CN110470704A - 一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器。装置包括：真空绝缘管道、电极片、电容采集电路板、屏蔽罩、绝缘胶层、金属法兰。该装置采用真空夹套结构作为传感器测量区段，电极片置于真空夹套外侧，保持了低温流体流动管道良好的绝热性能同时使得电路板得以在安全温度下工作，避免了测量电路的低温失效。本低温流体电容层析成像装置具有以下特点：作为模块化结构可进行整体拆装并适配不同的测量管道；可用于从室温到深低温的较大温度区段，多次大幅度温度循环不影响测量精度；抗杂散电容能力好，电磁屏蔽效果好。

Description

一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传 感器

技术领域

本发明涉及低温制冷工程技术，流体流动过程监测及传感器科学技术领域，尤其涉及一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器。

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。

对于使用电容层析成像传感器对流体进行测量而言，不同于室温流体的测量环境，在进行低温流体测量时需要面临三大问题：其一是深低温环境下会超出测量电路的安全工作温区，从而使得测量失效，无法获得有效的数据；其二是电极片温度对于电容测值的影响，当电极片直接与低温流体管道接触时，由于低温流体流动情况的不同会有不同的换热效果，从而导致电极片温度变化较大，进而造成测量电容上的偏差；其三是低温流体管道的漏热问题，若电极贴附在低温流体管道内/外壁面，由于电信号传输通过导线需要接至室温端与仪器相连，热量将会通过传输线输入低温流体管道，从而造成漏热，同时若极片采用管道内壁贴附的内置式布置，还存在低温流体泄漏问题；其四是，不同于室温流体气液介电常数差别较大，低温流体如液氧、液氮液-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，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。

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。采用真空夹套绝缘管道作为测量区段的管体部分，内管为低温流体流经管道，外管外侧加装电极及相应屏蔽结构和电容测量电路，直接与常温环境接触，内管外管中间为真空夹层，由此保证了电路板工作在安全温区范围内，壁面了低温失效；真空夹套绝缘管道的真空层沿轴向方向分为三段，前后段与接入的低温管道系统的真空相通，中间段安置电容层析成像极片及测量电路，其真空独立封装，这样的设计保证了测量区段真空层的相对稳定且不受杂质污染；电极片采用外置于真空层之外布置，壁面了漏热及流体泄漏问题；屏蔽罩包笼电极片，且在运行时进行接地，保证了电极片所处电磁环境的相对稳定，极大削弱了噪声干扰的影响。

中国专利一种低温电容式空泡率测量装置(201610332690.X)公开了一种利用双极片电容传感器将电容测值与管内低温流体相关联的装置，该装置采用双极片结构，且在关联方法上是简单的电容值与空泡率的一一对应，对流型变化的敏感度较大，复杂流型下难以获得好的结果，且其不能对相分布进行测量，该专利在装置结构上和测量数据的关联机理上都与本发明有很大差别。

中国专利一种低温流体管内流动电容层析成像装置(201711264162.6)公开了一种应用于低温流体两相流的电容层析成像装置，其电极片直接与低温流体管道接触，在装置结构和处理算法上与本发明都有较大差别。

文献《Capacitance-based liquid holdup measurement of cryogenic two-phase flow in a nearly-horizontal tube》(Cryogenics 2017；84:69-75)、《基于电容法的管内低温流体液膜厚度测量方法》(浙江大学学报:工学版,2016,50(10):1855-1858)等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。文献中实验表明，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。文献《Preliminaryevaluation of cryogenic two-phase flow imaging using electricalcapacitance tomography》(Cryogenics,2017,86)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。文献《How to measure void fraction oftwo-phase cryogenic flows》(Cryogenics,2000,40(4):279-285)、《Metrologicalsystems for monitoring two-phase cryogenic flows》(Cryogenics,2000,40(4):279-285)、《New solutions to produce a cryogenic void fraction sensor of roundcross-section and its applications》(Cryogenics 2013；57:55-62)研究了使用射频传感器测量低温流体两相流空泡率，结果表明在小管径的情况下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。

综上所述，根据低温环境特点，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，可以对低温流体管内流动的相分布情况进行实时监控。

发明内容

本发明提供一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器，该装置采用真空夹套结构作为传感器测量区段，电极片置于真空夹套外侧，保持了低温流体流动管道良好的绝热性能同时使得电路板得以在安全温度下工作，避免了测量电路的低温失效。本低温流体电容层析成像装置具有以下特点：作为模块化结构可进行整体拆装并适配不同的测量管道；可用于从室温到深低温的较大温度区段，多次大幅度温度循环不影响测量精度；抗杂散电容能力好，电磁屏蔽效果好。本发明的技术方案如下：

本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器，该装置包括如下部件：真空夹套绝缘管道，电极片，电容采集电路板，屏蔽罩，绝缘垫，流体管道法兰，真空罩法兰。真空夹套绝缘管道为带真空夹层的两端打通圆管状管道，真空夹层内侧绝缘筒组成内管道，真空夹层外侧绝缘筒组成外管道；内管道两端与流体管道法兰接连，外管道两端与真空罩法兰连接；电极片贴合在真空夹套绝缘管道外管道外侧，环向均匀分布；屏蔽罩为圆筒状，由金属薄壁制成，筒身直径大于真空夹套绝缘管道，轴向两端开通孔，通孔直径与真空夹套绝缘管道外管道外径相等，与真空加套绝缘管道同轴配合，与真空夹套绝缘管道外管道外侧形成封闭空间将电极片笼罩在其中，屏蔽罩内壁上焊接有金属薄壁制环向屏蔽板将电极片极片与极片之间隔开，使得电极片每片极片位于单独分割空间，屏蔽罩中任何结构不与电极片接触；绝缘垫紧贴覆盖在屏蔽罩筒身外壁面上，电容采集电路板放置在绝缘垫上，其板底面与绝缘垫相切。

进一步的，真空夹套绝缘管道真空夹层延轴向分为三段，每一段之间相互隔绝。中间段为电极、屏蔽罩及其电容采集电路板所在区段，该段真空独立封装，前后两段真空与接入管道真空相通，通过接入管道系统的真空装置来维持真空条件。

进一步的，电极片是一组电极片，其数量大于等于8片，其形状为矩形内弯薄片，弯曲半径与真空夹套绝缘管道外管道外径相等，电容采集电路板数量与电极片数量相等，均匀分布在屏蔽罩外围，与绝缘垫相切。

进一步的，屏蔽罩一侧轴向端面开有焊接引线导孔，数量与电极片一致，用于引出电极片与电容检采集电路板相连的导线。进一步的，测量区管壳为导电金属材质，装置运行时测量区管壳需要接地。

进一步的，装置运行时屏蔽罩需要接地。

传统的基于电容式的低温流体管内两相流参数测量方式中，主要面临三大问题：其一是深低温环境下会超出测量电路的安全工作温区，从而使得测量失效，无法获得有效的数据，；其二是电极片温度对于电容测值的影响，当电极片直接与低温流体管道接触时，由于低温流体流动情况的不同会有不同的换热效果，从而导致电极片温度变化较大，进而造成测量电容上的偏差，由于低温流体两相流相分布发生改变时电容变化量很小，由电极片温度变化引起的电容变化将淹没由于相分布引起的电容变化；其三是低温流体管道的漏热问题，若电极贴附在低温流体管道内/外壁面，由于电信号传输通过导线需要接至室温端与仪器相连，热量将会通过传输线输入低温流体管道，从而造成漏热，同时若极片采用管道内壁贴附的内置式布置，还存在低温流体泄漏问题。现有技术并未有针对上述问题很好的解决方案，在针对于低温失效的影响当中，现有低温电容式传感器多采用加热补偿的方式，而这种方式将引起更大的漏热和电极片温度的漂移。另外，在目前已公开的应用于低温流体的电容层析成像传感器结构当中，并没有给出针对于电极片温度变化而引起测量电容漂移的解决方案。

本发明中，电极片布置在真空夹套绝缘管道外侧，采用真空夹套绝缘管道隔绝了热量的传输，这一结构避免了低温流体与电极片之间剧烈的热交换，最大限度减少了对管内低温流体的漏热，使得电容测量电路可以在常温下工作，不用进行电路的温度补偿，同时使得电极片也维持在常温，不会出现剧烈的温度波动，避免了由于电极片与低温流体之间剧烈换热而带来的剧烈温度波动从而造成电容漂移。另外，电极片的贴合方式一般有胶粘和镀膜两种，在采用胶粘的方式时，温度变化会改变电极片与壁面之间胶层的介电常数，引起误差，本发明采用的结构壁面了这一状况的发生。

在真空夹层结构的设计中，将真空夹套绝缘管道的真空层在轴向上分为了三段，其中电极片和屏蔽罩等装配的真空段是独立的，即真空与两端真空不共享，这一设计保证了测量区段真空夹层的环境稳定，在电容层析成像的反演过程中，靠近电极的部分拥有较高的灵敏度，因而会对测量结果产生较大影响，独立真空段避免了杂质的侵入和不同使用条件下真空段真空度的变化，产生了一个稳定的边缘环境。前后真空段与低温管道系统的真空相连，这样的设计使得本发明可作为一个模块化的测量传感器方便地完成布置和拆卸。

本发明与现有技术相比，很好的补充了低温流体管内两相流的非侵入式测量手段，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监测的方法。

附图说明

图1为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器的主视图。

图2为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器的A-A截面剖面图。

图3为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器的真空加套绝缘管道、电极片、电容采集电路板、屏蔽罩和绝缘垫的装配图主视图。

图4为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器的B-B截面剖面图。

图5为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器的C-C截面剖面图。

图6为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器的D-D截面剖面图。

图7为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器中真空夹套绝缘管道等轴测图。

图8为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器中屏蔽罩等轴测图。

图9为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器等轴测图。

图10为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器的实施实例中，预设相分布与反演相分布的对比图。

图11为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器的实施实例中，真空夹套绝缘管道的温度分布图。

图12为本发明一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器的实施实例中，真空夹套绝缘管道的热流密度分布图。

图中：1、真空夹套绝缘管道，2、电极片，3、电容采集电路板，4、屏蔽罩，5、绝缘垫，6、流体管道法兰，7、真空罩法兰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-9所示，在本发明的一个具体实施方案中，应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器包括真空夹套绝缘管道1、电极片2、电容采集电路板3、屏蔽罩4、绝缘垫5、流体管道法兰6和真空罩法兰7。真空夹套绝缘管道1为带真空夹层的两端打通圆管状管道，真空夹层内侧绝缘筒组成内管道，真空夹层外侧绝缘筒组成外管道；内管道两端与流体管道法兰接连，外管道两端与真空罩法兰连接；电极片2贴合在真空夹套绝缘管道1外管道外侧，环向均匀分布；屏蔽罩4为圆筒状，由金属薄壁制成，筒身直径大于真空夹套绝缘管道1，轴向两端开通孔，通孔直径与真空夹套绝缘管道1外管道外径相等，与真空加套绝缘管道同轴配合，与真空夹套绝缘管道1外管道外侧形成封闭空间将电极片2笼罩在其中，屏蔽罩4内壁上焊接有金属薄壁制环向屏蔽板将电极片2极片与极片之间隔开，使得电极片2每片极片位于单独分割空间，屏蔽罩4中任何结构不与电极片2接触；绝缘垫5紧贴覆盖在屏蔽罩4筒身外壁面上，电容采集电路板3放置在绝缘垫5上，其板底面与绝缘垫5相切。

如图1、图3所示，真空罩法兰及流体管道法兰为不锈钢材质，绝缘垫为聚四氟乙烯材质，电极片、屏蔽罩和电容采集电路板装配体位于装置轴对称中心；如图2、图4、图7所示，真空夹套绝缘管道材质为石英玻璃真空夹层间隙为2mm，真空夹套绝缘管道内管、外管壁厚均为2mm，内管内径50mm，总长300mm，真空段Ⅱ长度为250mm，电极片材质为铜，电极片长度为100mm；如图5、图6所示，采用八片电极极片布置的结构，每片电极的包覆角为35°；如图8所示，屏蔽罩为铝制薄壁，轴向长为150mm，内腔直径为73mm，壁厚1.5mm。如图9所示，真空夹套绝缘管道内管通过流体管道法兰与外部低温流体管道相连，真空夹套绝缘管道外管通过真空罩法兰与外部低温流体管道真空罩部分相连。利用数值实验的方式，对环状流、泡状流、分层流进行了反演，用于仿真实验的低温流体工质为1atm下饱和液氮-氮气(77K)。在反演实施的过程中，采用文献《An image reconstruction algorithm based on totalvariation with adaptive mesh refinement for ECT》(Flow Measurement andInstrumentation,2007,18(5-6):262-267)中的1范数全变分最小化反演算法，将位于真空夹套绝缘管道内管内壁至真空夹套玻璃管外管外壁之间的区域置零，可得所需反结果，反演结果与预设相分布的对比如图10所示，可以发现，根据本发明所设计的结构，电容传感器可对真空夹套绝缘管道内管低温流体相分布进行反演，且得到较好的准确度。

图11、图12是利用Ansys有限元分析软件，对本发明结构在内管通1atm下饱和液氮-氮气(77K)时进行的温度分布及热流密度计算，可以发现，通过采用真空夹层的设计，有效阻断了热量的传递，真空夹套绝缘管道外壁上电极片所处位置处于常温，且其热流密度极小(<2.4×10^-4W/m²)，这说明电极片及电容采集电路板将不会受到内管低温环境的影响，可以稳定工作于安全温区，且避免了外界热量对内管低温流体产生影响从而引起其沸腾。

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 (5)

1.一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器，其特征在于包括真空夹套绝缘管道(1)、电极片(2)、电容采集电路板(3)、屏蔽罩(4)、绝缘垫(5)、流体管道法兰(6)和真空罩法兰(7)；

真空夹套绝缘管道(1)为带真空夹层的两端打通圆管状管道，真空夹层内侧绝缘筒组成内管道，真空夹层外侧绝缘筒组成外管道；内管道两端与流体管道法兰(6)接连，外管道两端与真空罩法兰(7)连接；电极片(2)贴合在真空夹套绝缘管道(1)外管道外侧，环向均匀分布；屏蔽罩(4)为圆筒状，由金属薄壁制成，筒身直径大于真空夹套绝缘管道(1)，轴向两端开通孔，通孔直径与真空夹套绝缘管道(1)外管道外径相等，与真空加套绝缘管道(1)同轴配合，并与真空夹套绝缘管道(1)外管道外侧形成封闭空间将电极片(2)笼罩在其中，屏蔽罩(4)内壁上焊接有金属薄壁制环向屏蔽板将电极片(2)极片与极片之间隔开，使得电极片(2)每片极片位于单独分割空间，屏蔽罩(4)中任何结构不与电极片(2)接触；绝缘垫(5)紧贴覆盖在屏蔽罩(4)筒身外壁面上，电容采集电路板(3)放置在绝缘垫(5)上，其板底面与绝缘垫(5)相切。

2.如权利要求1所述的一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器，其特征在于，真空夹套绝缘管道(1)真空夹层沿轴向分为三段，每一段之间相互隔绝；中间段为电极(2)、屏蔽罩(4)所在区段，该段真空独立封装，前后两段真空与外部接入管道真空相通，通过接入管道系统的真空装置来维持真空条件。

3.如权利要求1所述的一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器，其特征在于，电极片(2)是一组电极片，其数量大于等于8片，其形状为矩形内弯薄片，弯曲半径与真空夹套绝缘管道(1)外管道外径相等，电容采集电路板(3)数量与电极片(2)数量相等，均匀分布在屏蔽罩(4)外围，与绝缘垫(5)相切。

4.如权利要求1所述的一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器，其特征在于，屏蔽罩(4)一侧轴向端面开有焊接引线导孔，数量与电极片(2)一致，用于引出电极片(2)与电容检采集电路板(3)相连的导线。

5.如权利要求1所述的一种应用于低温流体两相流相分布测量的电容层析成像传感器，其特征在于，装置运行时屏蔽罩(4)需要接地。