一种用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量探针及装置

1.本发明涉及多相流流动参数测量技术领域，特别涉及一种用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量探针及装置。


背景技术：

2.在当前涉及多相流的工业领域和多相流科学研究中，经常会涉及到高温高压狭窄通道内液位高度的测量。但在狭窄通道内，一方面液位是不断瞬时变化的，且变化幅度大，对测量精度有很高的要求；另一方面狭窄通道本身限制了大部分测量装置或探针的应用。
3.当前对液位高度测量的方法主要包括人工测量法、非接触测量法和接触式测量法。其中，人工测量法主要利用了连通器原理，但是测量精度较低。非接触测量法主要包括光反射和声波反射等原理，但测量设备的复杂程度较高，信号处理较复杂且易受环境影响。接触式测量法主要包括浮子式测量和探针式测量，其原理简单，精度高，安装不复杂，但受限于狭窄通道的结构，并且在高温高压两相流动环境中，不同深度条件下含气率测量的精度不同，目前仍没有行之有效的探针去对狭窄通道内的液位高度进行精确测量。
4.综上所述，目前亟待开发可以测量高温高压狭窄通道内液位高度的实时测量探针，以实现对狭窄通道内液位的分段高分辨率测量。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量探针及装置，解决现有技术中没有行之有效的探针去对狭窄通道内的液位高度进行精确测量的问题。
6.为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
7.本发明公开了一种用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量探针，单个所述液位测量探针装配设置在待测狭窄通道内部不与通道内壁接触，所述液位测量探针包括开槽圆筒金属外壳、填充屏蔽电极和金属电极块，其中：
8.所述开槽圆筒金属外壳由金属管从三分之一圆弧的位置开槽切割而成；
9.所述填充屏蔽电极由3d打印环氧树脂制作而成，并嵌入所述开槽圆筒金属外壳中；
10.所述金属电极块放入所述填充屏蔽电极预留的槽体中，并随所述填充屏蔽电极一同嵌入所述开槽圆筒金属外壳内。
11.进一步的，所述填充屏蔽电极截面形状与所述开槽圆筒金属外壳内侧截面相同，制作时预留放置金属电极块的槽体和导线孔。
12.进一步的，所述金属电极块放入所述填充屏蔽电极中预留的槽体内，将所述填充屏蔽电极嵌入所述开槽圆筒金属外壳，所述金属电极块外侧、屏蔽电极外侧和开槽金属圆筒切割面在同一平面内。
13.进一步的，所述金属电极块由密封胶固定在所述填充屏蔽电极内部。
14.优选的，所述开槽圆筒金属外壳与所述金属电极块均采用相同的304不锈钢制作而成。
15.进一步的，所述开槽圆筒金属外壳开槽切割过程中不发生弯曲变形，切割线不发生倾斜。
16.本发明还公开了一种用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量装置，包括上述用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量探针、信号传输导线和信号接收器，其中：
17.所述金属电极块、填充屏蔽电极和开槽圆筒金属外壳从下到上依次同轴连接并由内向外依次嵌套；
18.所述开槽圆筒金属外壳和金属电极块裸露在外部的一侧共同构成探针信号传输的两极；
19.每个所述金属电极块均与所述信号传输导线连接，经过所述填充屏蔽电极上预设的导线孔连接到所述信号接收器上。
20.本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
21.本技术提供的狭窄通道液位实时精确测量探针适用于各种狭窄通道内，实现了瞬时变化液位的实时精确测量，降低了信号转换和处理的难度，测点多、传感器灵敏度高、误差小、体积小、易安装、免维护、系统能迅速进入正常工作状态、抗静电抗干扰能力强。此外，结构简单，无需繁琐操作，仅需连接电路即可实现对狭窄通道内液位的信号采集，操作简单、适用性强。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
23.图1是本发明一种用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量探针的结构示意图；
24.图2是本发明一种用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量探针的横截面示意图。
25.【主要符号说明】
26.1-开槽圆筒金属外壳；
27.2-金属电极块；
28.3-填充屏蔽电极；
29.4-信号传输导线；
30.5-信号接收器。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例一
33.如图1和2所示，本发明公开了一种用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量探针，单个所述液位测量探针装配设置在待测狭窄通道内部不与通道内壁接触，所述液位测量探针包括开槽圆筒金属外壳1、填充屏蔽电极3和金属电极块2，其中：
34.所述开槽圆筒金属外壳1由金属管从三分之一圆弧的位置开槽切割而成。本实施例中，所述开槽圆筒金属外壳1开槽切割过程中不发生弯曲变形，切割线不发生倾斜。
35.所述填充屏蔽电极3由3d打印环氧树脂制作而成，并嵌入所述开槽圆筒金属外壳1中；
36.所述金属电极块2放入所述填充屏蔽电极3预留的槽体中，并随所述填充屏蔽电极3一同嵌入所述开槽圆筒金属外壳1内。
37.参考图2，所述填充屏蔽电极3截面形状与所述开槽圆筒金属外壳1内侧截面相同，制作时预留放置金属电极块2的槽体和导线孔。
38.进一步的，所述金属电极块2放入所述填充屏蔽电极3中预留的槽体内，将所述填充屏蔽电极3嵌入所述开槽圆筒金属外壳1，所述金属电极块2外侧、屏蔽电极外侧和开槽金属圆筒切割面在同一平面内。
39.进一步的，所述金属电极块2由密封胶固定在所述填充屏蔽电极3内部，实现结构的稳定。本实施例中，所述金属电极块2数量和尺寸可以根据实际测量需求和测量精度进行更改。
40.优选的，所述开槽圆筒金属外壳1与所述金属电极块2均采用相同的304不锈钢制作而成。
41.本实施例中，为了获得最佳的测量数据，所述开槽圆筒金属外壳1外径4mm，长1m。所述金属电极块2长2mm，宽1mm，高度为200mm。
42.实施例二
43.如图1和2所示，本发明还公开了一种用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量装置，包括上述用于高温高压狭窄通道内液位分段实时测量探针、信号传输导线4和信号接收器5，其中：
44.所述金属电极块2、填充屏蔽电极3和开槽圆筒金属外壳1从下到上依次同轴连接，安装过程由内向外依次嵌套，构成测量探针主体；
45.所述开槽圆筒金属外壳1和金属电极块2裸露在外部的一侧共同构成探针信号传输的两极；
46.每个所述金属电极块2均与所述信号传输导线4连接，经过所述填充屏蔽电极3上预设的导线孔连接到所述信号接收器5上，实现信号的传输与接收。
47.以下结合液位测量探针的运行原理对本技术做进一步详细阐述：
48.(1)电路工作原理：
49.开槽圆筒金属外壳1和金属电极块2作为电路的两极，与通道内的液体共同构成通路，使电路保持连通。当有两个以上金属电极块2接触到水时，这些金属电极块2各自形成的回路并联在一起。开槽圆筒金属外壳1、金属电极块2与共同接触到的通道内的水共同形成一个回路。当通道内的液位高度发生变化时，液位对应所在的金属电极块2与水的接触长度
改变，该金属电极块2所在回路的电阻值由于接触到的液体的体积变化而改变，输出电流信号值的变化与电阻值的改变呈线性关系，实现了输出电流信号值与液位高度之间的线性关联。每个所述金属电极块2对应的回路均独立运行，每个回路在实际测量过程中均输出一个电信号值，最终液位高度为所有金属电极块2对应回路电信号转换后的高度值之和。本实例中通过标定实验得到电流输出信号值与高度值的对应关系式，每个金属电极块2均需要单独标定。因此，探针测量的工作过程为电源输出电信号，经过待测液体，输出每个金属电极块2的电流信号值存储到计算机中，带入到标定后的转换公式得出实际液位高度。根据具体实例，可以规定采集数据的帧数。
50.(2)标定基底值：
51.测量通道内液位高度之前，将液位测量探针置于已知液位高度的标定模型，然后使采集过程保持规定的帧数。对采集的信号取平均值，计算式如下：
[0052][0053]
式中：i为采集的初始信号电流(单位a)；i0为初始信号电流平均值；k为采集帧数，n为总帧数。
[0054]
当液位与金属电极块2不接触，则该金属电极块2对应回路电信号值为零信号值，液位没过的金属电极块2所对应回路输出电信号值为满信号值，零信号与满信号分别对应金属电极块2底部和顶部的高度值。由此可以得到该金属电极块2的标定关系式，对所有金属电极块2进行重复标定实验得到总关系式。
[0055]
(3)在实际测量过程中，通过存储记录的所有金属电极块2的电信号值，一一对应转换为实际高度值，最终液位高度为这些实际高度值之和。
[0056]
本实施例提供的狭窄通道内液位分段实时测量探针适用于各种狭窄通道高温高压环境，实现了瞬时变化液位的实时精确测量；降低了信号转换和处理的难度；测点多、传感器灵敏度高、误差小、体积小、易安装、免维护、系统能迅速进入正常工作状态、抗静电抗干扰能力强。结构简单，无需繁琐操作，仅需连接电路即可实现对狭窄通道内液位的信号采集，操作简单、适用性强。
[0057]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。