CN110389016A - 一种适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，包括底板、置于所述底板之上的电路板和置于所述电路板之上的顶板；所述顶板与所述底板的形状和孔位相同；所述电路板包括基板、焊盘和用于感知多相流参数的丝网测量阵列，所述丝网测量阵列通过所述焊盘焊接于所述基板；所述电路板还包括通过所述基板，与所述丝网测量阵列相连的信号发射器接口和信号接收器接口；所述顶板和所述底板开有匹配所述信号发射器接口和所述信号接收器接口的槽。本发明通过模块化设计，可灵活选择电路板数量以实现不同测量需求，还可通过法兰连接安装在流场的不同位置；互相独立且直连相应接口的发射阵列和接收阵列，信号传输可靠互不干扰。

Description

一种适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块。

背景技术

随着近现代工业技术的快速发展，多相流的研究迅速成为了流体力学中一个重要的分支，在制冷、石油、能源等民用领域以及航空、航天等高科技领域均有着广泛的应用，研究多相流的流动规律对于这些领域具有十分重要的意义。在多相流流动情况的可视化测量中，使用比较广泛的是过程层析测量技术，分为电学式、超声式、射线式和光学式等类型。

基于丝网传感器(Wire Mesh Sensor)的测量系统是近年来得到国内外广泛研究和应用的一种技术。它是电学式过程层析测量技术的一种，利用双层电极阵列，构成栅格感知网络，测量感知点附近电导率、电容率等参数分布，根据多种介质间电学特性的差异性，计算截面介质分布图像。该技术在时间分辨率、测试成本以及测试结果方面均有较强的竞争力。

在丝网测量系统的实际应用中，传感器作为测量数据的来源，是保障测量结果精确、可靠的基础。但目前的技术大都着眼于测量原理和数据后处理方面，鲜有涉及具体传感器，相关学者在利用此技术测量时自行设计的传感器普遍存在如下不足之处：(1)与实验段一体或由较多零部件组成，无法拆装以测量实验段不同位置处的流场；(2)只有一对发射/接收阵列不支持测量轴向速度；(3)丝网间距和层间距控制不精确；(4)发射器和接收器通过信号远传连接至传感器，信号在传输途中可能会受到干扰；(5)金属丝松动或被流体冲断后维修困难；(6)发射阵列和接收阵列分开，装配繁琐且增加密封难度。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，实现方便组合使用的拆解简单和级联的结构，以及信号传输准确可靠、一体封装的发射器和接收器。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是实现方便组合使用的拆解简单和级联的结构，以及信号传输准确可靠、一体封装的发射器和接收器的适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，包括底板、置于所述底板之上的电路板和置于所述电路板之上的顶板；所述顶板与所述底板的形状和孔位相同；所述电路板包括基板、焊盘和用于感知多相流参数的丝网测量阵列，所述丝网测量阵列通过所述焊盘焊接于所述基板；所述电路板还包括通过所述基板，与所述丝网测量阵列相连的信号发射器接口和信号接收器接口；所述顶板和所述底板开有匹配所述信号发射器接口和所述信号接收器接口的镂空槽。

进一步地，所述底板和所述电路板之间设置有形状与孔位与所述底板相同的下密封垫，所述顶板与所述电路板之间依次设置有用于调整所述传感器模块厚度的定距板和上密封垫；所述上密封垫与所述定距板形状和孔位相同。

进一步地，所述基板包括上表面的顶层电路和下表面的底层电路，所述丝网测量阵列包括互相垂直的发射阵列和接收阵列；所述接收阵列通过所述顶层电路连接至所述信号接收器接口，所述发射阵列通过所述底层电路连接至所述信号发射器接口。

进一步地，所述顶层电路与所述底层电路只通过用于接地的沉铜孔进行共地连接。

进一步地，所述定距板还设置若干装配孔，所述装配孔用于与外界法兰连接以固定所述传感器模块或用于多个所述传感器模块级联；所述电路板设置有两个贯穿所述电路板的共地孔，所述共地孔用于所述级联时若干所述电路板共地连接。

进一步地，以所述下密封垫、所述电路板、所述上密封垫和所述定距板为组合单位，进行所述传感器模块级联。

进一步地，所述定距板表面开有密封槽用于放置密封圈，所述密封圈厚度为所述组合单位的厚度。

进一步地，所述发射阵列和所述接收阵列为直径0.1mm、间距2mm的不锈钢丝阵列；所述不锈钢丝阵列的数量为16*16的整数倍；所述发射阵列和所述接收阵列互相垂直。

进一步地，所述信号发射器接口和所述信号接收器接口为插口朝向所述顶板的直角DB25插头。

进一步地，所述底板与所述顶板为绝缘硬质材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)设置用于调节传感器模块厚度的定距板和级联的装配孔，方便拆装以组合使用，可以灵活选择电路板数量以实现不同测量需求；

2)发射阵列和接收阵列通过双面焊接方案焊接于同一电路板的两面，互不干扰，且直接与信号发射器接口和信号接收器接口相连，解决了信号远传导致的噪音和失真问题，且方便精准控制间距和故障时单独维修；

3)通过上密封垫、下密封垫和密封圈，一体化封装，密闭性好。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的传感器模块示意图；

图2是图1所示实施例的所述传感器拆解示意图；

图3是图1所示实施例的电路板示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的双板级联的传感器模块示意图；

图5是图4所示实施例的所述传感器模块拆解示意图。

其中，1-底板，101-镂空槽，2-下密封垫，3-电路板，301-焊盘，302-基板，303-丝网测量阵列，305-信号发射器接口，306-信号接收器接口，4-上密封垫，5-定距板，6-密封圈，7-顶板，8-塞打螺栓，9-装配孔，10-信号发射器，11-信号接收器，12-顶层密封圈。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

图1和图2所示是本发明一种适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块的较佳实施例的示意图和拆解示意图，图3所示是图1和图2所示实施例的电路板示意图。

所述传感器模块从下至上依次为底板1、下密封垫2、电路板3、上密封垫4、用于调整所述传感器模块厚度的定距板5、密封圈6、顶板7；电路板3包括焊盘301、基板302和用于感知多相流参数的丝网测量阵列303；所述丝网测量阵列303通过焊盘301焊接于基板302；电路板3还包括通过基板302、与丝网测量阵列303相连的信号发射器接口305和信号接收器接口306；顶板7与底板1的形状和孔位相同，且顶板7与底板1开有匹配与信号发射器接口305和信号接收器接口306的镂空槽101；底板1与下密封垫2的形状孔位相同，上密封垫4和定距板5形状孔位相同；顶板7上表面开有用于与实验段直接密封的密封槽；定距板5的表面开有密封槽用于放置密封圈6。本实施例中，丝网测量阵列303材质为金属丝。

为避免丝网测量阵列303获取的信号远传连接至信号收发装置在传输途中可能受到的干扰，以及发射阵列和接收阵列结构独立而导致装配较繁琐和密封难度增加的问题，优选地，基板302包括上表面的顶层电路和下表面的底层电路，丝网测量阵列303为互相垂直的发射阵列和接收阵列；所述接收阵列通过所述顶层电路连接至信号接收器接口306，所述发射阵列通过所述底层电路连接至信号发射器接口305；焊盘301在基板302与所述发射阵列和所述接收阵列对应地双面分布，以提供双面焊接。通过所述发射阵列和所述接收阵列垂直分布于双层电路板3和双面焊接的方案，解决了发射阵列和接收阵列互相干扰的问题，且阵列中个别金属丝松动或被流体冲断后还可单独熔化焊点后维修。进一步地，所述顶层电路与所述底层电路只通过用于接地的沉铜孔进行共地连接，其余部分互不相通，以实现共电位参考和抑制共模噪声。

为进一步避免丝网测量阵列303表面对多相流体产生影响，提高获取信号准确性，优选地，所述发射阵列和所述接收阵列为直径0.1mm、间距2mm的不锈钢丝阵列；所述不锈钢丝阵列的数量为16*16的整数倍，如32*32，64*64，128*128阵列；焊盘301为长6mm宽2mm的金属丝阵列。此外，丝网测量阵列303还可通过配套工装夹具和焊接工艺精确控制丝网间距。

为方便信号发射器10和信号接收器11的安装，优选地，信号发射器接口305和信号接收器接口306均采用插口朝向顶板7的直角DB25插头；相应地，底板1设置的镂空槽101避免了所述DB25插头的鱼叉与底板1碰撞。进一步地，所述直角DB25插头设置有横向定位孔，方便信号发射器10和信号接收器11的固定，避免接反。

为使所述传感器模块可以法兰连接的方式安装在流场的不同位置处(如测量轴向参数)、灵活选择所述传感模块数量，以测量不同位置的相关参数，满足不同的测量要求，优选地，定距板5还设置若干装配孔9，用于与外界法兰连接以固定所述传感器模块或用于多个所述传感器模块级联；电路板3设置有两个贯穿电路板3的共地孔，所述共地孔用于所述级联时若干电路板3共地连接；进行所述级联时，多个互联的电路板3可以通过六角铜柱进行共地连接。

以下密封垫2、电路板3、上密封垫4和定距板5为组合单位，进行所述传感器模块级联，可以充分利用底板1和顶板7，降低所述传感模块级联成本，同时不破坏电路板3和多相流测量空间的封闭性。基板302由于双面焊盘301导致表面凹凸不平，定距板5选择密封圈形式而非密封垫形式，能够保证更好的密封性。优选地，所述密封圈6厚度为所述组合单位的厚度。优选地，所述密封圈6为O型氟胶密封圈或丁晴密封圈，密封圈6根据丝网测量阵列303的大小确定。下密封垫2和上密封垫4为绝缘软质材料，优选地，下密封垫2和上密封垫4选择硅胶材料；优选地，优选地，下密封垫2和上密封垫4选择透明硅胶材料。

本实施例，还设置有不锈钢材质的塞打螺栓8，用来将所述传感器模块精密装配好，解决模块内部的密封和精度问题。此外，塞打螺栓8还可以配合垫圈与螺母，能够同时起到定位与固定作用。塞打螺栓8可用定位销加普通螺栓组合的形式代替，也能达到相同的效果。

此外，底板1和顶板7的材料可以为任意绝缘硬质材料。考虑到实验观察的可视性，优选地，底板1与顶板7为透明有机玻璃板；优选地，定距板5为透明有机玻璃板。

还应注意，所述传感器模块还可根据测量要求和测量空间形状(如圆形的管道中)，灵活选择配套的装配孔9匹配法兰的实际形状。

实际应用时，本实施例的所述传感器模块安装到测量段或实验段之前，将塞打螺栓8按对角方式拧紧，并测量确认所述传感器模块每条边处的总厚度相同。

不级联单板方案中，将所述传感器模块与通道的法兰连接好后，接好信号发射器10和信号接收器11，即可测量气泡概率密度分布等信息。执行时，可根据实验需要安装多个所述传感器模块在测量段的不同位置处，以研究流动过程中的迁移现象

级联方案中，以下密封垫2、电路板3、上密封垫4和定距板5各部件为组合单位，仅通过装配孔9即可实现方便拆装，根据需要在一个所述传感器模块内装多组所述组合单位，以研究轴向流场或流动方向的速度场。图4和图5所示为分别为双板级联方案的示意图和拆解示意图。如图5所示，双板级联方案中，底板1和顶板7为两个所述传感器模块公用，通过装配孔9将两个所述组合单位相连。图5所示，顶板7上还配置有顶层密封圈12，用于与外界法兰连接时保持密封；顶层密封圈12为O型氟胶密封圈或丁晴密封圈。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，其特征在于，包括底板、置于所述底板之上的电路板和置于所述电路板之上的顶板；所述顶板与所述底板的形状和孔位相同；所述电路板包括基板、焊盘和用于感知多相流参数的丝网测量阵列，所述丝网测量阵列通过所述焊盘焊接于所述基板；所述电路板还包括通过所述基板，与所述丝网测量阵列相连的信号发射器接口和信号接收器接口；所述顶板和所述底板开有匹配所述信号发射器接口和所述信号接收器接口的镂空槽。

2.如权利要求1所述的适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，其特征在于，所述底板和所述电路板之间设置有形状与孔位与所述底板相同的下密封垫，所述顶板与所述电路板之间依次设置有用于调整所述传感器模块厚度的定距板和上密封垫；所述上密封垫与所述定距板形状和孔位相同。

3.如权利要求2所述的适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，其特征在于，所述基板包括上表面的顶层电路和下表面的底层电路，所述丝网测量阵列包括互相垂直的发射阵列和接收阵列；所述接收阵列通过所述顶层电路连接至所述信号接收器接口，所述发射阵列通过所述底层电路连接至所述信号发射器接口。

4.如权利要求3所述的适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，其特征在于，所述顶层电路与所述底层电路只通过用于接地的沉铜孔进行共地连接。

5.如权利要求4所述的适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，其特征在于，所述定距板还设置若干装配孔，所述装配孔用于与外界法兰连接以固定所述传感器模块或用于多个所述传感器模块级联；所述电路板设置有两个贯穿所述电路板的共地孔，所述共地孔用于所述级联时若干所述电路板共地连接。

6.如权利要求5所述的适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，其特征在于，以所述下密封垫、所述电路板、所述上密封垫和所述定距板为组合单位，进行所述传感器模块级联。

7.如权利要求6所述的适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，其特征在于，所述定距板表面开有密封槽用于放置密封圈，所述密封圈厚度为所述组合单位的厚度。

8.如权利要求3所述的适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，其特征在于，所述发射阵列和所述接收阵列为直径0.1mm、间距2mm的不锈钢丝阵列；所述不锈钢丝阵列的数量为16*16的整数倍。

9.如权利要求1所述的适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，其特征在于，所述信号发射器接口和所述信号接收器接口为插口朝向所述顶板的直角DB25插头。

10.如权利要求1所述的适用于电导式多相流丝网测量系统的传感器模块，其特征在于，所述底板与所述顶板为绝缘硬质材料。