双层16电极静电成像敏感阵列传感器结构设计的制作方法

本发明涉及应用于两相流颗粒流动参数测量的静电层析成像(est)系统前端传感器结构设计部分，具体说是一种具有双层16电极的阵列式静电传感器的敏感电极形状、尺寸、分布以及安装固定的新型结构设计。

背景技术：

在现有应用于两相流颗粒流动参数测量的静电层析成像(est)系统中，其前端静电传感器按测量原理可分为感应式和直接电荷传递式两种，对应的有非接触式和接触式两种结构的静电传感器。其中感应式静电传感器不与流动的颗粒发生直接接触，而是利用静电感应原理来实现对静电荷的检测。直接电荷传递式静电传感器则与流动的颗粒直接接触，利用颗粒在管道中运动时与静电传感器的测量探头之间接触、分离导致电荷的传递以及静电感应产生的综合效应实现静电荷的检测。基于这两种原理工作的静电传感器，都可以获取包含了多种颗粒流动参数信息的静电荷信号，对静电传感器获取的信号进行检测并且加以适当的信息处理方法，即可获得两相流颗粒流型、流速等流动参数的信息。

在现有两相流颗粒流动参数测量系统中，所采用的静电传感器可实现的测量功能较为单一。在静电层析成像(est)系统中，主要需要对气固两相流颗粒的流型进行测量。对于传统的接触式结构如探针和环状电极形式的静电传感器而言，一般无法获得气固两相流颗粒的流型。如图1～图3所示，电极结构形式分别为探针电极、外置式环状电极和内嵌式环状电极，这几种电极形式都很难测得气固两相流颗粒的流型。目前测量气固两相流颗粒流型主要采用的是非接触式的分块电极静电传感器，如图4所示。而应用于est系统的分块电极形式静电传感器通常为单层8电极结构，这种结构的静电传感器一次测量过程中只能获取8个独立信号量，存在着获取有效信息量少，参数测量不够准确的缺陷。应用于后续的颗粒流型图像重建时，会使得重建图像分辨率过低，成像质量不好，此外，该种结构的传感器也无法有效应用于两相流颗粒的流速、流量等参数的测量。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双层16电极静电成像敏感阵列传感器的电极形状、尺寸、分布以及安装固定的新型结构设计，与相应的信号采集电路配套使用，提高了est系统颗粒流型重建图像的分辨率，使得传感器同时能够实现对两相流颗粒的流速、流量等参数进行测量的功能。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种双层16电极静电成像敏感阵列传感器结构设计，包括传感器主体、上法兰盘、下法兰盘和敏感电极；

所述传感器主体为空心的圆柱状结构；

所述传感器主体的上端和下端分别采用法兰连接，传感器主体的上端连接有上法兰盘，传感器主体的下端连接有下法兰盘；

所述传感器主体的内壁上沿圆周设有两层敏感电极，每层敏感电极的数量为16个；所述两层敏感电极上下平行。

在上述方案的基础上，所述传感器主体的外径为100mm，内径为80mm，管壁厚度为10mm，长度为200mm。

在上述方案的基础上，所述上法兰盘的外径为160mm，内径为80mm，上法兰盘厚度为30mm；上法兰盘设有四个过孔，四个过孔的直径均为22mm，过孔中心距离上法兰盘的外缘15mm；

所述下法兰盘的外径为160mm，内径为80mm，下法兰盘厚度为30mm；下法兰盘设有四个过孔，四个过孔的直径均为22mm，过孔中心距离下法兰盘的外缘15mm。

在上述方案的基础上，所述敏感电极包括极板和连接杆；连接杆固定于极板的中心位置；极板为方形，极板的尺寸为10mm×10mm，极板的厚度为1mm；连接杆为圆柱形，长度为20mm，直径为3mm，连接杆上端长度为12.5mm的一段的外部为m3的螺纹形。

在上述方案的基础上，所述上层敏感电极的中心距离上法兰盘的下沿75mm，下层敏感电极的中心距离法兰盘的上沿75mm，两层敏感电极的中心间距为50mm。

在上述方案的基础上，所述敏感电极安装于传感器主体上时覆盖角为14.36°。

在上述方案的基础上，所述上法兰盘、下法兰盘和传感器主体是采用同材质的材料一体加工形成。

在上述方案的基础上，所述传感器主体的制作材料为聚四氟乙烯材料。

在上述方案的基础上，所述敏感电极的制作材料为金属钛。

在上述方案的基础上，所述敏感电极的制作材料为优质不锈钢1cr18ni9ti。

本发明的有益效果在于：

本发明所述的双层16电极静电成像敏感阵列传感器具有双层16阵列电极结构，应用于est系统时，能够在一次的信号采集过程中传感器的单截面域内可同时获取16个有效数据，并且信号采集结果较好，能够较大地提升est系统的重建图像分辨率及成像质量。同时，采用的双层敏感电极结构可以扩展传感器的测量功能，使得所设计的静电成像敏感阵列传感器能够实现除两相流颗粒流型测量外，还可通过互相关技术，对两相流颗粒的流速以及流量等参数进行测量。因此该传感器的使用能够提高est系统的成像质量以及测量的多用途和实用性。

附图说明

本发明有如下附图：

图1现有技术中探针电极示意图；

图2现有技术中外置式环状电极示意图；

图3现有技术中内嵌式环状电极示意图；

图4现有技术中分块电极示意图；

图5est系统的原理示意图；

图6本发明所述的传感器结构示意图；

图7本发明所述的传感器的剖视图；

图8本发明所述的传感器的俯视图；

图9本发明所述的敏感电极结构示意图；

图10图9的a-a剖视图；

图11图9的c-c剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图6～图11所示，本发明中提供了一种双层16电极静电成像敏感阵列传感器结构设计，其电极形状、尺寸、分布与安装固定的结构参数必须经过严格计算和模拟仿真研究才能得出。得出上述尺寸和参数所使用的仿真软件为comsol。该双层16电极的阵列式静电传感器与配套的信号采集电路连接能够在一次采集过程中获取16个独立的有效测量信号，对用于后续的颗粒流型图像重建，可提高颗粒流型重建图像的分辨率，同时采用的双层16电极结构，运用互相关技术，还可以用于测量两相流颗粒的流速、流量等参数，能够实现多种参数测量功能。

本发明是基于如图5所示est系统的，其中前端静电传感器及其采集电路作为系统获取信息量的源头，是est系统中最重要的一部分。在本发明中，设计了一种具有双层16电极结构的阵列式敏感电极静电传感器，在对其结构尺寸、电极分布和管道尺寸及电极材料以及颗粒流动特性进行综合计算与仿真研究基础上，设计出了该新型传感器。

在est系统中，为提高单次采集过程中截面数据获取有效信息量，在所设计的静电传感器中，单层采用了16电极结构，而为了扩展静电传感器的测量功能，采用了双层阵列电极设计，这为信号的互相关提供了条件。

本发明所述传感器的结构如图6～图8所示。包括传感器主体、上法兰盘、下法兰盘和敏感电极；

传感器主体采用的是圆柱状结构，为了方便工业现场的安装连接，传感器主体的上端和下端分别采用了法兰连接，传感器主体的上端连接有上法兰盘，传感器主体的下端连接有下法兰盘；

所述传感器主体的内壁上沿圆周设有两层敏感电极，每层敏感电极的数量为16个；所述两层敏感电极上下平行。

传感器主体部分的柱体外径为100mm，内径为80mm，管壁厚度为10mm，传感器主体长度为200mm。上法兰盘的外径为160mm，内径为80mm，厚度为30mm；上法兰盘设有四个过孔，四个过孔直径均为22mm，过孔中心距离上法兰盘的外缘15mm；所述下法兰盘的外径为160mm，内径为80mm，下法兰盘厚度为30mm；下法兰盘设有四个过孔，四个过孔的直径均为22mm，过孔中心距离下法兰盘的外缘15mm。上法兰盘、下法兰盘与传感器主体是同材质的材料一体加工出来。

敏感电极的结构如图9～图11所示，所述敏感电极包括极板和连接杆；连接杆固定于极板的中心位置；极板为方形，敏感电极的极板尺寸为10mm×10mm，极板厚度为1mm；连接杆为圆柱形，长度为20mm，直径为3mm，其中连接杆上端长度为12.5mm的一段的外部为m3的螺纹形。

由图7可知，两层阵列电极安装在传感器主体的中间部位，上层敏感电极的中心距离上法兰盘的下沿75mm，下层敏感电极的中心距离下法兰盘的上沿75mm，两层敏感电极的中心间距为50mm，敏感电极安装于传感器主体上时覆盖角为14.36°。

传感器主体的制作材料为聚四氟乙烯；敏感电极的制作材料为金属钛，也可用优质不锈钢如1cr18ni9ti替代。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。