一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像装置的制作方法

本发明涉及低温制冷工程技术及传感器科学技术领域，尤其涉及一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置。

背景技术：

管内两相流动在工业生产过程中十分常见，测量管内两相流的分布对研究两相流的传热和流动机理意义重大，同时，得到管内两相流的分布也有助于工业生产的控制和优化。而在管道结构中，变直径管道如文丘里管等类型是常见的情况，这类管道结构复杂，需要特别关注。三维电容层析成像(electricalcapacitancevolumetomography,ecvt)技术，利用管内不同相分布导致的介电常数在空间上的差异，通过测量多个极片两两之间的电容值对管内流体的空间相分布进行求解成像，是一种非侵入式的测量技术，具有响应速度块、对流场无干扰、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。

与室温下管内两相流相比，低温流体液-气介电常数比小了接近一个量级，通常都在1.5以内。因此低温下电容层析成像对测量过程中的外界干扰及其敏感，而三维电容层析成像与二维相比对噪声的敏感性更强，所以在传感器设计时要使用良好的屏蔽装置。管道变化的直径使极片的安装相比与传统三维电容层析成像传感器更困难，因此需要设计新的结构。本发明针对于低温两相流的相分布需求，综合低温流体对屏蔽的要求以及变直径管道对极片安装的要求，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。

中国专利cn108152341a公开了一种低温流体管内流动电容层析成像装置，该发明针对于低温下材料的收缩设置紧固螺柱维持电极片与绝缘管道的贴合,同时针对低温流体液气介电常数接近的特点设计屏蔽结构，与本发明在结构上具有较大差异。

中国专利cn106370705a公开了一种三维电容层析成像传感器，该发明采用的管道直径保持不变，没有设置与极片连接的导线路径，与本发明在结构上具有较大差异。

美国专利us2017/0328853a1公开了一种用于三维电容层析成像的智能传感器，该发明将电极片安装在一种沿径向可变直径的结构中，沿轴向直径不可变，没有设置屏蔽结构，与本发明在结构上具有较大差异。

综上所述，根据低温流体气液相介电常数的特点以及变直径管道的特点，设计一种专门针对于低温流体变直径管内流动的三维电容层析成像装置是有必要的，该技术拥有非侵入式测量的特点，可以得到管道内相含量在三维空间上的分布情况。

[1]chenjy,wangyc,zhangw,etal.capacitance-basedliquidholdupmeasurementofcryogenictwo-phaseflowinanearly-horizontaltube.cryogenics2017；84:69-75.

[2]王宇辰,陈建业,徐璐,等.基于电容法的管内低温流体液膜厚度测量方法[j].浙江大学学报:工学版,2016,50(10):1855-1858.

[3]xieh,yul,zhour,etal.preliminaryevaluationofcryogenictwo-phaseflowimagingusingelectricalcapacitancetomography[j].cryogenics,2017,86.

技术实现要素：

本发明提供一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置，该装置可通过测量两两电极片间的电容，对电容数据进行相应处理来以图像的形式反应文丘里管内低温流体两相流相分布。该装置具有非侵入式的特点，结构简单且稳定，拆装简单并且可多次拆装，可快速与其他管路连接；可用于从室温到深低温的较大范围，电磁屏蔽效果好。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种低温文丘里管三维电容层析成像(ecvt)装置，该装置包括如下部件：导体杆、金属外壳、文丘里管、电极片套、电极片、环状连接壳。电极片嵌入电极片套，电极片套包裹文丘里管，环状连接壳包裹电极片套，金属外壳包裹环状连接壳，导体杆插入金属外壳与环状连接壳上金属半球接触。

进一步的，所述电极片有多片，其为外表面面积大于内表面面积的曲面状，与电极片套上相应电极片槽紧密贴合。电极片套上靠近电极片槽上部开有线槽并延申至电极片套端部。嵌入电极片的电极片套内表面与文丘里管外表面完全重合。

进一步的，所述电极片套，其轴向长度与文丘里管相同，开有沿轴向交错的电极片槽。电极片套两端分布有连接凸台和连接槽，连接凸台末端有倒钩，两个相同的电极片套相连接时，连接凸台的倒钩插入连接槽，连接并贴合文丘里管。电极片套上靠近连接凸台的部分还安装有固定环状连接壳的凸台。

进一步的，所述环状连接壳，其外径与电极片套两端直径最大处相同。其两端沿轴向有一个倾角，与电极片套外表面倾角相同。环状连接壳上开有与电极片套上定位凸台相配合的定位槽，两个相同的环状连接壳包围电极片套，定位槽与电极片上定位凸台紧密贴合。环状连接壳靠近端部开有与电极片套端部线槽连通的线孔，线孔与其外表面的线槽连通。环状连接壳外表面有金属导体半球，金属半球上开有螺钉孔，可用螺钉穿过半球将其固定在环状连接壳外表面。金属半球与线槽相接。

进一步的，所述金属外壳，其内部开有与环状连接壳上金属半球数量相对应的半圆柱形槽，圆柱半径与金属半球相同。金属外壳内径与环状连接壳外径相等，轴向长度略大于文丘里管。金属外壳上同时开有与环状连接壳上金属半球数量相等，位置相对应的通孔，孔直径略大于金属半球外径。金属外壳套入环状连接壳，通孔轴心与金属半球球心对齐，金属半球与金属外壳之间有一定间隙，两者不接触。

进一步的，所述导体杆，数量与金属外壳上通孔相同，外径与通孔相等，插入通孔与环状连接壳上金属半球接触，导体杆末端弹性金属片与金属半球接触时有一定弹性形变，确保与金属半球充分接触。

本发明与现有技术相比，采用一体化电极片套，电极片套与测量管道贴合，将多个电极片在变直径管道上的固定安装简化为简单的嵌入工作，克服了电极片在变直径管道上的安装的困难，使电极片在非均匀管道上的安装变得简单迅速并且电极片在测量过程中与管道的相对位置能保持不变。同时，将金属外壳作为与其他管道连接和屏蔽装置并配合相应的线路连接结构，克服了传统电容层析成像需要屏蔽干扰装置而这些屏蔽装置又会引入复杂结构线路结构的困难，使三维电容层析成像的线路布置得到简化，方便拆装。此外，本发明采用线槽与导体杆等相结合的线路结构，克服了测量过程中不同线路之间相对位置因震动变化对测量值干扰的困难，使测量结果的与真实值更接近。

附图说明

图1为本发明一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置的主视图。

图2为本发明一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置的左视图。

图3为本发明一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置的a-a截面剖面图。

图4为本发明一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置的b-b截面剖面图。

图5为本发明一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置，文丘里管的轴测视图。

图6为本发明一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置，电极片套的轴测视图。

图7为本发明一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置，环状连接壳的轴测视图。

图8为本发明一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置，金属外壳的轴测视图。

图9为本发明一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像(ecvt)装置，导体杆的轴测视图。

图中：1、导体杆；2、金属外壳；3、文丘里管；4、电极片套；5、电极片；6、环状连接壳；7、连接槽；8、极片槽；9、连接凸台；10、定位凸台；11、定位槽；12、导线孔；13、导线槽；14、金属半球；15、金属导体；16、绝缘材料；17、弹性金属片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-8所示，一种低温流体文丘里管内流动三维电容层析成像装置，其包括导体杆1、金属外壳2、文丘里管3、电极片套4、电极片5、环状连接壳6；

所述电极片套4有两个，两个电极片套4组成一个完整的电极片装置，电极片装置内表面与文丘里管3外表面相配合，并紧贴文丘里管3外表面固定；电极片套4上开设有多个极片槽，极片槽形状与电极片5相匹配，电极片5紧贴电极片套4的极片槽安装；

所述环状连接壳6有两个，两个环状连接壳6组成一个完整连接壳装置；电极片装置两端的外围圆形直径与连接壳装置外径相等，电极片装置的两端分别和连接壳装置的两端固定连接；所述的环状连接壳6上设有多个金属半球14；电极片套4上的电极片5通过导线与金属半球14焊接；

金属外壳2上开有与所述金属半球14配合的多个半圆柱槽，金属外壳2内径与连接壳装置外径相等，金属外壳2通过半圆柱槽套入连接壳装置周向并固定；金属外壳2上设有用于安装导体杆1的圆孔；

所述的导体杆1内部为金属导体15，外围包有绝缘材料16，底部设有弹性金属片17，导体杆1直径最大处与金属外壳2上的圆孔直径相同并大于金属外壳2上的半圆柱槽直径；导体杆1通过圆孔插入使底部弹性金属片17与环状连接壳6上的金属半球14接触，导体杆1与金属外壳2上的圆孔通过胶粘接或焊接；金属外壳2两端为连接法兰，并开有密封槽。

在本发明的一个具体实施例中，所述电极片装置完全包裹文丘里管3的外表面；组成电极片装置的两个电极片套4的结构相同；两个电极片套4通过其两端设置的带有倒钩的连接凸台9和连接槽7配合连接。

在本发明的一个具体实施例中，所述连接壳装置呈圆柱形；其上的金属半球14在周向均匀分布，数量与电极片5数量相等，并一一对应连接；组成连接壳装置的两个环状连接壳6形状相同；连接壳装置通过其上设置的定位槽11与电极片装置上设置的定位凸台10配合固定。

在本发明的一个具体实施例中，所述的电极片5形状与电极片套4的电极片槽8相同，数量相等；电极片槽的布置方式为：电极片槽沿电极片套4轴向布置多层；每层内电极片槽的数量相同，且沿周向均匀分布，相邻两层的电极片槽交错布置，电极片外表面面积大于内表面，嵌入电极片槽后电极片套4与文丘里管3贴合固定。

在本发明的一个具体实施例中，所述的金属半球14通过螺钉固定在环状连接壳6上。

在本发明的一个具体实施例中，电极片套4上设有供导线固定的线槽；所述环状连接壳6上设有供导线穿过的线孔和供导线固定的线槽；环状连接壳6上的线孔对齐电极片套4的线槽末端；导线经过电极片套4上的线槽，再穿过环状连接壳6上的线孔并经过环状连接壳6上的线槽与金属半球14焊接。

在本发明的一个具体实施例中，所述的金属半球14半径与金属外壳2内表面半圆柱槽半径相同，环状连接壳6外径与金属外壳2内径相同。

在本发明的一个具体实施例中，所述的导体杆1绝缘外壳外径与金属外壳2上圆孔直径相同并大于环状连接壳6上金属半球14直径，导体杆1插入圆孔后紧密贴合圆孔，导体杆1末端弹性金属片17与环状连接壳6上金属半球14接触。

在本发明的一个具体实施例中，所述的文丘里管3、电极片套4、环状连接壳6材料为绝缘材料16。

在本发明的一个具体实施方案中，采用十六极片布置的结构，电极片分为四层，每层四个，文丘里管、极片套、环状连接壳采用酚醛树脂制成，电极片、环状连接壳上金属半球、导体杆内金属杆采用无氧铜制成，导体杆外围绝缘材料采用酚醛树脂制成。电极片嵌入电极片套并且电极片套贴合文丘里管固定后在每个电极片上焊接带有包围金属屏蔽的导线。将导线沿线槽固定后，每根导线从环状连接壳上导线孔穿出。环状连接壳固定在电极片套上之后从导线孔传出的导线沿导线槽固定。金属导体半球由螺钉固定后与导线焊接。导体杆先通过低温胶固定在金属外壳上，整个金属外壳套入环状连接壳，通过导体杆末端对称布置的弹性金属片定位。在实际工作时，需先通冷的气态工质如冷氮气、冷氧气以完成装置的预冷，以防骤冷导致脆裂。实际运作时，首先使用电压u给其中一片极片激励，其余极片保持0电势，此时分别测量获得激励极片与其它极片对之间的电容值，然后使用电压u激励另一片极片，测量它与其他0电势极片之间的电容值，以此类推。需要注意的是，两两极片的组合之间不重复进行电容测量。传感器从采集电容到反演成一幅图像称为一次工作，因此，对于一个16电极ect传感器而言，每一次工作可获得120个电容测值用于后续的反演成像。金属外壳需要保持接地。

以上所述的具体实施方式，对本发明装置的结构、技术方案及实际使用时的操作方式进行了进一步详细说明，所理解的应是，以上所述仅为本发明的具体实施例子，并不用于限制本发明，但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，均应该包含在本发明的保护范围之内。