一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器的製作方法

2023-05-30 01:06:06 1

專利名稱：一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及兩相流相含率的檢測技術領域，具體涉及一種微小管道氣液兩相流空 隙率測量螺旋電容傳感器。
背景技術：
兩相流是指兩種物質混合流動的情況，與單相流相比，兩相流由於不同相之間存 在著界面效應和相對速度，且相界面在時間和空間上都是隨機變化的，因此其流動特性更 為複雜。目前，在能源、化工、製冷、國防以及航天航空等領域的許多裝置、設備中都涉及到 微小管道中的氣液兩相流，微小管道的內徑小於10mm，隨著這些行業的迅速發展，研究微小 管道中氣液兩相流的流動機理、準確檢測其各種參數是實現兩相流工業系統檢測、分析和 控制的基礎，也是現代工業設備研製和開發的基礎。國內外測量氣液兩相流的主要原理有 超聲波法、光學法、電容法、壓力法、射線法等。基於超聲波方法的優勢是傳感器採用非侵入 及非接觸方式，但其傳感器信號處理方法較為複雜，此外，超聲波信號穿透管道的能力與其 檢測氣泡的解析度存在矛盾，在實際應用中往往需要兼顧二者做折中處理；光學法通常需 要將傳感器侵入到內管壁，要做到非侵入測量則需要保證管壁是透明的，這在很大程度上 限制了光學法的應用；壓力法在測量氣液兩相流含率的過程中，傳感器信號處理方法複雜， 且在微小管道中測量的實用性還有待研究；射線法由於其輻射等因素需要慎用；電容法由 於其傳感器結構簡單、非接觸測量、實時性好以及適應範圍廣等特點已被用於常規的氣液 兩相流參數的檢測，同時，一些專家學者也將其成功的應用於微重力環境中，但是，如何利 用電容傳感器來準確、可靠的檢測以及監測微小管道中氣液兩相流的流動參數仍然是一個 需要深入研究的課題，目前，還沒有見到利用螺旋電容傳感器來準確的測量微小管道氣液 兩相流的空隙率的相關報導。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的是提供一種微小管道氣液兩相流空 隙率測量螺旋電容傳感器，能夠準確檢測微小管道氣液兩相流的空隙率，並且不受流型變 化的影響，也可以將其應用於微重力條件下的氣液兩相流測量。為了達到上述目的，本發明採取的技術方案為一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器，包括源電極1，源電極1和 檢測電極2按相同方向從絕緣管道7外部的一端旋向絕緣管道7外部的另一端，旋轉角度 為360°或720°，形成螺旋結構的測量電極對，在測量電極對之間設有螺旋結構的軸向保 護電極3，在測量電極對兩端設有邊緣保護電極4，在測量電極對和邊緣保護電極4的外部 安裝有屏蔽罩5，軸向保護電極3和邊緣保護電極4與屏蔽罩5電氣連接，同時接地。所述的測量電極對寬度為0. 200-0. 280倍螺距，螺距為1. 625-2. 85倍絕緣管道7 外徑。所述的軸向保護電極3與測量電極對具有 相同的螺距，其旋轉角度比測量電極對多360°，軸向保護電極3與測量電極對夾角為10° -20°。所述的邊緣保護電極4的結構為螺旋結構、螺旋_柱面結構或者柱面結構。所述的邊緣保護電極4長度為半個螺距，邊緣保護電極4與測量電極對的軸向間 距為0. 25倍絕緣管道7外徑，當邊緣保護電極4為螺旋結構或螺旋_柱面結構時，邊緣保 護電極4與測量電極對具有相同的螺距。所述的屏蔽罩5與測量電極對的徑向間距大於0. 5倍絕緣管道7外徑，屏蔽罩5 採用能夠防止電磁幹擾的材料。
本發明的工作原理為對於具有不同介電常數的兩相流體，當各相的空間分布或 濃度發生變化時，將引起兩相流體等效介電常數的改變，從而使測量電極對間的電容發生 變化，通過測量源電極1和檢測電極2之間電容的變化量，便可以得到介質濃度的變化情 況。由於本發明結構中的源電極1、檢測電極2、軸向保護電極3、邊緣保護電極4和屏 蔽罩5的特殊設計，使得傳感器具有均勻的敏感場，克服了邊緣效應的影響，測量結果能客 觀的反應介質濃度的變化情況，而不依賴於流型信息，故而能夠準確檢測微小管道氣液兩 相流空隙率，同時也可以應用於微重力條件下的氣液兩相流測量。


附圖為本發明的結構剖視圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作詳細描述。參照附圖，一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器，包括源電極1， 源電極1和檢測電極2按相同方向從絕緣管道7外部的一端旋向絕緣管道7外部的另一端， 旋轉角度為360°或720°，形成螺旋結構的測量電極對，在測量電極對之間設有螺旋結構 的軸向保護電極3，在測量電極對兩端設有邊緣保護電極4，在測量電極對和邊緣保護電極 4的外部安裝有屏蔽罩5，軸向保護電極3和邊緣保護電極4與屏蔽罩5電氣連接，同時接 地，絕緣管道7的兩端通過卡套6與被測管道密封連接，由於卡套6具有變徑連接的靈活 性，可以方便的將傳感器段安裝於不同管徑的被測管段上進行測量。所述的測量電極對寬度為0. 200-0. 280倍螺距，螺距為1. 625-2. 85倍絕緣管道7 外徑。所述的軸向保護電極3與測量電極對具有相同的螺距，其旋轉角度比測量電極對 多360°，軸向保護電極3與測量電極對夾角為10° -20°。所述的邊緣保護電極4的結構為螺旋結構、螺旋_柱面結構或者柱面結構。所述的邊緣保護電極4長度為半個螺距，邊緣保護電極4與測量電極對的軸向間 距為0. 25倍絕緣管道7外徑，當邊緣保護電極4為螺旋結構或螺旋_柱面結構時，邊緣保 護電極4與測量電極對具有相同的螺距。所述的屏蔽罩5與測量電極對的徑向間距大於0. 5倍絕緣管道7外徑，屏蔽罩5 需要能有效的抑制外界環境電磁幹擾的影響，採用能夠防止電磁幹擾的材料。本發明的工作原理為對於具有不同介電常數的兩相流體，當各相的空間分布或濃度發生變化時，將引起兩相流體等效介電常數的改變，從而使測量電極對間的電容發生變化，通過測量源電極1和檢測電極2之間電容的變化量，便可以得到介質濃度的變化情 況，測量過程中，軸向保護電極3、邊緣保護電極4以及屏蔽罩5接地，軸向保護電極3以及 邊緣保護電極4的接地可以引流邊緣電場線，降低邊緣效應對測量結果產生的影響，提高 測量精度，屏蔽罩5可以避免外界的電磁幹擾，進一步提高測量精度。經標定試驗，在0-100%空隙率範圍內，本發明的測量準確度為士5%，重複性誤 差優於1.0%，能夠高精度測量微小管道中氣液兩相流的空隙率。附圖中1為源電極；2為檢測電極；3為軸向保護電極；4為邊緣保護電極；5為屏 蔽罩；6為連接卡套，絕緣管道7。
權利要求
一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器，包括源電極(1)，其特徵在於源電極(1)和檢測電極(2)按相同方向從絕緣管道(7)外部的一端旋向絕緣管道(7)外部的另一端，旋轉角度為360°或720°，形成螺旋結構的測量電極對，在測量電極對之間設有螺旋結構的軸向保護電極(3)，在測量電極對兩端設有邊緣保護電極(4)，在測量電極對和邊緣保護電極(4)的外部安裝有屏蔽罩(5)，軸向保護電極(3)和邊緣保護電極(4)與屏蔽罩(5)電氣連接，同時接地。
2.根據權利要求1所述的一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器，其 特徵在於所述的測量電極對寬度為0. 200-0. 280倍螺距，螺距為1. 625-2. 85倍絕緣管道 (7)外徑。
3.根據權利要求1所述的一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器，其特 徵在於所述的軸向保護電極(3)與測量電極對具有相同的螺距，其旋轉角度比測量電極 對多360°，軸向保護電極(3)與測量電極對夾角為10° -20°。
4.根據權利要求1所述的一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器，其特 徵在於所述的邊緣保護電極(4)的結構為螺旋結構、螺旋-柱面結構或者柱面結構。
5.根據權利要求1所述的一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器，其特 徵在於所述的邊緣保護電極(4)長度為半個螺距，邊緣保護電極(4)與測量電極對的軸向 間距為0. 25倍絕緣管道(7)外徑，當邊緣保護電極(4)為螺旋結構或螺旋_柱面結構時， 邊緣保護電極(4)與測量電極對具有相同的螺距。
6.根據權利要求1所述的一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器，其特 徵在於所述的屏蔽罩(5)與測量電極對的徑向間距大於0. 5倍絕緣管道(7)外徑，屏蔽罩 (5)採用能夠防止電磁幹擾的材料。
全文摘要
一種微小管道氣液兩相流空隙率測量螺旋電容傳感器，包括源電極，源電極和檢測電極按相同方向從絕緣管道外部的一端旋向絕緣管道外部的另一端，形成螺旋結構的測量電極對，在測量電極對之間設有螺旋結構的軸向保護電極，在測量電極對兩端設有邊緣保護電極，在測量電極對和邊緣保護電極的外部安裝有屏蔽罩，軸向保護電極和邊緣保護電極與屏蔽罩電氣連接，同時接地，絕緣管道的兩端通過卡套與被測管道密封連接，通過測量源電極和檢測電極之間電容的變化量，便可以得到介質濃度的變化情況，本發明能夠準確檢測微小管道氣液兩相流空隙率，同時也可以應用於微重力條件下的氣液兩相流測量。
文檔編號G01N27/22GK101865872SQ201010157730
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月27日 優先權日2010年4月27日
發明者葉佳敏, 彭黎輝 申請人:清華大學