[发明专利]一种应用于低温环境的中心轴式电容层析成像装置

说明书

本发明公开了一种应用于低温环境的中心轴式电容层析成像装置，应用于深低温流体(如液氮(～78K)、液氧(～90K))管内流动流型监测的电容层析成像。该装置针对低温流体液气介电常数接近的特点设计了屏蔽结构，同时设置中心电极，在将对流场的影响降到最低的前提下，增加了独立数据量，可有效提升反演图像的质量。本低温流体电容层析成像装置具有以下特点：结构简单，可快速拆装，可方便与系统其他管路连接；可用于从室温到深低温的较大范围，多次大幅度温度循环不影响测量精度；定位精度高、电磁屏蔽效果好。

技术领域

本发明涉及低温制冷工程技术及传感器科学技术领域，尤其涉及一种应用于低温环境的中心轴式电容层析成像(ECT)装置。

背景技术

管内两相流动在化工、空分等流体相关工业经常出现，涉及设计优化及运行安全，因此对两相分布的检测有重要意义。电容层析成像(Electrical CapacitanceTomography,ECT)技术，利用场内微元内不同相含量具有不同总介电常数的特点，通过测量多极片两两之间的电容值，利用反演算法对域内流体的相分布进行求解成像，具有灵敏度高、相应速度快、可同时获得相含率及相分布数据等优点，目前被广泛研究并在常温流体工业中得到应用。

不同于室温流体气液介电常数差别较大，低温流体液-气介电常数比普遍小于1.5，成像结果对于测量噪声极为敏感，对极片的布置精度有着很高的要求，为了保证有较好的成像效果，需要构建良好的电磁屏蔽结构。并且由于金属和非金属在低温下的收缩率相差较大，传统的粘合或者将金属烧蚀在非金属表面的极片安装方法，将很容易导致松脱，甚至非金属管道受到金属热应力而产生破裂。另外，非金属管道低温下极易发生脆裂。本发明针对于低温流体的相含率测量技术需要，综合低温流体的本身物性及低温环境下的材料特性，进行发明设计。

浙江大学制冷与低温研究所张小斌、陈建业、王宇辰、谢黄骏^[1][2][3]等人相继对应用于低温流体两相流空泡率测量的二极片电容传感器及适用于低温流体相分布及空泡率测量的电容层析成像技术进行了理论及实验的研究。陈建业的实验表明，其二极片电容传感器对管内低温流体空泡率的测量误差可控制在15％以内，但这种传感器外面包裹两个环向电极片，也没有采取电磁屏蔽结构，与本发明结构差异巨大。谢黄骏对应用于低温流体测量的电容层析成像技术进行了理论验证，发现其数值实验的结果较好，但文章没有涉及针对于低温流体两相流测量的电容层析成像传感器的具体结构设计。Filippov等^[4]研究了使用射频传感器测量低温流体两相流空泡率，结果表明射频传感器的测量精度可达1.5％，它与本发明使用完全不同的原理和结构。

中国专利CN100412534C公开了一种应该用于微通道的电容层析成像装置，该传感器旨在弥补ECT传感器在微尺度下管内两相流的液膜测量的需求。该发明没有环向屏蔽与绝缘垫的紧固结构，环向电极直接接触流体，没有设置中心电极，与本发明结构上有较大差异。

中国专利CN102364420B公开了一种高精度ECT智能传感器，该发明的传感器部分在绝缘管道上进行打孔，环向电极片直接接触流体，通过螺栓固定环向电极片，与本发明结构上有较大差异。

中国专利CN104655692B公开了一种利用两层框架固定环向电极片的ECT传感器的结构设计，该发明环向上没有设置屏蔽板，屏蔽结构安装在外框上与极片一一对应，与本发明在结构上有较大差异。

中国专利CN106932446A公开了一种在管内设有内置电极的ECT传感器，该发明中，有部分环向电极片安装在管道内部，适用的管道结构是具有同心结构的管道，电极片贴合在壁上，与本发明在结构上具有较大差异。

中国专利CN103454318B公开了一种具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，其利用两个同轴不同径的可旋转圆管，将电极安置在旋转圆管上进行多角度的电容值测量，该发明电极采用粘贴的方式固定在圆管壁上且带有可旋转结构，与本发明在结构上有较大差异。