專利名稱：一種高溫高壓陣列電極傳感器裝置的制作方法
一種高溫高壓陣列電極傳感器裝置本發(fā)明涉及一種陣列傳感器裝置，主要作為電阻層析成像系統(tǒng)(ERT)系統(tǒng)數(shù) 據(jù)采集通道的前端傳感器，實(shí)現(xiàn)電阻層析成像系統(tǒng)與高溫高壓工況下科研裝置以 及工業(yè)設(shè)備的對(duì)接。層析成像技術(shù)是20世紀(jì)70年代初期首先在醫(yī)學(xué)工程上得以成功應(yīng)用并蓬勃 發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，在醫(yī)學(xué)上就是我們通常所熟知的CT技術(shù)。它的出現(xiàn)， 不僅使醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)生革命性飛躍，而且還對(duì)各學(xué)科領(lǐng)域理論的研究和發(fā)展也起到 了積極的推動(dòng)作用。目前，層析成像技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)診斷和病理研究方面取得很 大的成功，并且被逐漸運(yùn)用到石油、化工、航天、天文學(xué)、地質(zhì)勘探、地震學(xué)、 無損探傷檢測(cè)等領(lǐng)域。ERT技術(shù)屬于過程層析成像(Process Tomography,簡(jiǎn)稱PT)技術(shù)的一種，特點(diǎn)在于將傳統(tǒng)的對(duì)過程參數(shù)的單點(diǎn)、局部的測(cè)量，發(fā)展為多點(diǎn)、截面分布式的 測(cè)量；在不破壞、不干擾流體流動(dòng)的情況下，獲得管道或設(shè)備內(nèi)部?jī)上?多相流 體的二維/三維分布信息；為在工業(yè)條件下對(duì)基于熱動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和流體 動(dòng)力學(xué)原理建立的過程、設(shè)備模型的證實(shí)提供一種方便的手段；還可以為優(yōu)化過 程設(shè)備及裝置的設(shè)計(jì)，改進(jìn)過程工藝，實(shí)現(xiàn)兩相/多相流體輸送，調(diào)整與控制反 應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)過程，提供全面、準(zhǔn)確的信息和輔助的研究手段。根據(jù)ERT測(cè)試設(shè)備的結(jié)構(gòu)和成像原理，其數(shù)據(jù)采集通道前端傳感器結(jié)構(gòu)為 在筒壁同一截面均勻開16個(gè)孔，分別安裝16個(gè)金屬電極(如圖3)，保證16個(gè) 金屬電極與筒壁絕緣。在電極截面上下兩側(cè)圓柱筒內(nèi)全部絕緣的高度最好保證為 圓柱筒半徑的長(zhǎng)度。目前統(tǒng)一采用的工作方式為交流電流激勵(lì)、電壓測(cè)量，通常 采用相鄰激勵(lì)方式，即在一對(duì)相鄰電極上注入激勵(lì)電流，建立敏感場(chǎng)，依次選擇 其它的相鄰電極對(duì)測(cè)量電壓(如圖2)，然后切換到下一對(duì)相鄰電極上激勵(lì)，再在 其它的相鄰、非激勵(lì)電極對(duì)上測(cè)量電壓，重復(fù)上述過程直到所有的相鄰電極對(duì)都 激勵(lì)過。對(duì)于N電極ERT系統(tǒng)， 一共可以得到N(N-3)個(gè)測(cè)量電壓值。根據(jù)互易 原理，實(shí)際的獨(dú)立測(cè)量次數(shù)為M:N(N-3)X2個(gè)。對(duì)于16電極的ERT系統(tǒng)， 有104個(gè)獨(dú)立測(cè)量電壓值。當(dāng)場(chǎng)域內(nèi)介質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量電壓也會(huì)隨之變化。測(cè)量電壓值的變化反應(yīng)了場(chǎng)域內(nèi)電導(dǎo)率的變化，借助于適當(dāng)?shù)膱D像重建 算法，可以由測(cè)量電壓反算出被測(cè)對(duì)象內(nèi)電導(dǎo)率分布的灰度分布。因此，根據(jù)場(chǎng) 域內(nèi)不同介質(zhì)的電導(dǎo)率不同，可以得到被測(cè)對(duì)象在場(chǎng)域內(nèi)的分布圖像，從而實(shí)現(xiàn) 可視化研究。陣列電極傳感器作為ERT系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通道前端傳感器，其性能的好壞直 接影響采集到的信號(hào)質(zhì)量，如果電極陣列與激勵(lì)信號(hào)形式匹配良好，且抗干擾能 力較強(qiáng)，在電極采集端可以得到高頻小噪聲信號(hào)，就可以在后續(xù)數(shù)據(jù)采集中省去 一部分響應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)的信號(hào)調(diào)理電路，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集通道，在去除噪聲方面節(jié)省 等待時(shí)間。文獻(xiàn)(Fraser Dickin, Mi Wang. MeoswremeW scz'ewce在7fec/mo/ogy, 1996，Vol.7,No.3，P247 260)中報(bào)道了用于ERT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通道前端傳感 器，該傳感器設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是靈活性不好，不能任意調(diào)整傳感器在實(shí)驗(yàn)裝置和工業(yè) 設(shè)備中的位置；另外，滿足器壁絕緣的條件時(shí)，不能用于高溫高壓環(huán)境。而專利 (CN00250232)中，盡管改進(jìn)了陣列電極傳感器的靈活性，但其仍然局限于常 壓條件下使用，不能用于高溫高壓的工況。本發(fā)明的目的就是在于解決以上所提到的現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可以 在較寬范圍壓力和溫度下使用的具有高靈敏度，安裝靈活的陣列電極傳感器裝置 (如

圖1)。它主要包括傳感器腔、電極和密封結(jié)構(gòu)三部分。其主要的技術(shù)特點(diǎn) 是電極片連接在導(dǎo)線上，導(dǎo)線穿過具有屏蔽和保護(hù)作用的金屬套管，導(dǎo)線和套 管之間填充耐高溫的致密的絕緣材料，以保證導(dǎo)線相互之間無電信號(hào)干擾，然后 把保護(hù)導(dǎo)線套管穿過耐高溫高壓的金屬傳感器腔壁上的延長(zhǎng)孔，保證電極片均勻 平行地貼在內(nèi)壁涂有絕緣耐高溫材料的傳感器腔上后，利用卡套實(shí)現(xiàn)靜密封。附圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為陣列電極傳感器電極片的排列方式和工作原理圖；附圖3為陣列電極傳感器電極片的立體排列方式示意圖； 附圖4為陣列電極傳感器腔的俯視圖； 附圖5為陣列電極傳感器腔的剖面圖；附圖6為陣列電極傳感器腔的A-A截面結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖7為陣列電極傳感器腔的B-B截面結(jié)構(gòu)示意圖；附圖8為電極結(jié)構(gòu)示意圖；附圖9為陣列電極傳感器腔壁上的延長(zhǎng)孔和密封結(jié)構(gòu)示意圖。 為了更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的設(shè)計(jì)者把金屬護(hù)套和填充的高溫絕 緣材料的連接電極片的一端利用耐高溫和腐蝕性的絕緣膠進(jìn)行密封，以防止液體 介質(zhì)滲透腐蝕填料。另外，為了更好的保證電極和電極傳感器腔壁之間的絕緣， 設(shè)計(jì)者把電極外部進(jìn)行噴涂絕緣處理，并在電極片后面加裝了一個(gè)聚四氟墊片。 對(duì)于兩截面開孔的陣列電極傳感器裝置，垂直方向上的電極片投影可以重合，也 可以有一定的角度。如本發(fā)明根據(jù)安裝的需要確定角度為11.25'(圖6，圖7)。 附圖的圖面說明如下 'l一緊固螺栓孔2 —法蘭A 3 —內(nèi)壁絕緣涂層4_電極5 —腔壁6 —法蘭B7— 密封延長(zhǎng)管8 —密封卡套401—金屬護(hù)套402 —耐高溫絕緣填料403 —金屬導(dǎo) 線404—耐高溫絕緣密封膠405 —絕緣墊片406—電極片 下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的內(nèi)容。本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)如圖l所示，主要包括三個(gè)部分，即傳感器腔、電極和密 封結(jié)構(gòu)，下面分別進(jìn)行說明.傳感器腔主要包括頂部法蘭A (1)，腔壁(5)和底部法蘭B (6)。其中， 兩個(gè)法蘭均為凹凸法蘭，這樣設(shè)計(jì)的目的是因?yàn)楸景l(fā)明用于高溫高壓工況連接密 封的需要。腔壁一個(gè)截面(圖6)上均勻開16個(gè)圓孔，在另一截面(圖7)上也 均勻開16個(gè)圓孔。在圓孔外壁開口端，磨成平面。電極(4)的制作主要包括三個(gè)部分，首先利用線切割，把一塊金屬板切割 成大小相同的32塊電極片(406),并在電極片的中心位置利用激光打孔。其次 是制作導(dǎo)線，為了滿足ERT系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)線要求，必須保證導(dǎo)線導(dǎo)電性良好的同時(shí)， 還要保證導(dǎo)線和腔壁(5)絕緣。為此，我們采用了金屬護(hù)套(401)包裹導(dǎo)線(403)， 中間填充致密耐高溫絕緣材料(402)的結(jié)構(gòu)，如圖8所示。其中金屬護(hù)套(401) 有保護(hù)導(dǎo)線，屏蔽信號(hào)和密封三個(gè)作用。利用耐高溫絕緣膠(404)密封填料(402)， 目的是為了防止被測(cè)介質(zhì)浸泡填料。最后，把導(dǎo)線(403)和電極片(402)固定 到儀器，并在電極片(402)后面加裝絕緣墊片(405)。密封結(jié)構(gòu)(圖9)的密封方式為卡套式密封，主要包括卡套(8)和延長(zhǎng)管 (7)兩部分，卡套主要用來密封電極，延長(zhǎng)管的作用一個(gè)是增加導(dǎo)線長(zhǎng)度，增 加耐壓強(qiáng)度，另一方面增加電極密封端的距離，比較適合安裝。5完成上述工作后，把延長(zhǎng)管焊接到腔壁開孔外端，然后把傳感器腔內(nèi)壁進(jìn)行 絕緣噴涂處理，以保證絕緣良好，同時(shí)把電極金屬護(hù)套外側(cè)也噴涂絕緣材料，更 好的保證電極和腔壁絕緣。最后，按圖1所示，把電極從內(nèi)部孔道穿出，利用卡 套密封。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于，成功解決了金屬電極和筒壁及電極周圍的絕緣問題， 同時(shí)解決了導(dǎo)線在高溫高壓下的密封問題，以及同一截面上16股電信號(hào)之間的 相互干擾問題。通過利用本發(fā)明的電極陣列傳感器，實(shí)現(xiàn)了 ERT測(cè)試系統(tǒng)和高 溫高壓傳遞一轉(zhuǎn)化耦合裝置的對(duì)接，擴(kuò)大了 ERT測(cè)試系統(tǒng)的使用范圍
具體實(shí)施例方式本發(fā)明用以下實(shí)施例說明，但本發(fā)明并不限于下述實(shí)施例，在不脫離前后所 述宗旨的范圍下，變化實(shí)施都包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。 實(shí)施例l1. 制作電極電極片(406)尺寸為25X14X3mm，材質(zhì)為316L不銹鋼， 電極片(406)中心兩側(cè)打孔， 一側(cè)孔的直徑為2mm，孔深2mm，另一側(cè)孔徑 為4mm，孔深lmm;導(dǎo)線(403)直徑為2mm，長(zhǎng)度為200mm，材質(zhì)為紫銅； 護(hù)套(401)外徑為4mm，厚度為0.5mm，長(zhǎng)度為180mm，材質(zhì)為紫銅；導(dǎo)線 和銅護(hù)套之間填充致密的氧化鎂耐高溫絕緣材料(402)，利用耐高溫絕緣膠硫 化硅膠(404)灌封。然后把護(hù)套(401)表面和電極片(406)貼腔壁一側(cè)噴涂 特氟龍絕緣材料。加工聚四氟絕緣墊片(405)，直徑為15mm，厚度為lmm， 中心打孔，孔徑為2mm。最后，按圖8結(jié)構(gòu)連接各組件，并把導(dǎo)線和電極片進(jìn) 行焊接和機(jī)械密封處理。2. 按照?qǐng)D4和圖5的結(jié)構(gòu)，加工一對(duì)法蘭，然后和一個(gè)規(guī)格4)219X8的材 質(zhì)為316L不銹鋼管焊接在一起，按照?qǐng)D6的結(jié)構(gòu)在距法蘭A (2)面200mm的 壁上等間距開16個(gè)內(nèi)徑4,2mm的孔；按照?qǐng)D7結(jié)構(gòu)在距法蘭B (6)面200mm 的壁上等間距開16個(gè)內(nèi)徑4.2mm的孔，并保證開孔截面間的間距為70mm。把 孔的外端磨平，焊接上一端帶有密封結(jié)構(gòu)的延長(zhǎng)管(7)，然后把傳感器腔內(nèi)壁 噴涂特氟龍絕緣材料，同時(shí)把電極金屬護(hù)套外側(cè)也噴涂特氟龍絕緣材料。3. 把加工好的32根電極由傳感器腔內(nèi)部，通過壁上孔道把導(dǎo)線引出，利用 卡套(8)進(jìn)行密封。
權(quán)利要求
1.一種高溫高壓陣列電極傳感器裝置，該裝置包括傳感器腔、電極和密封結(jié)構(gòu)三部分，其特征是電極片焊接在導(dǎo)線上，導(dǎo)線穿過傳感器腔壁上的孔，把電極片均勻的貼在傳感器腔的內(nèi)壁，利用卡套密封。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征為傳感器腔結(jié)構(gòu)為圓筒狀結(jié)構(gòu)，兩端焊 接法蘭，傳感器腔內(nèi)部噴涂特氟龍，陶瓷或絕緣漆等絕緣耐高溫材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征為電極片材質(zhì)可以是鐵，鈦或者金屬合金，外形可以為矩形或者圓形。'
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征為電極片和導(dǎo)線連接可以為焊接或者機(jī) 械成型連接的方式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征為導(dǎo)線套在具有屏蔽和保護(hù)作用的金屬 管內(nèi)，金屬管材質(zhì)可以是鐵，銅，鈦或者合金材料；導(dǎo)線和金屬管之間填充 物為氧化鎂或氧化鋁等耐高溫絕緣材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求5所述裝置，其特征為具有屏蔽和保護(hù)作用的金 屬管和傳感器腔之間用卡套密封。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征為在兩截面開孔的電極，垂直方向上的 電極片投影可以重合，也可以有一定的角度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征為使用溫度一40 25(TC，使用壓力為 5x10—6Pa 6MPa。
全文摘要
本發(fā)明是一種高溫高壓陣列電極傳感器裝置，該裝置包括傳感器腔、電極和密封結(jié)構(gòu)三部分。其特征是電極片焊接在導(dǎo)線上，導(dǎo)線穿過傳感器腔壁上的孔，把電極片均勻的貼在傳感器腔的涂有絕緣耐高溫材料的內(nèi)壁，利用卡套密封。該裝置作為電阻層析成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通道的前端傳感器，實(shí)現(xiàn)高溫高壓反應(yīng)和流體輸送的原位流場(chǎng)測(cè)試。該裝置具有耐高溫、高壓，耐腐蝕，安裝靈活的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)A61B5/053GK101241095SQ200810101970
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者靜 呂, 張鎖江, 張香平, 成衛(wèi)國(guó), 董海峰, 閆瑞一 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所