CN109724508B - 贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器、装置、系统及标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器、装置、系统及标定装置，其中测量传感器包括：内电极、圆柱环和外电极；所述内电极、所述圆柱环和所述外电极由内到外依次连接，组成圆柱状的测量传感器；且所述内电极、所述圆柱环和所述外电极接触液面的一侧的粗糙程度均相同，能够在降低因电极与圆柱环材质不同影响流体流动而产生的液膜厚度差异的条件下测量贴壁流动液膜厚度，并且结构简单，测量迅速。

Description

贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器、装置、系统及标定装置

技术领域

本发明涉及液膜厚度测量技术领域，更具体的说是涉及一种贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器、装置、系统及标定装置。

背景技术

在液体流动和物质传热多个领域均需要测量液膜厚度。随着流体方面的研究逐渐深入，各种不同性质的流体的理论模型逐渐完善，但同时也对能够验证理论的实验检测器材提出了更高的要求，如检测液体的亲疏水性、粘性或表面张力系数等物理量需要更加精密高效的测量仪器。

而在工程应用之上，液膜厚度测量同样有着重要的意义价值，如在管道流动之中，流体在管道壁面上形成的液膜厚度的不同对管道的热传递效率存在着影响，明确液膜厚度对热量传递的影响大小能够更高效的设计流体运输管道。另外，在发动机领域，燃料在发动机壳体之上形成的液膜对燃料的燃烧效率同样有着影响，在发动机工作过程之中如果能够测量出所形成的液膜厚度则有助于优化发动机设计以及燃料输送控制，从而提高燃烧效率。

然而，如今对于流动液膜的测量方式大多使用激光干涉衍射等方法，在测量的过程中，需要探针伸入到液膜内，这一操作会影响到整个流场的流动情况，使得测量得到的液膜厚度数据仅仅具有理论分析上的价值。

因此，如何在尽量减小对流动状况影响下，并在较为实际的条件下测量流动液膜厚度的大小是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器、装置、系统及标定装置，能够在降低因电极与圆柱环材质不同影响流体流动而产生的液膜厚度差异的条件下测量贴壁流动液膜厚度，并且结构简单，测量迅速。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器，包括：内电极、圆柱环和外电极；

所述内电极、所述圆柱环和所述外电极由内到外依次连接，组成圆柱状的测量传感器；且所述内电极、所述圆柱环和所述外电极接触液面的一侧的粗糙程度均相同。

优选的，所述内电极为圆柱状，所述外电极为圆柱环状；且所述内电极、所述圆柱环和所述外电极尺寸相匹配。

优选的，所述内电极与所述圆柱环之间，以及所述圆柱环与所述外电极之间均通过胶水粘合方式进行连接。

优选的，所述外电极的内径：外径＝3:4，且其外径大小为3mm～6cm，高度为2mm～10cm，所述外电极的材质为银、铜或金；

所述圆柱环为有机玻璃圆柱环，其外径：内径＝3:2，且其外径与所述外电极的内径相等，高度与所述外电极的高度相等；

所述内电极的材质与所述外电极的材质相同，且所述内电极的半径等于高度，且半径为2mm～4cm，且其半径与有机玻璃圆柱环的内径相等。

一种贴膜流动液膜厚度电导式测量装置，包括：上述的贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器和测量平板；

所述贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器安装在所述测量平板上，且粗糙程度相同的一面接触液面。所述贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器的大小与测量平板上安装贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器的孔洞匹配。

优选的，所述外电极与所述测量平板之间通过过盈配合进行连接。

一种贴膜流动液膜厚度电导式测量系统，包括：上述的贴膜流动液膜厚度电导式测量装置、高压气瓶、工质存储罐、直流喷嘴、测量电极、厚度检测电路和处理装置；其中，所述测量电极固定在所述内电极和所述外电极的底部；

所述高压气瓶的高压气体将所述工质存储罐中的液体压出至管路中，并通过所述直流喷嘴喷出，喷出的射流撞击到所述测量平板上产生平面液膜，所述厚度检测电路通过所述测量电极进行测量并传输到所述处理装置中进行处理。

优选的，还包括：工质收集器，所述工质收集器安装于所述测量平板下面，用于收集实验过程中的废液。

一种平面液膜厚度测量标定装置，包括：上述的贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器、测量平板、标定薄板和标定上盖；其中，所述标定薄板中间具有孔道；所述标定上盖上具有入液口和出液口；

所述贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器安装在所述测量平板上，且粗糙程度相同的一面朝向所述孔道；

所述标定上盖、所述标定薄板和所述测量平板自上而下依次固定安装。

优选的，所述标定上盖、所述标定薄板和所述测量平板上均设置有螺栓孔，且所述标定上盖、所述标定薄板和所述测量平板自上而下依次通过紧固螺栓固定安装。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器、装置、系统及标定装置，不再需要探针伸入液膜内进行测量，避免了扰动流场，且传感器接触液面的一侧的粗糙程度均相同。本发明提供的测量传感器能够在降低因电极与圆柱环材质不同影响流体流动而产生的液膜厚度差异的条件下测量贴壁流动液膜厚度，并且结构简单，测量迅速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器的结构示意图；

图2为本发明提供的外电极的结构示意图；

图3为本发明提供的内电极的结构示意图；

图4为本发明提供的圆柱环的结构示意图；

图5为本发明提供的测量平板的结构示意图；

图6为本发明提供的贴膜流动液膜厚度电导式测量系统的示意图；

图7为本发明提供的平面液膜厚度测量标定装置；

图8为本发明提供的标定薄板的结构示意图；

图9为本发明提供的标定上盖的结构示意图；

图10为本发明提供的采集到的电压信号的数据图；

图11为本发明提供的平面液膜标定结果图；

图12为本发明提供的距射流中心不同位置处的液膜厚度分布图。

在附图1-9中：

1、内电极，2、圆柱环，3、外电极，4、测量传感器，5、测量平板，6、高压气瓶，7、工质存储罐，8、直流喷嘴，9、测量电极，10、厚度检测电路，11、处理装置，12、工质收集器，13、标定薄板，14、标定上盖，15、孔道，16、入液口，17、出液口，18、螺栓孔，19、圆孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在详细介绍本发明所提供的技术方案之前，先对测量液膜厚度的基本原理进行简单说明。

某已知电导率待测流体射流撞击壁面，在壁面上形成待测的流动液膜，液膜沿壁面定向流动，在待测液面厚度位置预先安装传感器，待测液面流经传感器，两有电位差的电极通过液体形成回路，在电路之中产生电流信号，通过此信号检测出电阻值。根据电阻值和两电极的几何尺寸值，能够推导出液面厚度的表达式，电导法测量液膜厚度的测量原理图如图6所示。根据导体电阻的定义式可知电极上方的液膜电阻为：

式中R_液为液膜电阻；ρ_液为液膜的电导率；h为液膜的厚度；D₁为内电极外径；D₂为外电极内径；S为液膜的横截面积。通过此式可以看出：两电极间电导与液膜厚度呈正相关。将此电极接入电路中，由于液膜厚度的增加，电极间电导增加，在流经液膜的电流大小不变情况下，两电极间的电势差会增加，通过测量出两电极间电压的变化即可得出平板上的液膜厚度的变化。

下面针对本发明的具体技术方案对进一步详细说明。

参见附图1-4，本发明实施例公开了一种贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器，包括：内电极1、圆柱环2和外电极3；

内电极1、圆柱环2和外电极3由内到外依次连接，组成圆柱状的测量传感器4；且内电极1、圆柱环2和外电极3接触液面的一侧的粗糙程度均相同。

整个传感器接触液面的一侧进行统一打磨，保证粗糙程度相同，降低因电极与圆柱环材质不同影响流体流动而产生的液膜厚度差异，使用该传感器能够在将对流动状况产生的影响较小的前提下测量流动液膜厚度的大小。

为了进一步优化上述技术方案，内电极1为圆柱状，外电极3为圆柱环状；且内电极1、圆柱环2和外电极3尺寸相匹配。

为了进一步优化上述技术方案，内电极1与圆柱环2之间，以及圆柱环2与外电极3之间均通过胶水粘合方式进行连接。

为了进一步优化上述技术方案，外电极3的内径：外径＝3:4，且其外径大小为3mm～6cm，高度为2mm～10cm，外电极3的材质为银、铜或金；

圆柱环2为有机玻璃圆柱环，其外径：内径＝3:2，且其外径与外电极3的内径相等，高度与外电极3的高度相等；

内电极1的材质与外电极3的材质相同，且内电极1的半径等于高度，且半径为2mm～4cm，且其半径与有机玻璃圆柱环的内径相等。

有机玻璃圆柱环内部安装内电极，内电极为圆柱状，圆柱状内电极采用与外电极相同的材质。优选的，内电极和外电极均采用紫铜材质，紫铜导电性良好，化学性质稳定，不易产生化学电腐蚀，并且紫铜属于工业纯铜，成本低廉。

一种贴膜流动液膜厚度电导式测量装置，包括：上述的贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器4和测量平板5；

贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器4安装在测量平板5上，且粗糙程度相同的一面接触液面。

为了进一步优化上述技术方案，外电极3与测量平板5之间通过过盈配合进行连接。

参见附图5，附图5为测量平板的结构示意图，测量平板中间的圆孔19用来安装测量传感器，两侧的圆孔是为了插入固定螺钉。优选的，其尺寸为长度＝宽度＝250mm，两侧为螺钉通孔直径为4mm，中间为传感器电极安装孔，直径为外电极外径，三孔距测量平板一侧为170mm。而且，测量平板高度与传感器电极高度相同。

将测量传感器固定在测量平板上后，粗糙程度相同的一侧用于接触液面，另一侧的用于安装两个测量电极，其中，两个测量电极分别与外电极和内电极连接，采集测量数据，并传递到处理装置中，通过电信号、已知物理量和几何参数计算出当前时刻液膜厚度。

测量平板采用绝缘性抗腐蚀性较好的材料，如：有机玻璃材质，有机玻璃材料原料广泛，易于加工、价格经济、绝缘性好。外电极与测量平板之间采取过盈配合连接密封性强。

传感器工作时，流动液膜自上游流经测量平板，测量平板上有电位差的内外电极与流经的导电液面接触，传感器测量得到一个电阻值，通过已知电阻值与液面厚度关系式(1)得到液面厚度。

参见附图6，一种贴膜流动液膜厚度电导式测量系统，包括：上述的贴膜流动液膜厚度电导式测量装置、高压气瓶6、工质存储罐7、直流喷嘴8、测量电极9、厚度检测电路10和处理装置11；其中，测量电极9固定在内电极1和外电极3的底部；

高压气瓶6的高压气体将工质存储罐7中的液体压出至管路中，并通过直流喷嘴8喷出，喷出的射流撞击到测量平板5上产生平面液膜，厚度检测电路10通过测量电极9进行测量并传输到处理装置11中进行处理。

为了进一步优化上述技术方案，还包括：工质收集器12，工质收集器12安装于测量平板5下面，用于收集测量过程中的废液。

此外，参见附图7～9，本发明实施例还公开了一种平面液膜厚度测量标定装置，包括：上述的贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器4、测量平板5、标定薄板13和标定上盖14；其中，标定薄板13中间具有孔道15；标定上盖14上具有入液口16和出液口17；

贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器4安装在测量平板5上，且粗糙程度相同的一面朝向孔道15；

标定上盖14、标定薄板13和测量平板5自上而下依次固定安装。

为了进一步优化上述技术方案，标定上盖14、标定薄板13和测量平板5上均设置有螺栓孔18，且标定上盖14、标定薄板13和测量平板5自上而下依次通过紧固螺栓固定安装。

在测量平板上放置已知厚度的有机玻璃材质的标定薄板，标定薄板长度250mm，宽度20mm，两螺钉通孔相距200mm，直径为4mm，矩形孔道宽10mm，长150mm。标定薄板薄片两端各有一圆形小孔，为安装紧固螺钉穿过的孔道；中间的矩形孔道是为形成已知厚度液膜的槽道，标定薄板的厚度依次设计为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm。

标定上盖材质为有机玻璃，与测量平板相同。标定上盖的几何结构如图9所示，长度250mm，宽度20mm，高度4mm，两螺钉通孔相距200mm直径为4mm，入液口出液口相距130mm，直径为4mm。标定上盖靠近边缘位置对称的两个圆孔是安装紧固螺钉的通孔，靠近内部的对称圆孔为进液口和出液口，可使用注射器注入实验工质。

被测液体工质由进液口注入，充满槽道后从出液口排出，形成已知厚度的平面液膜，同时记录此时传感器的输出电压，改变标定薄板的厚度，分别记录测量得到的电压信号，实现对液膜厚度的标定。

将标定得到的实验数据处理后得到标定曲线图11，U为输出电压，h为液膜厚度。将实验的数据拟合可得液膜厚度与输出电压的函数关系。本测厚传感器有效测量范围为0.4mm液膜厚度以内。

下面结合具体实例来进一步说明本发明所提供的技术方案。

结合附图6所示的实验系统，实验工况为：直流喷嘴的直径为1mm，喷嘴与平板的垂直距离为350mm，实验的流量为9.08ml/s。改变射流撞击测量平板的位置测量各自位置处的液膜厚度。首先将射流撞击铜柱内电极中心，然后将测量平板依次沿平行于测量平板的同一水平方向移动3mm。测量得到的液膜厚度传感器输出电压如图10。

将每种工况下输出电压取平均值，按照标定拟合曲线计算出液膜厚度结果如图12所示，x为离传感器中心点(射流中心)的距离，单位mm。

从图12中可以看出：液膜厚度随距离撞击射流中心点呈现先减小后增加的趋势，液膜后端呈现增加的液膜厚度为射流撞击平板形成的水跃区。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种贴膜流动液膜厚度电导式测量标定装置，其特征在于，包括：贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器（4）、测量平板（5）、标定薄板（13）和标定上盖（14）；其中，所述标定薄板（13）中间具有孔道（15）；所述标定上盖（14）上具有入液口（16）和出液口（17）；

所述贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器（4）安装在所述测量平板（5）上，且粗糙程度相同的一面朝向所述孔道（15）；

所述标定上盖（14）、所述标定薄板（13）和所述测量平板（5）自上而下依次固定安装。

2.根据权利要求1所述的贴膜流动液膜厚度电导式测量标定装置，其特征在于，所述标定上盖（14）、所述标定薄板（13）和所述测量平板（5）上均设置有螺栓孔（18），且所述标定上盖（14）、所述标定薄板（13）和所述测量平板（5）自上而下依次通过紧固螺栓固定安装。

3.根据权利要求1所述的贴膜流动液膜厚度电导式测量标定装置，其特征在于，所述贴膜流动液膜厚度电导式测量传感器（4）包括：内电极（1）、圆柱环（2）和外电极（3）；

所述内电极（1）、所述圆柱环（2）和所述外电极（3）由内到外依次连接，组成圆柱状的测量传感器（4）；且所述内电极（1）、所述圆柱环（2）和所述外电极（3）接触液面的一侧的粗糙程度均相同。

4.根据权利要求3所述的贴膜流动液膜厚度电导式测量标定装置，其特征在于，所述内电极（1）为圆柱状，所述外电极（3）为圆柱环状；且所述内电极（1）、所述圆柱环（2）和所述外电极（3）尺寸相匹配。

5.根据权利要求4所述的贴膜流动液膜厚度电导式测量标定装置，其特征在于，所述内电极（1）与所述圆柱环（2）之间，以及所述圆柱环（2）与所述外电极（3）之间均通过胶水粘合方式进行连接。

6.根据权利要求5所述的贴膜流动液膜厚度电导式测量标定装置，其特征在于，所述外电极（3）的内径：外径=3:4，且其外径大小为3mm~6cm，高度为2mm~10cm，所述外电极（3）的材质为银、铜或金；

所述圆柱环（2）为有机玻璃圆柱环，其外径：内径=3:2，且其外径与所述外电极（3）的内径相等，高度与所述外电极（3）的高度相等；

所述内电极（1）的材质与所述外电极（3）的材质相同，且所述内电极（1）的半径等于高度，且半径为2mm~4cm，且其半径与有机玻璃圆柱环的内径相等。

7.根据权利要求3所述的贴膜流动液膜厚度电导式测量标定装置，其特征在于，所述外电极（3）与所述测量平板（5）之间通过过盈配合进行连接。

8.根据权利要求3所述的贴膜流动液膜厚度电导式测量标定装置，其特征在于，还包括：高压气瓶（6）、工质存储罐（7）、直流喷嘴（8）、测量电极（9）、厚度检测电路（10）和处理装置（11）；其中，所述测量电极（9）固定在所述内电极（1）和所述外电极（3）的底部；

所述高压气瓶（6）的高压气体将所述工质存储罐（7）中的液体压出至管路中，并通过所述直流喷嘴（8）喷出，喷出的射流撞击到所述测量平板（5）上产生平面液膜，所述厚度检测电路（10）通过所述测量电极（9）进行测量并传输到所述处理装置（11）中进行处理。

9.根据权利要求8所述的贴膜流动液膜厚度电导式测量标定装置，其特征在于，还包括：工质收集器（12），所述工质收集器（12）安装于所述测量平板（5）下面，用于收集实验过程中的废液。

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