CN113465489A

CN113465489A - 用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针及装置

Info

Publication number: CN113465489A
Application number: CN202110675773.XA
Authority: CN
Inventors: 刘莉; 刘帅; 顾汉洋; 应秉斌
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co Ltd
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2021-10-01

Abstract

本申请提供了一种用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针，多个所述电导探针装配设置在待测管路的内壁，每个所述电导探针包括：驱动电路和信号采集电路；所述信号采集电路包括感应驱动电极；多个所述电导探针在一个工作周期中，每个所述驱动电路中的驱动电极依次被激活，感应电极接收到通过所述驱动电极与所述感应电极之间的液膜传递的电流信号，所述电流信号经过所述信号采集电路依次输出，完成一个周期的信号采集。

Description

用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针及装置

技术领域

本发明属于多相流流动参数测量技术领域，具体涉及一种用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针及装置。

背景技术

气液环状流动具有流动阻力低、传热系数高、流动稳定性强等特点，因而在两相流学科和工程实践中占有重要地位。由于环状流中管壁液膜具有很强的热质交换能力，液膜厚度沿壁面空间分布的准确测量，对深入研究环状流的流动及传递特征具有重要作用。根据测量原理不同，液膜厚度的测量方法主要包括射线法、声学法、光学法和电导法等。其中，射线法能够快速地测量液膜的瞬态变化，但由于射线将穿过圆管径向方向两处液膜并受到管道中心处液滴的影响，因此无法得到某一管壁处的液膜厚度，同时该方法还涉及射线防护、放射源存储及设备维护等安全问题。声学法基于超声波在气液界面的衰减与反射传播的时间来确定液膜厚度，但超声波波长的不确定性限制了声学法在液膜极薄情况下的应用。光学法属于无接触测量，具有分辨率高、相应快、可实时捕捉气液相界面的优点，但光学测量设备普遍价格昂贵，且对被测介质和光清洁度有严格要求，所以主要应用于实验室研究中。电导法简单可靠、成本较低，是目前最常用的方法，但现有电导探针多为单点侵入式测量，会对流场产生扰动而导致测量偏差，并且无法在单次测量中获取测量区域内的液膜空间分布情况。

综上所述，目前亟待开发可以测量壁面空间多点液膜厚度的传感器，以实现对壁面液膜厚度的非侵入接触式高分辨率测量。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本申请提出了一种用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的同轴电导探针。

一方面，本申请提供了一种用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的同轴电导探针，多个所述同轴电导探针装配设置在待测管路的内壁，每个所述同轴电导探针包括：驱动电路和信号采集电路；

所述信号采集电路包括感应电极；

多个所述电导探针在一个工作周期中，每个所述驱动电路中的驱动电极依次被激活，感应电极接收到通过所述驱动电极与所述感应电极之间的液膜传递的电流信号，所述电流信号经过所述信号采集电路依次输出，完成一个周期的信号采集。

在一个可能的实现方式中，所述信号采集电路包括依次连接的感应电极、跨阻运算放大器、取样控制信号、取样保持电路、数模转换器和数据传输总线；

所述驱动电路包括依次连接的矩形脉冲电源、矩形脉冲触发开关、驱动电极触发开关、输出驱动运算放大器和驱动电极。

在一个可能的实现方式中，所述每个所述驱动电路中的驱动电极依次被激活，激活的电流信号依次输出，包括：

所述感应电极接收到通过驱动电极与感应电极之间的液膜传递的电流信号，所述电流信号通过跨阻运算放大器、取样控制信号、取样保持电路、数模转换器，并经所述数据传输总线输出。

在一个可能的实现方式中，所述同轴电导探针还包括矩形脉冲触发开关，所述矩形脉冲触发开关用于控制数据的采集频率。

在一个可能的实现方式中，所述驱动电极、绝缘夹套和感应电极由内到外依次同轴装配，且驱动电极、绝缘夹套和感应电极的测量面均与管道内壁面平齐。

另一方面，本申请提供了一种用于壁面空间多点液膜厚度实时测量装置，包括上述任意一项实施例所述的用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针。

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：本申请将多个电导探针分别设置在待测管路的内壁，实现接触式非侵入型测量，避免了对流场的扰动，实现对管道壁面液膜的实时精确测量，呈现液膜在壁面的时空分布；整个系统集成化程度高，无需繁琐操作。

本申请提供的用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的同轴电导探针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。

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：

附图说明

图1是本发明一示例性实施例提供的同轴电导探针的电路示意图；

图2是本发明一示例性实施例提供的同轴电导探针的接收电流信号与管道壁面液膜厚度之间的敏感曲线。

附图标记：

1-驱动电极；2-感应电极；3-管道；4-输出驱动运算放大器；5-驱动电极触发开关；6-矩形脉冲触发开关；7-矩形脉冲电源；8-跨阻运算放大器；9-取样控制信号；10-取样保持电路；11-数模转换器；12-数据传输总线；13-绝缘夹套。

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和图2对本发明做进一步详细阐述。

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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的同轴电导探针，包括驱动电极1、感应电极2、管道3、输出驱动运算放大器4、驱动电极触发开关5、矩形脉冲触发开关6、矩形脉冲电源7、跨阻运算放大器8、取样控制信号9、取样保持电路10、数模转换器11、数据传输总线12和绝缘夹套13。

所述驱动电极1、绝缘夹套13和感应电极2由内到外依次同轴装配，且驱动电极1、绝缘夹套13和感应电极2的测量面均与管道3内壁面平齐。

所述矩形脉冲电源7、矩形脉冲触发开关6、驱动电极触发开关5、输出驱动运算放大器4和驱动电极1依次连接，构成驱动电路。

所述感应电极2、跨阻运算放大器8、取样控制信号9、取样保持电路10、数模转换器11和数据传输总线12依次连接，构成信号采集电路。

优选地，为了获得最佳的测量数据，绝缘夹套13厚度为2mm。

优选地，驱动电极1的直径为1mm。

优选地，感应电极2的厚度为2mm。

以下结合同轴电导探针的运行原理对本申请做进一步详细阐述。

(1)电路工作原理：矩形脉冲电源7提供周期恒定的矩形脉冲电压，并由矩形脉冲触发开关6控制，矩形脉冲触发开关6精准的激活周期直接影响整个系统的采集数据频率。矩形脉冲触发开关6开启，驱动电极触发开关5开启，矩形脉冲电压通过输出驱动运算放大器4到达驱动电极1，驱动电路完成工作。然后感应电极2接收到通过驱动电极1与感应电极2之间的液膜传递的电流信号，信号通过跨阻运算放大器8、取样控制信号9、取样保持电路10、数模转换器11和数据传输总线12，最终存储在电脑中，完成一个驱动电极1和感应电极2的工作过程。在此过程中，其他驱动电极1一直处于未激活状态，保持零电位。本实例中有8个驱动电极1和8个感应电极2周向均匀布置在管道周围。因此，一个周期的工作过程为8个驱动电极1依次被激活，并且对应的8个感应电极2接收到信号。根据具体实例，工作频率设定为5000帧。

(2)标定基底值：测量壁面液膜厚度之前，将同轴电导探针置于已知液膜厚度的标定模型，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：I为采集的初始信号电流，A；I₀为初始信号电流平均值；i为驱动电极1与感应电极2的位置，本实例中i＝1、2、3、4、5、6、7、8；k为采集帧数，n。

(2)根据同轴式电导探针接收电流信号与管道壁面已知的液膜厚度之间的敏感曲线，进行高次多项式拟合，得到计算关系式：

I＝-8.42785×10^-4+0.08953·h-0.06102·h²+0.02375·h³-0.00584·h⁴+9.28875×10^-4·h⁵-9.48409×10^-5·h⁶+5.96759×10^-6·h⁷-2.09924×10^-7·h⁸+3.15108×10^-9·h⁹

式中：h为壁面液膜厚度，mm。

(3)在实际测量过程中，通过测量记录的电流信号，即可计算对应的壁面液膜厚度。按照时间序列展开即可得到i处液膜厚度随时间的变化趋势。

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

1.一种用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针，多个所述电导探针装配设置在待测管路的内壁，其特征在于，每个所述电导探针包括：驱动电路和信号采集电路；

所述信号采集电路包括感应电极；

2.根据权利要求1所述的用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针，其特征在于，

所述信号采集电路包括依次连接的感应电极、跨阻运算放大器、取样控制信号、取样保持电路、数模转换器和数据传输总线；

3.根据权利要求2所述的用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针，其特征在于，所述每个所述驱动电路中的驱动电极依次被激活，激活的电流信号依次输出，包括：

4.根据权利要求3所述的用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针，其特征在于，所述电导探针还包括矩形脉冲触发开关，所述矩形脉冲触发开关用于控制数据的采集频率。

5.根据权利要求3所述的用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针，其特征在于，所述驱动电极、绝缘夹套和感应电极由内到外依次装配，且驱动电极、绝缘夹套和感应电极的测量面均与管道内壁面平齐。

6.一种用于壁面空间多点液膜厚度实时测量装置，其特征在于，包括权利要求1至5任意一项所述的用于壁面空间多点液膜厚度实时测量的电导探针。