一种适用于超临界水流化床的电容探针系统及其使用方法

1.本发明涉及多相流动测试技术，特别涉及一种电容探针测试系统及其使用方法，具体涉及一种适用于超临界水流化床的电容探针系统及其使用方法。


背景技术：

2.超临界水气化技术是近年来发展起来的一种非常具有前景的煤/生物质等有机资源清洁高效利用技术，其反应效率高，污染物排放为零。超临界水流化床作为一种新型煤/生物质气化反应器，实现了煤/生物质在超临界水中的连续式气化，反应物料快速升温，强化传热传质，易排渣。然而截至目前，对超临界水流化床反应器内部的微观两相流动特性仍然认识不足，其主要原因是受到测量方法技术的限制。
3.电容探针方法是一种传统的两相流动特性测试技术，相关专利用其来获得反应器内微观流动特性，但传统电容探针的使用环境相对比较温和，其较难适用于压力和温度都非常高的超临界水流化床中。极端的操作条件对电容探针传感器提出了新的更高的绝缘、密封、固定强度要求。超临界水流化床中为高温伴随高压工况而且还有溶解性较强的超临界水，传统的电容探针传感器固定和密封方式无法满足在超临界水流化床中使用要求。如果电容探针的固定和密封条件不能满足超临界水工况要求，不仅造成测量失败，更可能导致床层内高温高压物料泄露喷出等严重安全事故。
4.综上所述，由于超临界水流化床高温高压的极端工况，传统电容探针测试系统并不能适用于超临界水流化床中，目前未见有关适用于超临界水流化床中的电容探针报道。


技术实现要素：

5.本发明为了解决传统电容探针系统难以在高温高压超临界水极端工况中使用的问题，提供一种适用于超临界水流化床的电容探针系统及其使用方法，解决了传统电容探针传感器在高温高压超临界水极端工况中使用的固定和密封的问题。
6.本发明通过以下技术方案实现：
7.一种适用于超临界水流化床的电容探针系统，包括电容探针传感器和密封装置；
8.密封装置自一端至另一端依次包括顶盖、双锥卡套、底座中部连接段、环顶套筒、锥面圆筒垫片和底座下部连接段；电容探针传感器的测量端依次穿过顶盖、双锥卡套、底座中部连接段、环顶套筒、锥面圆筒垫片和底座下部连接段；
9.顶盖与底座中部连接段固定连接，两者之间通过双锥卡套密封；底座中部连接段与底座下部连接段固定连接，两者之间通过环顶套筒和锥面圆筒垫片密封。
10.优选的，电容探针传感器自测量端至连接端依次划分为前部高温段、中部低温段和尾部低温段；电容探针传感器包括三个同轴设置的金属电极和同轴电缆接头，从内而外分别为中心感应电极、主动屏蔽电极和外壳地电极，三个金属电极自前部高温段延伸至尾部低温段；
11.在前部高温段，相邻两金属电极之间设置有绝缘层；绝缘层尾部延伸至中部低温
段内；在中部低温段内的空腔部分填充有结构胶固化层；在尾部低温段，相邻两金属电极之间填充有结构胶固化层，中心感应电极和主动屏蔽电极均与同轴电缆接头连接。
12.进一步的，中部低温段划分为与前部高温段连接的中部低温段前半部和与尾部低温段连接的中部低温段后半部两部分；前部高温段中的绝缘层尾部延伸至中部低温段前半部末端，在中部低温段前半部，绝缘层与金属电极之间填充有结构胶固化层；在中部低温段后半部，相邻两金属电极之间填充有结构胶固化层。
13.进一步的，在前部高温段，金属电极与绝缘层之间的间隙在0.02mm以上。
14.进一步的，结构胶固化层材质为环氧树脂。
15.进一步的，在尾部低温段，相邻两金属电极之间设置有同轴端子，金属电极与同轴端子之间设置有结构胶固化层。
16.优选的，还包括电容测量放大器、数据采集卡和数据处理模块；电容探针传感器的测量信号经电容测量放大器放大后，再经数据采集卡传输至数据处理模块，数据处理模块根据接收到的信号处理得到超临界水流化床内物料的特征参数。
17.优选的，顶盖与底座中部连接段通过螺纹连接，底座中部连接段与底座下部连接段通过螺纹连接。
18.优选的，双锥卡套为黄铜材质，锥面圆筒垫片为聚四氟乙烯材质。
19.所述的适用于超临界水流化床的电容探针系统的使用方法，将电容探针传感器通过密封装置安装固定在超临界水流化床上，开启电容探针传感器进行测量，得到电容探针传感器的输出信号u，经如下公式计算得到超临界水流化床内物料颗粒的局部空隙率ε：
[0020][0021]
其中，ε
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是物料颗粒自然堆积状态下的空隙率，u0是电容探针传感器在不包含物料颗粒的超临界水流体中的输出信号，u
fb
是电容探针传感器在物料颗粒自然堆积状态下的输出信号。
[0022]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0023]
本发明密封装置采用双锥卡套结合锥面圆筒垫片的方法来满足固定强度和密封要求。双锥卡套装入顶盖和底座中部连接段之间，顶盖与底座中部连接段连接，径向压紧双锥卡套，实现双锥卡套的变形收紧进而径向压缩电容探针传感器，从而实现电容探针传感器在超临界水流化床中使用的强度要求。底座中部连接段与底座下部连接段之间布置有环顶套筒和锥面圆筒垫片，通过底座中部连接段与底座下部连接段连接，底座中部连接段会通过压紧环顶套筒进而压缩锥面圆筒垫片。由于锥面圆筒垫片和底座下部连接段接触面为锥形，二者接触压缩过程中会导致锥面圆筒垫片受压变形而发生向心收缩压紧电容探针传感器，实现电容探针传感器在超临界水流化床中的密封作用。本发明设计的密封装置可以满足电容探针传感器在超临界水流化床中使用的高强度固定密封要求，保证电容探针传感器在超临界水流化床中安全稳定工作。
[0024]
进一步的，本发明根据电容探针传感器不同部位的工作温度情况，结合电容探针传感器工作压力需求，将电容探针传感器的结构做分段处理，使不同分段分别起到相应的固定、密封作用。前部高温段设计为由金属电极和绝缘层组成，二者之间不施加任何固定和密封材料，只要求达到不同电极之间的良好绝缘条件；中部低温段，金属电极之间的固化层
能满足电容探针传感器在超临界水流化床中的强度和密封要求，同时需要具备良好的绝缘性能；尾部低温段实现连接功能。通过合理安排电容探针传感器不同分段处的电极和绝缘层组合与固定方式，使电容探针传感器不同分段之间协同合作，达到电容探针传感器在超临界水流化床中安全稳定使用的目的。
[0025]
进一步的，中部低温段前半部目的是为了使传感器的金属电极和绝缘层的位置保持固定不变，同时杜绝高压水达到石英玻璃管末端连通金属电极而破坏金属电极之间绝缘。中部低温段后半部主要目的是满足金属电极绝缘要求的同时，使电容探针传感器达到极高的轴向耐剪切强度，满足在超临界水流化床中安全稳定工作的强度要求。
[0026]
进一步的，金属电极与绝缘层之间的间隙保持0.02mm以上以满足高温下的自由热胀。
[0027]
进一步的，采用高强度、防水性能好、绝缘性能优良的环氧树脂结构胶填充在各金属电极之间，完全固化后的粘接耐剪切强度高，防水性好，而且具有良好的绝缘性能。
[0028]
进一步的，相邻两金属电极之间设置同轴端子，用来保证传感器后部的金属电极之间不发生接触。
[0029]
进一步的，电容测量放大器配置有测量范围可调节的增益旋钮，可以实现本发明研发的电容探针传感器目标电容的测量放大。
[0030]
本发明方法，采用上述的电容探针系统能够测量超临界水流化床内部局部空隙率，解决了超临界水流化床内局部空隙率的测量问题。为超临界水流化床以及其他运行在高温高压极端工况条件下的反应器提供一种测量其内部信息的方法。
附图说明
[0031]
图1是本发明所述适用于超临界水流化床的电容探针系统的结构图。
[0032]
图2是本发明所述适用于超临界水流化床的电容探针系统中密封装置示意图；
[0033]
图3是电容探针传感器和密封装置装配图；
[0034]
其中：前部高温段1、中部低温段2、尾部低温段3、电容探针传感器4、电容测量放大器5、数据采集卡6、数据处理模块7、直流电源8、交流电源9、中心感应电极10、主动屏蔽电极11、外壳地电极12、结构胶固化层13、同轴端子14、bnc接头15、bnc芯极16、bnc屏蔽层17、顶盖18、双锥卡套19、底座中部连接段20、环顶套筒21、锥面圆筒垫片22、底座下部连接段23、不锈钢连接管24、绝缘层25。
具体实施方式
[0035]
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
[0036]
为解决电容探针系统在超临界水流化床反应器上的应用问题，本发明在传统电容探针系统的基础上进行了优化设计和改进，开发出了适用于超临界水流化床的电容探针系统及方法，可以获得超临界水流化床内的局部空隙率等细节信息。
[0037]
本发明适用于超临界水流化床的电容探针系统，包括电容探针传感器4、密封装置、电容测量放大器5、数据采集卡6、直流电源8、交流电源9和数据处理模块7，其中：
[0038]
电容探针传感器4包括三个同轴设置的金属电极，从内而外分别为中心感应电极
10、主动屏蔽电极11和外壳地电极12，如图1所示。相邻两金属电极之间设置绝缘层25，具体是：中心感应电极10和主动屏蔽电极11之间布置有内绝缘层，主动屏蔽电极11和外壳接地电极之间布置有外绝缘层。
[0039]
金属电极的材质为316不锈钢，绝缘层25的材质为高纯石英玻璃。中心感应电极10直径为0.6mm，在电容探针传感器4的头部一端，中心感应电极10相对于主动屏蔽电极11和外壳接地电极的端面突出了5mm长度。主动屏蔽电极11的外径为2.2mm，厚度为0.1mm，外壳接地电极的外径为4.0mm，厚度为0.4mm，主动屏蔽电极11和外壳接地电极在电容探针传感器4头部一端保持齐平。电容探针传感器4头部一端，中心感应电极10突出部分和外壳地电极12组成的圆锥形区域即为电容探针传感器4的测量区域。
[0040]
电容探针传感器4尾部是一个标准的同轴电缆接头，其通过一根低噪声同轴电缆连接至定制的电容测量放大器5。其中电容探针传感器4和同轴电缆的连接方式为中心感应电极10和同轴电缆的bnc芯极16连接，主动屏蔽电极11和同轴电缆的bnc屏蔽层17连接。电容探针传感器4的外壳地电极12则通过一根纯铜电缆与电容测量放大器5的接地端子连接。
[0041]
本发明的电容探针传感器4采用三段式设计，如图1所示，自电容探针传感器4头部至尾部依次为前部高温段1、中部低温段2、尾部低温段3，其设计思想为根据电容探针传感器4不同部位的工作温度情况，结合电容探针传感器4工作压力需求，将电容探针传感器4的针体结构做分段处理，使不同分段分别起到相应的固定、密封作用。通过合理安排电容探针传感器4不同分段处的电极和绝缘层25组合与固定方式，使电容探针传感器4不同分段之间协同合作，达到电容探针传感器4在超临界水流化床中安全稳定使用的目的。
[0042]
前部高温段1包括从电容探针传感器4头部端面向尾部方向延伸约40cm的部分，如图1所示。在实验过程中电容探针传感器4前部的工作环境为超临界水或高温高压水工况。由于这一分段工作温度和压力高而且处于具有溶解性的超临界水环境中，目前的多种固定方法都难以满足这种极端工况下的电极与绝缘材料之间的强度和密封要求。本发明对于这一分段的传感器不施加固定强度和密封要求，只要求达到不同电极之间的良好绝缘条件。于是本发明将前部高温段1设计为由金属电极和绝缘层25组成，二者之间不施加任何固定和密封材料。金属电极与绝缘层25之间的间隙应保持0.02mm以上以满足高温下的自由热胀。
[0043]
中部低温段2包括从前部高温段1尾部向电容探针传感器4尾部方向延伸长度约为20cm，如图1所示。这一分段的传感器工作温度较低，其设计目的为满足电容探针传感器4在超临界水流化床中的强度和密封要求，同时需要具备良好的绝缘性能。金属电极之间的固定层需要实现高压水环境下的密封，同时保证高强度和良好绝缘条件。本文采用高强度、防水性能好、绝缘性能优良的特种环氧树脂结构胶填充在各金属电极之间形成结构胶固化层13来实现。经过充分调研和反复调试，本文最终采用剪切强度高达13mpa的德国ergo品牌结构胶实现该分段不同层之间的固定。德国ergo 7211结构胶工作温度范围为-40至100℃，可操作时间为100分钟，为制作电容探针传感器4提供充足的操作时间，有利于提高电容探针传感器4制作质量。完全固化后的粘接耐剪切强度高，防水性好，而且具有良好的绝缘性能。
[0044]
电容探针传感器4中部低温段2按照粘接结构的不同可以进一步细分为中部低温段2前半部和中部低温段2后半部两部分。中部低温段2前半部长约10cm，内绝缘层和外绝缘层尾端延伸至中部低温段2前半部末端，该部分为金属电极和石英玻璃的尾端部分粘接固
定，金属电极与绝缘层25之间填充结构胶固化层13，其目的是为了使传感器的金属电极和绝缘层25的位置保持固定不变，同时杜绝高压水达到石英玻璃管末端连通金属电极而破坏金属电极之间绝缘。中部低温段2后半部的长度约为10cm，金属电极之间空隙全部由结构胶固化层13组成。该部分的主要目的是满足金属电极绝缘要求的同时，使电容探针传感器4达到极高的轴向耐剪切强度，满足在超临界水流化床中安全稳定工作的强度要求。
[0045]
中部低温段2的金属电极之间空隙全部采用环氧树脂结构胶灌注在金属电极之间的缝隙固化而成，以保证固化层的完整性进而达到应有的耐剪切强度。由于环氧树脂结构胶的粘度很高，而且需要填充的部分为薄而深的环形区域，给金属电极之间施胶造成了较大的困难。本研究采用了特制打胶枪和超细混胶头并结合注射器针头，将高粘度的结构胶强力挤入金属电极之间的区域，保证了固化层的完整性。
[0046]
尾部低温段3包括中部低温段2尾部至电容探针传感器4尾部的部分，长度约为10cm，如图1所示。尾部低温段3末端是一个标准同轴电缆接头，以保证信号的稳定传输，bnc接头15前布置有同轴端子14，即相邻两金属电极之间设置有一同轴端子14，金属电极与同轴端子14之间为结构胶固化层13，同轴端子14用来保证传感器后部的金属电极之间不发生接触。中心感应电极10尾部相对于主动屏蔽电极11尾部突出长度为1cm，同时主动屏蔽电极11尾部相对于外壳接地电极尾部突出长度为2cm。中心感应电极10尾部突出部分与标准的bnc接头15的bnc芯极16连接，主动屏蔽电极11与标准bnc接头15的bnc屏蔽层17连接，保证电容探针信号可以不受干扰地传输到测量放大器。
[0047]
密封装置是电容探针传感器4在超临界水流化床中装配时使用的固定和密封装置。本发明设计的密封装置采用双锥卡套19结合聚四氟乙烯垫片的方法来满足电容探针传感器4在超临界水流化床高压环境中的固定强度和密封要求。
[0048]
密封装置结构如图2所示，自一端至另一端依次包括顶盖18、双锥卡套19、底座中部连接段20、环顶套筒21、锥面圆筒垫片22、底座下部连接段23和不锈钢连接管24。电容探针传感器4的头部依次穿过顶盖18、双锥卡套19、底座中部连接段20、环顶套筒21、锥面圆筒垫片22、底座下部连接段23和不锈钢连接管24。其中双锥卡套19为黄铜材质，锥面圆筒垫片22由聚四氟乙烯制成，其他组件均为316不锈钢。
[0049]
双锥卡套19装入顶盖18和底座中部连接段20之间并密封连接，顶盖18一端与底座中部连接段20一端通过螺纹连接，径向压紧双锥卡套19，实现卡套的变形收紧进而径向压缩电容探针传感器4，从而实现电容探针传感器4在超临界水流化床中使用的强度要求。底座中部连接段20与底座下部连接段23之间布置有环顶套筒21和锥面圆筒垫片22，通过底座中部连接段20与底座下部连接段23的螺纹咬合，底座中部连接段20会通过压紧环顶套筒21进而压缩锥面圆筒垫片22。由于锥面圆筒垫片22和底座下部连接段23接触面为锥形，二者接触压缩过程中会导致锥面圆筒垫片22受压变形而发生向心收缩压紧电容探针传感器4，实现电容探针在超临界水流化床中密封作用。底座下部连接段23的末端设置有定位孔与不锈钢连接管24连接，目的是为了与不锈钢连接管24保持精准同轴，使电容探针传感器4能够顺利通过不锈钢连接管24深入反应器内部。不锈钢连接管24长50cm，内径为5mm，外径为10mm，一端与底座下部连接段23通过焊接固定，另一端与超临界水流化床通过焊接固定。图3展示了本发明设计的电容探针传感器4与密封结构的装配图。经过实验验证，本发明设计的密封装置可以满足电容探针传感器4在超临界水流化床中使用的高强度固定密封要求，
保证电容探针传感器4在超临界水流化床中安全稳定工作。
[0050]
由于电容探针测量系统不是商业化的设备，目前国际上并没有专门适配电容探针传感器4的测量放大器。一般情况下，电容探针传感器4的目标电容非常微弱，往往达到了10-2pf级别，而且自制电容探针传感器4的目标电容值无法通过理论计算获得，给超临界水流化床中电容探针的目标电容信号的测量造成较大困难。此外电容探针传感器4不同于普通的两极式电容器，为三电极式电容器，复杂的结构更增加了电容探针传感器4的信号测量难度。为此，本发明电容测量放大器5为基于电容式距离测微仪标准测量系统改装而来，采用美国mti公司定制的accumeare 9000/2sp型号，配置有测量范围可调节的增益旋钮，可以实现本发明研发的电容探针传感器4目标电容的测量放大，电容探针传感器4的外壳地电极12则通过一根纯铜电缆与电容测量放大器5的接地端子连接，电容测量放大器5的输出信号可以通过数据采集卡6采集到数据处理模块7里进行后期处理。电容测量放大器5通过低噪声电缆对电容探针传感器4的中心感应电极10上施加高频交流电流源，使中心感应电极10与外壳接地电极之间通过测量区域形成了弱电流通路，中心感应电极10和外壳接地电极之间由于测量区域的电容阻抗而形成电位差，而两者之间的电场线分布即为测量区域的电场线，电容阻抗的大小会影响回路电流的强弱，进而反映出测量区域的微观特性。所测得的电容探针信号可以通过线性转换得到局部空隙率。
[0051]
所测得的电压信号可以通过线性转换得到局部空隙率，如公式所示
[0052][0053]
其中，ε是所测局部空隙率，ε
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是颗粒自然堆积状态下的空隙率，u是电容探针传感器4在超临界水流化床中的输出信号，u0是电容探针传感器4在不包含颗粒的超临界水流体中的输出信号，u
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是电容探针传感器4在颗粒自然堆积状态下的输出信号。
[0054]
以上实例仅为本发明的举例说明，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。