專利名稱：一種多環(huán)電極陣列成像傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測器件，具體是一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，用于對電導(dǎo)率
相差較大的多相流體流道截面進(jìn)行電學(xué)成像，并測量各相的組分含量。
背景技術(shù)：
多相流測量是工程技術(shù)發(fā)展中存在的共性問題，具有明顯的工業(yè)應(yīng)用背景。與單 相流動相比，多相流動相間存在著界面效應(yīng)和滑差速度，其流動特性更加復(fù)雜。因此，要建 立可靠的多相流動力學(xué)模型并對多相流動過程進(jìn)行設(shè)計、控制及預(yù)測，須解決多相流動過 程中的參數(shù)檢測問題。常規(guī)的參數(shù)檢測技術(shù)大多為離散點測量，無法反映被測區(qū)域的二維 或三維場分布信息。隨著高速數(shù)據(jù)采集與信息處理技術(shù)的發(fā)展，層析成像技術(shù)進(jìn)入多相流 檢測領(lǐng)域并得到迅速發(fā)展，其對于深入揭示多相流動的基本規(guī)律，推動多相流理論的發(fā)展 和工程應(yīng)用具有重要的意義。 電學(xué)層析成像是層析成像技術(shù)的一種，其通過對被測物體施加電激勵，并檢測其 邊界值的變化，再利用特定數(shù)學(xué)手段反演被測物體內(nèi)部的電學(xué)參數(shù)分布，從而得到物體內(nèi) 部的分布情況。與其它層析成像技術(shù)相比，電學(xué)層析成像具有無輻射、響應(yīng)速度快、價格低 廉等優(yōu)勢。 目前，電學(xué)層析成像傳感器大多采用"非侵入"的測量結(jié)構(gòu)，如專利雙模電成像系 統(tǒng)傳感器及基于該傳感器的圖像重建方法，申請?zhí)?00610013339. O，及2003年H. S. T即p 發(fā)表在《Sensors and Actuators B》(《傳感器與執(zhí)行機構(gòu)，B輯》)，第92巻，第17-24頁， 題為"Chemical engineering即plications of electrical process tomography，，(電學(xué) 過程成像在化學(xué)工程中的應(yīng)用)的文章。該結(jié)構(gòu)具有安全可靠、不阻礙流體流動、安裝方便 等特點，但受電極數(shù)量和分布位置的限制，該類結(jié)構(gòu)的傳感器可獲取的信息量較少，造成管 道中心部位的分辨率較低，影響了成像質(zhì)量。此外，在某些領(lǐng)域(例如油田生產(chǎn)測井)，傳感 器的電極陣列難以在流動通道管壁上安裝，限制了電學(xué)成像"非侵入"結(jié)構(gòu)傳感器的使用。
本發(fā)明提出了一種"侵入"式的電學(xué)成像傳感器結(jié)構(gòu)，具體是一種多環(huán)電極陣列成 像傳感器，主要功能是對電導(dǎo)率相差較大的多相流體流道截面進(jìn)行電學(xué)成像，并測量分相 含量?？蓮V泛用于動力、石油、化工、核能、食品和醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，對滿足要求的氣/液、液 /液和多相流體進(jìn)行測量。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述技術(shù)問題和彌補"非浸入"成像模式在某些領(lǐng)域的不足，本發(fā)明提出了 一種多環(huán)電極陣列成像傳感器。該結(jié)構(gòu)打破了層析成像"非侵入"的傳統(tǒng)模式，擴展了電極 陣列的空間配置方式并降低了電場"軟場"效應(yīng)的影響，有利于提高成像質(zhì)量和測量精度。
1、一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，其特征在于該傳感器介入兩相流體內(nèi)部，與測 量管道內(nèi)壁無接觸，其結(jié)構(gòu)包括測量電極(D、支撐臂(2)和支撐軸(3);支撐軸(3)為傳 感器的中心軸，支撐臂(2)連接到(或固定于)支撐軸(3)上，所有支撐臂(2)在支撐軸上(3)等角度分布，支撐臂(2)關(guān)于支撐軸(3)中心對稱；測量電極(1)排布于支撐臂(2)和 支撐軸(3)上，并且分布在不同圓周上，這些圓周的圓心均位于支撐軸的軸線上，同心圓周 的數(shù)量即為傳感器電極陣列的環(huán)數(shù)，支撐臂(2)和支撐軸(3)均與測量電極(1)電絕緣。
2、所述的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，支撐臂(2)的安裝方式為單端固定于支 撐軸(3)上，另一端懸空。支撐臂(2)與支撐軸(3)之間夾角范圍為0到180° ，支撐臂 (2)上分布的電極可分布于相同截面或不同截面上。 3、所述的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，支撐臂(2)的數(shù)量不少于兩個。 4、所述的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，每個支撐臂(2)上測量電極(1)的數(shù)目
可相同或不相同，每環(huán)電極的數(shù)目可相同或不相同。 5、所述的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，支撐軸(3)上可分布測量電極(1)的環(huán) 數(shù)為0或l，支撐臂(2)上可分布測量電極(1)的環(huán)數(shù)不小于l，傳感器總電極環(huán)數(shù)不小于 2。 6、所述的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，支撐軸(3)和支撐臂(2)可設(shè)計成空心 結(jié)構(gòu)，用于測量電極(1)走線，也可設(shè)計成實心結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明的有益效果是打破了傳統(tǒng)過程層析成像技術(shù)"非侵入"的測量模式，一方面 可避免傳統(tǒng)模式在裝配方面的局限性，另一方面有效降低了制約層析成像的"軟場"效應(yīng)的 影響，有利于提高測量精度。本發(fā)明具有如下優(yōu)點 1、本發(fā)明的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器采用"侵入"的測量模式，提高了信息獲 取能力，有效降低了制約層析成像的"軟場"效應(yīng)的影響，測量精度高。 2、本發(fā)明的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器可實施多模態(tài)的測量電導(dǎo)探針、電阻 (或電導(dǎo))成像(需要圖像重建的過程層析成像技術(shù))和電容成像，通過多種測量模式的信 息融合，提高成像質(zhì)量。 3、本發(fā)明的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，測量電極遍布于整個測量截面，提高 了傳感器對整個截面區(qū)域的敏感度。 4、本發(fā)明的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器便于擴展驅(qū)動裝置和其它功能，滿足復(fù) 雜的測量要求。


圖1為本發(fā)明的多環(huán)電極陣列成像傳感器的斜視圖。
圖2為本發(fā)明的多環(huán)電極陣列成像傳感器的仰視圖。
圖中 1、測量電極2、支撐臂3、支撐軸
具體實施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器具體實施方式
做進(jìn)一步說 明 —種多環(huán)電極陣列成像傳感器，其特征在于該傳感器介入兩相流體內(nèi)部，與測量 管道內(nèi)壁無接觸，其結(jié)構(gòu)包括有測量電極(D、支撐臂(2)和支撐軸(3);支撐軸(3)位于傳 感器中心，支撐臂(2)固定于支撐軸(3)上，并沿其徑向向外延伸，依其數(shù)量M在支撐軸上(3)等角度輻射狀分布，支撐臂(2)與支撐軸(3)之間的夾角為伊;測量電極(1)排布于支 撐臂(2)和支撐軸(3)上，并且分布在與圓形截面管道同心的不同圓周上，同心圓周的數(shù)量 N即為傳感器電極陣列的環(huán)數(shù)；測量電極(1)之間相互獨立，與支撐臂(2)和支撐軸(3)絕 緣，測量電極(1)分別引線。 本發(fā)明可針對不同流型采用電導(dǎo)探針和電阻或電導(dǎo)成像相結(jié)合的測量方式?，F(xiàn)以 金屬管壁，氣/水兩相水平分層流為例說明多環(huán)電極陣列成像傳感器具體的實施方法，其 中多環(huán)電極陣列成像傳感器具有12個支撐臂，每個支撐臂與支撐軸的夾角為30° ，在支撐 軸上等角度輻射狀分布，關(guān)于支撐軸(3)中心對稱，每個支撐臂上分布有內(nèi)外兩個測量電 極，支撐臂上分布的測量電極處于兩個同心圓周上，兩個同心圓的圓心在支撐軸的軸線上， 支撐軸上排布有4個測量電極，處于一個圓周上，該圓周的圓心在支撐軸的軸線上。
空氣是良絕緣體，而沒有經(jīng)過特殊處理的水在中低頻率的交流激勵下具有較好的 導(dǎo)電性。針對于金屬管壁的氣/水分層流，在交流激勵下，首先采用電導(dǎo)探針方式，由于氣 和水的電導(dǎo)率相差較大，空氣中電極與管壁之間的電導(dǎo)值要遠(yuǎn)小于水中電極與管壁之間的 電導(dǎo)值，通常相差兩個數(shù)量級以上。因此可利用電導(dǎo)值的差別判斷電極處于空氣中或水中， 進(jìn)而推算出氣/水分界面的大概位置。由于電極分布的離散性，采用電導(dǎo)探針方式的判斷 結(jié)果僅提供了界面的分布范圍，其高度和角度仍具有一定的不確定度，如果不能滿足精度 要求，由于分界面附近的電極受其影響較大，可根據(jù)界面附近電極的響應(yīng)通過具體的算法 精確估算其位置，也可利用標(biāo)定和仿真結(jié)果輔助判斷。 以上對本發(fā)明及其實施方式的描述，并不局限于此，附圖中所示僅是本發(fā)明的實 施方式之一。在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造地設(shè)計出與該技術(shù)方案類似的 結(jié)構(gòu)或?qū)嵤├?，均屬本發(fā)明保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，其特征在于該傳感器介入兩相流體內(nèi)部，與測量管道內(nèi)壁無接觸，其結(jié)構(gòu)包括測量電極(1)、支撐臂(2)和支撐軸(3)；支撐軸(3)為傳感器的中心軸，支撐臂(2)連接到(或固定于)支撐軸(3)上，所有支撐臂(2)在支撐軸上(3)等角度分布，支撐臂(2)關(guān)于支撐軸(3)中心對稱；測量電極(1)排布于支撐臂(2)和支撐軸(3)上，并且分布在不同圓周上，這些圓周的圓心均位于支撐軸的軸線上，同心圓周的數(shù)量即為傳感器電極陣列的環(huán)數(shù)，支撐臂(2)和支撐軸(3)均與測量電極(1)電絕緣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，支撐臂(2)的安裝方式為單 端固定于支撐軸(3)上，另一端懸空。支撐臂(2)與支撐軸(3)之間夾角范圍為0到18(T ， 支撐臂(2)上分布的電極可分布于相同截面或不同截面上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，支撐臂(2)的數(shù)量不少于兩個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，每個支撐臂(2)上測量電極 (1)的數(shù)目可相同或不相同，每環(huán)電極的數(shù)目可相同或不相同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，支撐軸(3)上可分布測量電 極(1)的環(huán)數(shù)為0或l，支撐臂(2)上可分布測量電極(1)的環(huán)數(shù)不小于l，傳感器總電極 環(huán)數(shù)不小于2。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多環(huán)電極陣列成像傳感器，支撐軸(3)和支撐臂(2)可 設(shè)計成空心結(jié)構(gòu)，用于測量電極(1)走線，也可設(shè)計成實心結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多環(huán)電極陣列成像傳感器。該傳感器介入兩相流體內(nèi)部，與測量管道內(nèi)壁無接觸，主要功能是對電導(dǎo)率相差較大的多相流體流道截面進(jìn)行電學(xué)成像，并測量各相的組分含量。其結(jié)構(gòu)包括有測量電極、支撐臂和支撐軸，測量電極排布于支撐臂上和支撐軸上，并且分布在與支撐軸中心同心的不同圓周上，呈輻射狀；測量電極分別引線，相互獨立，與支撐臂和支撐軸絕緣，待測流體的流動通道是支撐軸和管壁之間的環(huán)形通道。該結(jié)構(gòu)突破層析成像“非侵入”的傳統(tǒng)模式，可有效減小制約層析成像的“軟場”效應(yīng)的影響，且可采用多模態(tài)的測量方式，確定多相流體各相組分在整個管道或管道橫截面上的局部分布信息，測量精度高，可靠性好。
文檔編號G01N27/22GK101793852SQ20101011050
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者劉興斌, 周海力, 徐文峰, 徐立軍, 曹章, 胡金海 申請人:北京航空航天大學(xué)