专利名称：一种基于阵列式单极电导探针的两相流层析成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及两相管流流型识别技术领域，具体涉及一种基于阵列式单极电导探针的两相流层析成像系统。
背景技术：
两相流动现象在石油、化工等现代工程领域中广泛存在，研究两相流中的各相分布、流动形态等规律对于更好地把握其他流动参数具有重要的意义。借鉴医学领域的CT扫描断层成像技术，希望得到流动断层的实时断层信息，以获得多相流体的三维时空分布信息。两相/多相层析成像技术应运而生。层析成像技术应用于两相流参数测量对于两相流的机理研究和数值模拟验证都具有十分重要的意义，其代表了目前多相流参数检测技术的未来发展趋势。利用如X光、Y射线等射线进行层析成像是最早发展的过程层析成像技术。射线 穿过被测量段会由于介质吸收散射而衰减，通过测量不同方向衰减的幅度再根据投影逆变换可以得到断层图像。这种技术是医学CT技术在多相流参数检测领域的直接应用。在实际使用中，其最明显的缺点就是实时性差，另外，使用射线的成本较高，安全性也无法得到保障。电容过程层析成像也是较早开始研究并应用的一种过程层析成像技术，它的测量原理是在管道中流动的多相流体的不同组分具有不同的介电常数，利用布置在管道壁上的电极对之间的电容来进行成像。比如中国的发明专利ZL01112515. 2中测量得到的电容值与整个截面的相分布有关，这种“软场”性质使得只依靠电容值进行图像重建变得十分复杂，而采用复杂迭代算法会耗费大量的时间才能反演出截面图像。由于依赖于电容测量，此类传感器对于流体介电常数非常敏感，常因为流体内含有导电杂质而改变介电常数，使得重构图像出现不可避免的误差，而且难以修正，影响成像质量以及最终的测量结果。中国发明专利CN1595132A中描述了一种电容传感器，用于两相流层析成像，通过测量平行放置的绝缘导线的电容变化来求解出绝缘介质在导线方向的投影图像，通过电动旋转或者自旋装置带动丝网旋转，从而可以得到若干方向上的投影信息，进一步通过投影逆变换得到流场图像。这种方法的一个明显缺陷是，传感器自身的旋转对流场本身存在影响，传感器旋转过快会扰动整个流型的分布，若传感器旋转过慢，各个方向的投影信息就不能满足取自同一时刻同一位置的条件，投影逆变换也就无从谈起。而且这种方法对于介质的介电常数非常敏感，组分稍有变化，就可能带来测量误差。美国专利US6314373提出了一种新式电导层析成像方法，其敏感部件为两层互相平行的不锈钢电极，电极整体裸露，通过测量水平电极和垂直电极之间交叉点的电导，来判断交点处的局部相分布。这种方法的明显缺点就是忽略了交点以外的裸露部分对所测量点电导的影响。而对于电阻率较高的液体，这一缺点会严重影响测量的精度。因此这种方法对于液体环境的要求很苛刻，应用困难。而应用单根探针检测两相中的分散相含率的方法有很多应用，技术也较为成熟。然而通常所见到的应用都只是针对单点测量，只能根据信号频率变化大致估测含水率，判断流型。传统双极阻抗探针通过彼此绝缘又相互紧贴的两极探测流动通道内部局部点的电阻率，由于电极尺寸微小，电解反应使阳极很容易被腐蚀，耐用性不佳。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术存在的缺陷和不足，改进传统单根式双电极探针并与层析成像方法相结合提出一种区别于以往流型测量的系统，能够实现在线实时测量油水/气水两相管流截面图像(层析成像)并可进行更为准确的含水率计算。本发明提出一种基于阵列式单阴极电导探针的两相流流型检测系统，该系统包括流动管道1，用于提供给电阻率差异很大的两相流体在其中流动；阵列式单阴极电导探针4，固定安装于所述流动管道I的内壁上，包括呈空间阵列排布的多个检测点和检测点引出线，每个检测点只有一极，作为阴极，每个检测点引出线穿过所述流动管道I的管壁与所述流动管道I外壁的引线端子电性连接；所述多通道采集设备2与所述流动管道I外壁的引线端子连接，用于采集每一个检测点的电位值，并将每一次对于全部检测点的电位检测结果进行压缩；所述环形阳极5安装于所述流动管道I的管道内壁或者管道内部，用于为所述流体施加持续的高电压激励或脉冲激励；所述检测系统在工作时，所述阵列式单阴极电导探针4的每一检测点作为阴极，当电阻率小的流体流过所述检测点时，检测点与所述环形阳极5之间通过电阻率小的流体形成通路，所述多通道采集设备2记录该检测点为高电平；当电阻率大的流体流过所述检测点时，检测点与所述环形阳极5之间被绝缘，所述多通道采集设备2记录该检测点为低电平，从而得到所述流动管道I相应截面内每一位置的介质分布情况。本发明利用流动介质电阻率的明显差异，通过阳极给待测管段施加持续或脉冲电压激励，电导探针的各个检测点以各种形式的阵列方式排布于管道内部某一截面上，通过相应的配套电路检测各个检测点的电路通断情况，即可区分各检测点附近的流体介质类型。通过快速扫描截面上每个检测点的检测结果，得到每个检测点附近的流体介质分布，就可以立即得到此时的流动断层图像，并不需要经过图像重建运算。本发明与现有技术中的流型传感装置相比，具有如下优点(I)直观地给出流动截面的实时分布图像，利于人工直观识别流型，也为计算机判断流型提供更准确丰富的数据；(2)阴极探针的各个检测点独立工作，互不干扰，每个检测点有独立的导通回路，共用同一个阳极，零部件简洁，原理简单可靠，易于理解，利于实现；(3)通过牺牲阳极，达到保护精密阴极的效果，而且由于阳极体积较大且易于更换，从而解决了阻抗式探针的电学腐蚀问题；(4)图像重构过程无需复杂的计算反演，仅通过单片机即可实现控制，节约成本。本发明的阵列式单极电导探针的两相流层析成像系统，改进了传统双极探针法并与层析成像方法相结合，能够实现在线实时测量两相管流截面图像(层析成像)并可进行更为准确的含水率计算。可以应用于两相管流的流型判别、流型演化机理研究、实时含水率检测等方面。如果在管道中连续安装两个同样类型的阵列式探针，并结合互相关算法，甚至可以对流动各相速度和相间滑脱速度进行描述。
图1是根据本发明一实施例的基于阵列式单阴极电导探针的两相流流型检测系统结构图。图2是本发明中涉及的电解反应原理图。图3是根据本发明一实施例的一种应用于方形管道中的检测点呈矩阵排布的阵列式单阴极电导探针示意图。图4是根据本发明一实施例的一种应用于圆形管道中的检测点呈放射状排布的阵列式单阴极电导探针示意图。图5是根据本发明一实施例的一种利用软排线工艺实现的阵列式单阴极电导探针示意图。图6是根据本发明一实施例的一种应用两组阵列式电导探针组成的两相流分相速度检测系统示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1是根据本发明一实施例的基于阵列式单阴极电导探针的两相流流型检测系统结构图，如图1所示，在本发明的一实施例中，基于阵列式单阴极电导探针的两相流流型检测系统包括流动管道1、多通道采集设备2、计算机3、阵列式单阴极电导探针4和环形阳极5，用于得知其中两相流动介质的实时流动形态，其中所述流动管道I用于提供给不同介质的两相流体(比如油水或者气水，以下以油水这两相流体为例对本发明进行说明)在其中流动，流动介质中不同介质的电阻率不同，且有很大的差异，其中水的电阻率较小，油相/气相的电阻率较大；所述阵列式单阴极电导探针4固定安装于所述流动管道I的内壁上，所述阵列式单阴极电导探针4的检测点数量较多，每个检测点需要一条独立绝缘的引出线，为减少引线对流场的干扰，需要尽可能减小引出线的线径，所述引出线穿过所述流动管道I的管壁并电性连接(比如焊接)在所述流动管道I外壁的引线端子上，上述固定结构有利于保护细软的引出线不被折断；所述阵列式单阴极电导探针4主要包括呈空间阵列排布的检测点、检测点引出线和绝缘固体骨架，所述检测点的结构特征十分简单，只要是裸露的金属点都可以成为检测点。如将包覆着绝缘层的导线端部线芯裸露出来，其露出的金属线芯即可作为检测点。检测点与绝缘引出线固定于绝缘固体骨架上。每个检测点只有一个极，在系统工作时，作为阴极，所有阴极共用一个阳极；图1所示的是一种检测点阵列排布的实现方法——软排线法，其工艺细节可参见下文对于图5的说明，检测点的排布并不局限于某种特定的排布方式，只要是呈空间阵列排布，如放射式排布、轴向排布、方形矩阵排布等皆可；各个检测点的间距可以是相等的也可以是不相等的，每个检测点相互独立，所述阵列式单阴极电导探针4除检测点裸露外，探针的其余部分均绝缘。另外，所述阵列式单阴极电导探针4可以单独使用，也可以多组共同使用以达到不同的测量目的。比如图5所示的就是利用两组阵列式探针组成的两相流分相速度检测装置。所述多通道采集设备2与所述流动管道I外壁的引线端子连接，比如通过多芯线缆与所述流动管道I外壁的引线端子连接，以将所述多通道采集设备2与阵列式单阴极电导探针4上的每一个检测点相连通；所述多通道采集设备2用于高速采集每一个检测点的电位高低，并将每一次对于全部检测点的电位检测结果进行压缩，发送给计算机或留待后续处理，所述多通道采集设备可利用多通道采集卡，多通道采集控制板，单片机等数据采集设备；所述计算机3与所述多通道采集设备2的输出端连接，比如可以通过标准串口通信协议经由串口线与所述多通道采集设备2的输出端连接，用于实时接收、解压所述多通道采集设备2发送的数据，并根据各个检测点的检测结果和几何位置显示所述流动管道I的实时截面图像；所述计算机3还可以根据截面图像重构结果，按照每个检测点所平均占有的截面面积计算出两相流动截面相分布率，即实时的各相持率信息。所述环形阳极5安装于所述流动管道I的内管壁或者管道内部(由于其随意性并不只限于安装在管道内壁)，用于为所述流体施加持续的高电压激励(比如12V的电压激励)或脉冲激励(脉冲频率与多通道采集设备2的采集能力有关)；所加载的电压激励的零电位端与下文所述的多通道采集设备2的零电位端联通，以保持两者的电压参考零点相同；在电解反应中，所述环形阳极5作为腐蚀极被缓慢腐蚀，而所述阵列式单阴极电导探针4的各个检测点作为阴极被保护(电解反应可参考对于图2的说明)。所述环形阳极5可以安装于所述阵列式单阴极电导探针4的上游，也可以安装于所述阵列式单阴极电导探针4的下游，安装位置距离探针以小于2倍管道内径为宜。所述环形阳极5的材料可以为铜，铝、不锈钢等导电材料；由于本发明采用独立阳极的设计，因此，所述环形阳极5的厚度、形状均可以按照管道形状设计，使得阳极的内壁与管道的内壁相重合，并以法兰形式连接于管道上，以减少对流场的影响。所述阵列式单阴极电导探针4的“单阴极”概念是指探针的每个独立的检测点都只有一极而非两极，并且该极在测量电路中作为阴极使用。所述阵列式单阴极电导探针4的某一检测点只负责检测与其接触的流体组分的电位高低，进而通过与阈值电位进行比较来判定此检测点附近的流体组分。所述检测系统在工作时，所述阵列式单阴极电导探针4的每一检测点作为阴极使用，通过阳极的激励，与阳极接触的水体会被激励为高电位，而气相或油相则由于电阻率低而呈现低电平。也就是说，当导电流体流过所述阵列式单阴极电导探针4的一检测点时，裸露的金属检测点被水覆盖，阴极检测点与阳极之间籍由连续水相形成通路，多通道采集设备2对该点进行测量(比如利用其内部的数字选择器件进行测量，此时，数字选择器件的输出值为一)，通过多通道采集设备2记录得到高电平信号；当绝缘介质(比如油或气)流过探针上的所述检测点时，裸露的金属检测点被所述绝缘介质包覆，阴极与阳极之间被绝缘，无法形成通路，多通道采集设备2内部的数字选择器件对该点进行测量(此时，数字选择器件的输出值为零)，通过多通道采集设备2记录得到低电平信号。如此，所述多通道采集设备2通过高速扫描测量每一个检测点的数据，即电位高低，即可知道所述流动管道I相应截面内每一个位置的介质种类，从而得到所述流动管道I相应截面内的介质分布情况，即两相分布情况，并可进一步将检测得到的数据发送至所述计算机3，对整个管流截面上的两相分布进行实时图像显示，从而获得所述流动管道I截面的层析成像图像。由于介质类型与检测结果一一对应，图像重建过程无需复杂算法，通过小型单片机即可进行控制。本发明中，由于涉及到水中的电解反应，所述阳极在水环境下受电解反应原理而被慢慢腐蚀，而作为阴极的探针检测点会被保护，从而可以达到保护阴极探针、延长探针使用寿命，降低探针的更换成本的目的；所述阳极的体积远大于阴极，从而极大地增强了整个层析成像系统的抗腐蚀能力；所述阳极独立，比如可以设计为易于拆卸的法兰结构，损坏或损坏严重后可以直接更换，无需对阴极做出改动。图2是本发明中涉及的电解反应原理图，图2中，A为材料为铜的阳极环，B为一示意性的独立阴极检测点，在电源的激励下，阳极电压高，阴极电压低，水中游离的OF受电场力的作用从阴极向阳极移动，铜失去两个电子成为铜离子，并与氢氧根离子结合生成氢氧化铜沉淀物(微量)，阴极释放电子，与游离的氢离子结合，生成氢气泡(微量)，由以上电解反应的原理得知，阳极金属会被慢慢腐蚀，而阴极材料被保护。图3是根据本发明一实施例的一种应用于方形管道中的检测点呈矩阵排布的阵列式单阴极电导探针示意图。图3中，A代表环形阳极金属块，B代表流动管道，C代表阵列式单阴极电导探针。由于方形管道的截面为矩形，而阵列式探针应用于矩形截面能够使检测点的排布更加均匀，使持水率信息的测量结果更准确，因此，可以利用测量图像结果中的油相面积与水相面积来简单计算两相流中的持水率信息。图4是根据本发明一实施例的一种应用于圆形管道中的检测点呈放射状排布的阵列式单阴极电导探针示意图，图4中，A为裸露的金属检测点，B为绝缘支撑骨架，C为阵列探针的夹持段，整个探针类似于一个垫片，只需将探针夹装在管路两法兰之间即可完成安装。检测点按照一定规则排布于放射状的绝缘骨架上，每个检测点通过附着于骨架表面或埋藏于骨架内部的绝缘引出线汇合于此阵列探针的外部，通过引线端子与后续电路连接。由于圆形阵列的轴对称特性，这种排布方法可以更加准确的描述圆形截面管道的流动状态，比如垂直圆形截面管路中的两相流动。图5是根据本发明一实施例的一种利用软排线工艺实现的检测点呈矩阵式排布的阵列式单阴极电导探针示意图。图5中，C为环形阳极金属块，B为绝缘排线固定块，A为排线探针。利用软排线工艺，将铜质导线印刷于耐温耐腐蚀的聚酰亚胺基底上，再在表面包覆聚酰亚胺材质的覆膜以绝缘，只将铜质导线的端部暴露出来，作为金属检测点。此种工艺可以将片状排线结构的厚度压缩到O.1mm左右，每个片状的排线结构可以安置20个以内的检测点。通过将多条排线或并列或辐射状排列，可以很容易形成检测点阵列，能够实现对管道内部一个截面内的相分布判断。软排线工艺将检测点、引出线、绝缘支撑骨架完美的结合到一起，由于厚度很薄，不会对流场造成明显的影响。图6是根据本发明一实施例的一种应用两组阵列式单阴极电导探针组成的两相流分相速度检测装置示意图。图6中，A为阳极，B和B*为一种阵列式单阴极电导探针模块，C和C*为流动管道，D为相关仪，用于检测两传感器的数据。阳极A安装于两探针之间，为两探针所共用。两探针检测平面距离为L，L足够小，以至于当流体流经两组排线时其流动状态(如各相分布情况、油泡大小位置等)未发生明显变化。当油泡或者气泡依次快速经过两组阵列探针时，会依次形成两幅形状最相近的图像，通过互相关算法可以找出这两幅图像，由于其时间差T也是可知的，通过V = L/T就可以得到两相流动中分散的油相/气相分相速度。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于阵列式单阴极电导探针的两相流流型检测系统，其特征在于，该系统包括流动管道(I)，用于提供给电阻率差异很大的两相流体在其中流动；阵列式单阴极电导探针(4)，固定安装于所述流动管道(I)的内壁上，包括呈空间阵列排布的多个检测点和检测点引出线，每个检测点只有一极，作为阴极，每个检测点引出线穿过所述流动管道(I)的管壁与所述流动管道(I)外壁的引线端子电性连接；所述多通道采集设备(2)与所述流动管道(I)外壁的引线端子连接，用于采集每一个检测点的电位值，并将每一次对于全部检测点的电位检测结果进行压缩；所述环形阳极(5)安装于所述流动管道(I)的管道内壁或者管道内部，用于为所述流体施加持续的高电压激励或脉冲激励；所述检测系统在工作时，所述阵列式单阴极电导探针(4)的每一检测点作为阴极，当电阻率小的流体流过所述检测点时，检测点与所述环形阳极(5)之间通过电阻率小的流体形成通路，所述多通道采集设备(2)记录该检测点为高电平；当电阻率大的流体流过所述检测点时，检测点与所述环形阳极(5)之间被绝缘，所述多通道采集设备(2)记录该检测点为低电平，从而得到所述流动管道(I)相应截面内每一位置的介质分布情况。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阵列式单阴极电导探针(4)的检测点为裸露的金属点，其他部分绝缘。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阵列式单阴极电导探针(4)还包括绝缘固体骨架，用于固定检测点与检测点引出线。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测系统还包括计算机(3)，与所述多通道采集设备(2)的输出端连接，用于实时接收、解压所述多通道采集设备(2)发送的数据，并根据各个检测点的检测结果和几何位置显示所述流动管道(I)的实时截面图像。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述计算机(3)还进一步根据所述实时截面图像，按照每个检测点所平均占有的截面面积计算出两相流动截面面积比。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环形阳极(5)所加载的电压激励的零电位端与所述多通道采集设备(2)的零电位端联通，以保持两者的电压参考零点相同。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环形阳极(5)安装于所述阵列式单阴极电导探针(4)的上游或下游，与所述阵列式单阴极电导探针(4)之间的距离小于流动管道⑴内径的两倍，其内壁形状与流动管道⑴内壁一致，固定安装在流动管道⑴上。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环形阳极(5)的材料为导电材料。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述检测系统工作中，所述环形阳极(5)作为腐蚀极被缓慢腐蚀，而所述阵列式单阴极电导探针(4)的各个检测点作为阴极被保护。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阵列式单阴极电导探针(4)单独使用或多组共同使用。
全文摘要
本发明公开了一种基于阵列式单阴极电导探针的两相流流型检测系统，该系统包括流动管道；固定安装于流动管道内壁上，且包括多个检测点和检测点引出线，每个检测点引出线穿过流动管道管壁与外壁的引线端子电性连接的阵列式单阴极电导探针；与引线端子连接、用于采集每一检测点电位值的多通道采集设备；安装于流动管道内壁或者内部、用于为流体施加激励的环形阳极。本发明原理简单，可靠，能够有效的减小流型检测的不确定性，对于截面相含率也可以进行实时监测记录，并满足一定的可用精度。
文档编号G01N27/06GK102998343SQ201210516028
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者李涛, 杨润怀, 杨基明 申请人:中国科学技术大学