的紧固结构，电极直接接触流体，与本发明结构上有较大差异。
中国专利CN102364420B公开了一种高精度ECT智能传感器，该发明的传感器部分在绝缘管道上进行打孔，电极片直接接触流体，通过螺栓固定电极片，与本发明结构上有较大差异。
中国专利CN104655692B公开了一种利用两层框架固定电极片的ECT传感器的结构设计，该发明环向上没有设置屏蔽板，屏蔽结构安装在外框上与极片一一对应，与本发明在结构上有较大差异。
中国专利CN106932446A公开了一种在管内设有内置电极的ECT传感器，该发明中，有部分电极片安装在管道内部，适用的管道结构是具有同心结构的管道，与本发明在结构上具有较大差异。
中国专利CN103454318B公开了一种具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，其利用两个同轴不同径的可旋转圆管，将电极安置在旋转圆管上进行多角度的电容值测量，该发明电极采用粘贴的方式固定在圆管壁上且带有可旋转结构，与本发明在结构上有较大差异。
中国专利CN20485537U公开了一种平面电容层析传感器，该发明中电极片采用平面阵列的排布方式，与本发明在结构上具有较大差异。
美国专利US8614707B2公开了一种三维实时电容层析成像传感器设计，该专利对电极片的形状结构及极片间的相对位置关系进行了优化设计，没有对电极片的安装方式及装置具体结构进行设计，并且电极片在轴向上也有分布布置，与本发明结构上具有较大的差异。
美国专利US7496450B2公开了一种基于电容层析成像技术的多相流成像监测方法，该专利指明了传感器的分布方式但是没有对传感器的安装结构进行设计，并且没有设计环向方向的屏蔽板，与本专利存在较大差异。
美国专利US8461852B2公开了一种基于电容层析成像技术的对流化床内颗粒分布进行监测的方法，其ECT传感器的电极采用埋入管道外壁的方式进行固定，在结构上与本专利结构存在较大差异。
综上所述，根据低温环境下各材料的物性特点及低温流体气液相介电常数的特点，设计一种专门针对于低温流体管内流动的电容层析成像装置是有必要的，该技术拥有非侵入式测量的特点，可以同时获得截面处的相含率及相分布的情况。
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发明内容
本发明提供一种低温流体管内流动电容层析成像(ECT)装置，该装置可通过测量两两电极片间的电容，将数据传输到计算机上，利用相应的反演算法[3]对圆管内低温流体两相流的空泡率进行测量，并且能够以给出相分布的情况。该装置具有非侵入式的特点，结构简单，可快速拆装，可方便与系统其他管路连接；可用于从室温到深低温的较大范围，多次大幅度温度循环不影响测量精度，定位精度高、电磁屏蔽效果好。
本发明的技术方案如下：
低温流体管内流动电容层析成像装置包括绝缘管道、金属法兰、限位套、电磁屏蔽罩、前屏蔽环、屏蔽线、屏蔽板、环向限位片、电极片、环垫、紧固螺柱和后屏蔽环；
绝缘管道两端连接金属法兰；电极片有多片，电极片的外表面定位并焊接有屏蔽线，电极片环向两侧分别设置有一片环向限位片组成一个结构单元，多个结构单元环向包裹并贴合绝缘管道，每个结构单元之间设置有一块屏蔽板；屏蔽板径向上端面抵触电磁屏蔽罩的内表面，其径向下端面抵触绝缘管道外壁面，环向限位片的厚度和轴向长度与电极片相等；限位套数量与结构单元相等，每个限位套紧贴一个结构单元，限位套之间被所述屏蔽板隔开；限位套的环向弧度与结构单元相等，电磁屏蔽罩为薄壁金属，电磁屏蔽罩包裹限位套；电磁屏蔽罩轴向长度与限位套以及屏蔽板的轴向长度相等；电磁屏蔽罩表面有多个螺纹穿孔，匹配相同数量的紧固螺柱，紧固螺柱下端部与限位套外表面抵触；前屏蔽环和后屏蔽环紧贴电磁屏蔽罩的前后两个端面，且与限位套、屏蔽板的前后两个端面贴合；前屏蔽环和屏蔽环内表面紧密包裹环垫，环垫紧密包裹绝缘管道；限位套靠前屏蔽环的一侧端面开有线孔，前屏蔽环上开有与所述线孔对应的通孔，供屏蔽线引出。
优选的，所述的电极片为矩形内弯薄片，电极片的外表面开有槽道，定位并焊接有屏蔽线。
优选的，所述的限位套内表面挖有环向通槽，环向通槽的长度与电极片的轴向长度相等，环向通槽的深度与电极片的厚度相等，限位套内表面环向通槽上开有径向线槽，径向线槽与屏蔽线线芯紧密贴合。
优选的，电磁屏蔽罩由两个薄壁金属半圆拱面组成，由连接螺栓紧固。
优选的，所述的前屏蔽环、后屏蔽环均由两个金属半圆环组成，通过屏蔽环连接螺栓紧固。
优选的，所述的屏蔽板的材料为金属，所述的限位套的材料为聚四氟乙烯，所述的紧固螺柱的材料为金属。
本发明与现有技术相比，很好的填补了电容层析成像装置在低温流体管内两相流领域的应用空白，针对低温工作环境及低温流体的特点进行了设计，拓展了低温流体流动过程的监测手段。
附图说明
图1为本发明一种低温流体管内流动电容层析成像(ECT)装置的主视图。
图2为本发明一种低温流体管内流动电容层析成像(ECT)装置的A-A截面剖面图。
图3为本发明一种低温流体管内流动电容层析成像(ECT)装置的B-B截面剖面图。
图4为本发明一种低温流体管内流动电容层析成像(ECT)装置，在不装配绝缘管道及金属法兰情况下的左视图。
图5为本发明一种低温流体管内流动电容层析成像(ECT)装置，在不装配绝缘管道及金属法兰情况下的C-C截面剖面图。
图6为本发明一种低温流体管内流动电容层析成像(ECT)装置中，绝缘管道、环向限位片、电极片以及屏蔽板的装配图左视图。
图7为本发明一种低温流体管内流动电容层析成像(ECT)装置中，限位套的等轴测视图。
图8为本发明一种低温流体管内流动电容层析成像(ECT)装置的等轴测视图
图9为电极片的编号及使用时截面处各位值赋以的边界条件说明。
图中：1、绝缘管道，2、金属法兰，3、限位套，4、电磁屏蔽罩，5、前屏蔽环，6、屏蔽线，7、屏蔽板，8、环向限位片，9、电极片，10、环垫，11、紧固螺柱，12、后屏蔽环，13、电磁屏蔽罩连接螺栓，14、屏蔽环连接螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-8所示，本发明的低温流体管内流动电容层析成像装置包括绝缘管道1、金属法兰2、限位套3、电磁屏蔽罩4、前屏蔽环5、屏蔽线6、屏蔽板7、环向限位片8、电极片9、环垫10、紧固螺柱11和后屏蔽环12；
绝缘管道1两端连接金属法兰2；电极片9有多片，电极片9的外表面定位并焊接有屏蔽线6，电极片9环向两侧分别设置有一片环向限位片8组成一个结构单元，多个结构单元环向包裹并贴合绝缘管道1，每个结构单元之间设置有一块屏蔽板7；屏蔽板7径向上端面抵触电磁屏蔽罩4的内表面，其径向下端面抵触绝缘管道1外壁面，环向限位片8的厚度和轴向长度与电极片9相等；限位套3数量与结构单元相等，每个限位套3紧贴一个结构单元，限位套3之间被所述屏蔽板7隔开；限位套3的环向弧度与结构单元相等，电磁屏蔽罩4为薄壁金属，电磁屏蔽罩4包裹限位套3；电磁屏蔽罩4轴向长度与限位套3以及屏蔽板7的轴向长度相等；电磁屏蔽罩4表面有多个螺纹穿孔，匹配相同数量的紧固螺柱11，紧固螺柱11下端部与限位套3外表面抵触；前屏蔽环5和后屏蔽环12紧贴电磁屏蔽罩4的前后两个端面，且与限位套3、屏蔽板7的前后两个端面贴合；前屏蔽环5和屏蔽环12内表面紧密包裹环垫10，环垫10紧密包裹绝缘管道1；限位套3靠前屏蔽环5的一侧端面开有线孔，前屏蔽环5上开有与所述线孔对应的通孔，供屏蔽线6引出。
在一个优选实施例中，所述的电极片9为矩形内弯薄片，电极片9的外表面开有槽道，定位并焊接有屏蔽线6。
在一个优选实施例中，所述的限位套3内表面挖有环向通槽，环向通槽的长度与电极片9的轴向长度相等，环向通槽的深度与电极片9的厚度相等，限位套3内表面环向通槽上开有径向线槽，径向线槽与屏蔽线6线芯紧密贴合。
在一个优选实施例中，电磁屏蔽罩4由两个薄壁金属半圆拱面组成，由连接螺栓13紧固。
在一个优选实施例中，所述的前屏蔽环5、后屏蔽环12均由两个金属半圆环组成，通过屏蔽环连接螺栓14紧固。
在一个优选实施例中，所述的屏蔽板7的材料为金属，所述的限位套3的材料为聚四氟乙烯，所述的紧固螺柱11的材料为金属。
在本发明的一个具体实施方案中，采用八极片布置的结构，绝缘管道采用二氧化硅玻璃制成，金属法兰与绝缘管道之间采用柯伐焊接。限位套、环垫采用、环向限位片采用聚四氟乙烯制成，电磁屏蔽罩、屏蔽板、前屏蔽环、后屏蔽环、紧固螺柱采用导电导磁测碳钢制成，电极片采用无氧铜制成，与屏蔽线的线芯材质相同，以减小接触电势。环向屏蔽线的线芯焊接在电极片外表面的槽道上，电极片与环向限位片配合好之后嵌入限位套的环向通槽当中，整体装配在玻璃管道上，在限位套两两之间的空隙处插入屏蔽板。装配好前、后屏蔽环，二者端面分别与限位套的前后端面紧密贴合，前、后屏蔽环与绝缘管道之间垫有环垫以均布压力，防止绝缘管道碎裂，环垫的外径比前、后屏蔽环的内径大1mm以实现二者之间的过盈配合，此时当拧紧屏蔽环连接螺栓之后可提供轴向的静摩擦力以进行轴向的限位，同时预留在低温环境下环垫收缩的余量，屏蔽线从前屏蔽环引出。然后将上下各半屏蔽罩装配，拧紧螺栓，完成装配。在实际工作时，需先进通冷的气态工质(如冷氮气、冷氧气)以完成装置的预冷，以防骤冷导致脆裂，预冷过程中，缓缓拧紧紧固螺柱，以抵消聚四氟乙烯限位套在低温下的收缩，防止电极片松脱。
如图9所示，实际运作时，首先使用电压U给极片#1以激励，其余极片保持0电势，此时分别测量获得#1-#2、#1-#3、#1-#4、…、#1-#8极片对之间的电容值，然后使用电压U激励极片2，测量#2-#3、#2-#4、…、#2-#8极片之间的电容值，以此类推。需要注意的是，两两极片的组合之间不重复进行电容测量，即在极片#1激励时，#1-#2间电容测量完毕，而当极片#2被激励时不再测量#2-#1间的电容值。传感器从采集电容到反演成一幅图像称为一次工作，因此，对于一个8电极ECT传感器而言，每一次工作可获得28个电容测值用于后续的反演成像。屏蔽罩、前屏蔽环、后屏蔽环及屏蔽线屏蔽层均需要保持接地。
以上所述的具体实施方式，对本发明装置的结构、技术方案及实际使用时的操作方式进行了进一步详细说明，所理解的应是，以上所述仅为本发明的具体实施例子，并不用于限制本发明，但在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低温流体管内流动电容层析成像装置，其特征在于包括绝缘管道(1)、金属法兰(2)、限位套(3)、电磁屏蔽罩(4)、前屏蔽环(5)、屏蔽线(6)、屏蔽板(7)、环向限位片(8)、电极片(9)、环垫(10)、紧固螺柱(11)和后屏蔽环(12)；
绝缘管道(1)两端连接金属法兰(2)；电极片(9)有多片，电极片(9)的外表面定位并焊接有屏蔽线(6)，电极片(9)环向两侧分别设置有一片环向限位片(8)组成一个结构单元，多个结构单元环向包裹并贴合绝缘管道(1)，每个结构单元之间设置有一块屏蔽板(7)；屏蔽板(7)径向上端面抵触电磁屏蔽罩(4)的内表面，其径向下端面抵触绝缘管道(1)外壁面，环向限位片(8)的厚度和轴向长度与电极片(9)相等；限位套(3)数量与结构单元相等，每个限位套(3)紧贴一个结构单元，限位套(3)之间被所述屏蔽板(7)隔开；限位套(3)的环向弧度与结构单元相等，电磁屏蔽罩(4)为薄壁金属，电磁屏蔽罩(4)包裹限位套(3)；电磁屏蔽罩(4)轴向长度与限位套(3)以及屏蔽板(7)的轴向长度相等；电磁屏蔽罩(4)表面有多个螺纹穿孔，匹配相同数量的紧固螺柱(11)，紧固螺柱(11)下端部与限位套(3)外表面抵触；前屏蔽环(5)和后屏蔽环(12)紧贴电磁屏蔽罩(4)的前后两个端面，且与限位套(3)、屏蔽板(7)的前后两个端面贴合；前屏蔽环(5)和屏蔽环(12)内表面紧密包裹环垫(10)，环垫(10)紧密包裹绝缘管道(1)；限位套(3)靠前屏蔽环(5)的一侧端面开有线孔，前屏蔽环(5)上开有与所述线孔对应的通孔，供屏蔽线(6)引出。
2.如权利要求1所述的一种低温流体管内流动电容层析成像装置，其特征在于所述的电极片(9)为矩形内弯薄片，电极片(9)的外表面开有槽道，定位并焊接有屏蔽线(6)。
3.如权利要求1所述的一种低温流体管内流动电容层析成像装置，其特征在于，所述的限位套(3)内表面挖有环向通槽，环向通槽的长度与电极片(9)的轴向长度相等，环向通槽的深度与电极片(9)的厚度相等，限位套(3)内表面环向通槽上开有径向线槽，径向线槽与屏蔽线(6)线芯紧密贴合。
4.如权利要求1所述的一种低温流体管内流动电容层析成像装置，其特征在于，电磁屏蔽罩(4)由两个薄壁金属半圆拱面组成，由连接螺栓(13)紧固。
5.如权利要求1所述的一种低温流体管内流动电容层析成像装置，其特征在于所述的前屏蔽环(5)、后屏蔽环(12)均由两个金属半圆环组成，通过屏蔽环连接螺栓(14)紧固。
6.如权利要求1所述的一种低温流体管内流动电容层析成像装置，其特征在于所述的屏蔽板(7)的材料为金属，所述的限位套(3)的材料为聚四氟乙烯，所述的紧固螺柱(11)的材料为金属。
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