CN113465488A - 一种用于测量壁面液膜厚度的叉指阵列装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种用于测量壁面液膜厚度的叉指阵列检测装置，所述装置包括：薄膜式电路基板；所述薄膜式电路基板的前表面设置有N行感应叉指电极，N为不小于2的整数；所述薄膜式电路基板的前表面设置有M列激励叉指电极，所述M列激励叉指电极与所述N行感应叉指电极交叉设置，M为不小于2的整数；每两行相邻所述感应叉指电极设置有屏蔽叉指电极；其中，每两列所述激励叉指电极，以及每两行所述感应叉指电极之间并联设置。
Description
技术领域
本发明属于多相流流动参数测量技术领域，具体涉及一种实现平面和曲面管壁薄液膜厚度空间测量的叉指阵列膜状传感器。
背景技术
薄液膜测量技术在核能、石化、动力以及制冷等领域存在广泛的技术应用需求。然而，对于薄液膜在管道或容器壁面空间分布的精确测量一直存在一定缺陷。现有液膜厚度传感器侵入效应严重，且大多仅能用于较厚液膜的单点测量。对于壁面薄液膜，尤其当液膜厚度低于0.5mm 以下时，传感器测量信号通常变得极不敏感。此外，现有液膜厚度传感器无法同时满足平面管壁和曲面管壁薄液膜空间分布的实时测量需求，存在操作复杂、适用性差等缺点。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本申请提出了一种叉指阵列检测装置及检测方法。
一方面，本申请提供了一种用于测量壁面液膜厚度的叉指阵列检测装置，所述装置包括：
薄膜式电路基板；
所述薄膜式电路基板的前表面设置有N行感应叉指电极，N为不小于 2的整数；
所述薄膜式电路基板的前表面设置有M列激励叉指电极，所述M列激励叉指电极与所述N行感应叉指电极交叉设置，M为不小于2的整数；
每两行相邻所述感应叉指电极之间设置有屏蔽叉指电极；
其中，每两列所述激励叉指电极，以及每两行所述感应叉指电极之间并联设置。
在一个可能的实现方式中，每行所述感应叉指电极包括若干感应叉指电极单元，每个所述感应叉指电极单元通过感应叉指电极数据线串联设置。
在一个可能的实现方式中，每列所述激励叉指电极包括若干激励叉指电极单元，每个所述激励叉指电极单元通过激励叉指电极数据线串联设置。
在一个可能的实现方式中，每行所述屏蔽叉指电极包括若干屏蔽叉指电极单元，每个所述屏蔽叉指电极单元通过屏蔽叉指电极数据线串联设置。
在一个可能的实现方式中，每列所述激励叉指电极、每行感应叉指电极以及每行屏蔽叉指电极分别与一叉指电极数据接头连接，实现数据信号的传输。
在一个可能的实现方式中，所述薄膜式电路基板上设置有通孔；
所述激励叉指电极数据线设置在所述薄膜式电路基板的后表面，透过所述通孔与所述激励叉指电极单元连接。
在一个可能的实现方式中，所述感应叉指电极数据线与屏蔽叉指电极数据线于薄膜式电路基板前表面平行布置，与布置在薄膜式电路基板后表面的激励叉指电极数据线交叉90°布置。
另一方面，本申请还提供了一种用于测量壁面液膜厚度的叉指阵列检测装置的检测方法，所述方法至少包括以下步骤：
将叉指阵列检测装置贴合于待测壁面；
获取所述装置的标定基底值；
依次对每列激励叉指电极进行信号激励；
接收每行感应叉指电极中检测到的感应信号；
基于测量值和标定基底值得到不同厚度液膜相对于标定基底值的权重；
基于所述权重得到该权重下的厚度。
在一个可能的实现方式中，所述获取所述装置的标定基底值，包括：
测量所述检测装置在不同厚度液膜状态下的权重数值。
在一个可能的实现方式中，所述方法还包括：
通过调整不同的激励叉指电极列数与感应叉指电极行数组合关系，分析壁面二维空间内不同位置的液膜厚度分布。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列有益效果：本申请提供的检测装置包括多列彼此交叉设置的激励叉指电极和感应叉指电极，激励叉指电极和感应叉指电极交叉分布形成二维坐标分布形式，通过逐一对每列激励叉指电极进行激励，并分别记录每行感应叉指电极中的信号，将得到的信号与标定基底值进行比较得到相应的权重值，将该权重值与预先测定的“权重-厚度”曲线比较，得到对应厚度。
本发明结构简单，能够同时满足平面管壁和曲面管壁薄液膜空间分布的实时测量需求，操作简单、适用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1是本发明一示例性实施例提供的叉指阵列检测装置前表面结构示意图；
图2是本发明一示例性实施例提供的叉指阵列检测装置后表面结构示意图；
图3是图1中I处局部放大图；
图4是本发明一示例性实施例提供的叉指传感器对薄液膜的测试信号敏感性曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下结合附图1至图4对本发明做进一步详细阐述。
如图1所示，一种实现平面和曲面管壁薄液膜厚度空间测量的叉指阵列膜状传感器，包括感应叉指电极1、激励叉指电极2、屏蔽叉指电极3、薄膜式电路基板4、感应叉指电极数据线5、感应叉指电极数据线接头6、激励叉指电极数据线7、激励叉指电极数据线接头8、屏蔽叉指电极数据接头9、屏蔽叉指电极数据线10、激励叉指电极传导孔11。
所述感应叉指电极1、激励叉指电极2、屏蔽叉指电极3按照叉指形几何结构依次阵列于薄膜式电路基板4前表面。
所述感应叉指电极1通过感应叉指电极数据线5串联起来，并通过感应叉指电极数据线5与感应叉指电极数据线接头6连接，实现数据信号的传输，其中感应叉指电极数据线5包括感应叉指电极数据线5-1、感应叉指电极数据线5-2、感应叉指电极数据线5-3、感应叉指电极数据线5-4、感应叉指电极数据线5-5和感应叉指电极数据线5-6。
所述激励叉指电极2通过激励叉指电极数据线7串联起来，并通过激励叉指电极数据线7与激励叉指电极数据线接头8连接，实现数据信号的传输，激励叉指电极数据线7阵列于薄膜式电路基板4后表面，通过激励叉指电极传导孔11与阵列于薄膜式电路基板4前表面的激励叉指电极2实现联通，其中激励叉指电极数据线7包括激励叉指电极数据线7-1、激励叉指电极数据线7-2、激励叉指电极数据线7-3、激励叉指电极数据线7-4、激励叉指电极数据线7-5、激励叉指电极数据线7-6、激励叉指电极数据线7-7 和激励叉指电极数据线7-8。
所述屏蔽叉指电极3通过屏蔽叉指电极数据线10串联起来，并通过屏蔽叉指电极数据线10与屏蔽叉指电极数据接头9连接，实现数据信号的传输。
所述感应叉指电极数据线5与屏蔽叉指电极数据线10于薄膜式电路基板4前表面平行布置，与布置在薄膜式电路基板4后表面的激励叉指电极数据线7交叉90°布置。
优选地，为了获得最佳的测量数据，传感器的厚度应控制在0.1～0.2mm。
优选地，感应叉指电极1、激励叉指电极2和屏蔽叉指电极3的叉指结构数量可以根据壁面几何尺寸进行优化调整，本实施例中，包含6行感应叉指电极1，8列激励叉指电极2，6行屏蔽叉指电极3。
优选地，当壁面为平面时，薄膜式电路基板4以平铺的方式附着于平面壁面，进行薄液膜的测量；当壁面为曲面时，薄膜式电路基板4可以卷曲成曲面状附着于曲面壁面，进行薄液膜的测量。
本发明运行原理如下：
(1)电路工作原理。将叉指阵列膜状传感器紧紧地附着于需要进行薄液膜测量的壁面。其中，屏蔽叉指电极数据接头9连接到接地电路端口，使屏蔽叉指电极3始终处于接地状态，用于屏蔽激励叉指电极2对非配对感应叉指电极1的影响，避免信号串扰。激励叉指电极数据线接头8连接到信号激励电路端口，通过矩形电压依次通过激励叉指电极数据线7-1、激励叉指电极数据线7-2、激励叉指电极数据线7-3、激励叉指电极数据线7-4、激励叉指电极数据线7-5、激励叉指电极数据线7-6、激励叉指电极数据线7-7和激励叉指电极数据线7-8对每一列激励叉指电极2进行信号激励。然后每一行感应叉指电极1按照激励顺序，同时通过感应叉指电极数据线5-1、感应叉指电极数据线5-2、感应叉指电极数据线5-3、感应叉指电极数据线 5-4、感应叉指电极数据线5-5和感应叉指电极数据线5-6将感应信号通过感应叉指电极数据线接头6传输至信号采集电路，至此完成一帧的信号激励与感应采集过程。根据需要，可以规定采集数据的帧数。
(2)标定基底值。测量壁面液膜厚度之前，将叉指阵列传感器表面覆盖厚度大于等于5mm的通物理特性的液体，然后使采集过程保持规定的帧数。对采集的信号取平均值，计算式如下：
式中：T为采集的初始信号电流，A；T0为初始信号电流平均值；i为激励叉指电极2的列数，即对应于激励叉指电极数据线7-1、激励叉指电极数据线7-2、激励叉指电极数据线7-3、激励叉指电极数据线7-4、激励叉指电极数据线7-5、激励叉指电极数据线7-6、激励叉指电极数据线7-7和激励叉指电极数据线7-8；j为感应叉指电极1的行数，即对应于感应叉指电极数据线5-1、感应叉指电极数据线5-2、感应叉指电极数据线5-3、感应叉指电极数据线5-4、感应叉指电极数据线5-5和感应叉指电极数据线5-6；k 为采集帧数，n。
(3)计算液膜厚度。在实际测量过程中，厚度不同的液膜会对应不同的信号，根据此时采集的信号除以标定基底值，即可得到不同厚度液膜相对于标定基底值的权重，计算式如下
式中：t为不同厚度液膜的信号权重。
然后根据图4中信号权重t随液膜厚度x的变化规律，得到信号权重t 的计算关系式：
t＝-7.71505+318.0567x-405.13282x2+275.73751x3-
106.93693x4+23.62729x5-2.765x6+0.13289x7
式中：x为壁面液膜厚，mm。
即可求出此信号权重下对应的壁面液膜厚度。
(4)壁面空间的液膜厚度分布。通过调整不同的(i，j)组合，即可分析壁面二维空间内不同位置的液膜厚度分布。除以采集帧数，即为(i，j) 处的液膜厚度平均值。
本发明能够实现对平面管壁和曲面管壁薄液膜厚度的实时精确测量；实现对壁面薄液膜厚度的二维空间测量，以及时间维度的测量；实现直接接触式非侵入型测量，避免了对流场的扰动；无需繁琐操作，仅需连接电路即可实现对薄液膜厚度的信号采集。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性地，本申请的真正范围和精神由上述的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
应当理解的是，在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/ 或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/ 或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于测量壁面液膜厚度的叉指阵列装置，其特征在于，所述装置包括：
薄膜式电路基板；
所述薄膜式电路基板的前表面设置有N行感应叉指电极，N为不小于2的整数；
所述薄膜式电路基板的前表面设置有M列激励叉指电极，所述M列激励叉指电极与所述N行感应叉指电极交叉设置，M为不小于2的整数；
每两行相邻所述感应叉指电极之间设置有屏蔽叉指电极；
其中，每两列所述激励叉指电极，以及每两行所述感应叉指电极之间并联设置。
2.根据权利要求1所述的叉指阵列装置，其特征在于，每行所述感应叉指电极包括若干感应叉指电极单元，每个所述感应叉指电极单元通过感应叉指电极数据线串联设置。
3.根据权利要求1所述的叉指阵列装置，其特征在于，每列所述激励叉指电极包括若干激励叉指电极单元，每个所述激励叉指电极单元通过激励叉指电极数据线串联设置。
4.根据权利要求1所述的叉指阵列装置，其特征在于，每行所述屏蔽叉指电极包括若干屏蔽叉指电极单元，每个所述屏蔽叉指电极单元通过屏蔽叉指电极数据线串联设置。
5.根据权利要求1所述的叉指阵列装置，其特征在于，每列所述激励叉指电极、每行感应叉指电极以及每行屏蔽叉指电极分别与一叉指电极数据接头连接，实现数据信号的传输。
6.根据权利要求3所述的叉指阵列装置，其特征在于，所述薄膜式电路基板上设置有通孔；
所述激励叉指电极数据线设置在所述薄膜式电路基板的后表面，透过所述通孔与所述激励叉指电极单元连接。
7.根据权利要求1所述的叉指阵列装置，其特征在于，所述感应叉指电极数据线与屏蔽叉指电极数据线于薄膜式电路基板前表面平行布置，与布置在薄膜式电路基板后表面的激励叉指电极数据线交叉90°布置。
8.一种用于测量壁面液膜厚度的叉指阵列装置的检测方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
将叉指阵列检测装置贴合于待测壁面；
获取所述装置的标定基底值；
依次对每列激励叉指电极进行信号激励；
接收每行感应叉指电极中检测到的感应信号；
基于测量值和标定基底值得到不同厚度液膜相对于标定基底值的权重；
基于所述权重得到该权重下的液膜厚度。
9.根据权利要求8所述的叉指阵列检测装置的方法，其特征在于，所述获取所述装置的标定基底值，包括：
测量所述检测装置在不同厚度液膜状态下的权重数值。
10.根据权利要求8所述的叉指阵列装置的检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过调整不同的激励叉指电极列数与感应叉指电极行数组合关系，分析壁面二维空间内不同位置的液膜厚度分布。
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