本發(fā)明涉及應用于兩相流顆粒流動參數(shù)測量的靜電層析成像(est)系統(tǒng)前端傳感器結(jié)構(gòu)設計部分，具體說是一種具有雙層16電極的陣列式靜電傳感器的敏感電極形狀、尺寸、分布以及安裝固定的新型結(jié)構(gòu)設計。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有應用于兩相流顆粒流動參數(shù)測量的靜電層析成像(est)系統(tǒng)中，其前端靜電傳感器按測量原理可分為感應式和直接電荷傳遞式兩種，對應的有非接觸式和接觸式兩種結(jié)構(gòu)的靜電傳感器。其中感應式靜電傳感器不與流動的顆粒發(fā)生直接接觸，而是利用靜電感應原理來實現(xiàn)對靜電荷的檢測。直接電荷傳遞式靜電傳感器則與流動的顆粒直接接觸，利用顆粒在管道中運動時與靜電傳感器的測量探頭之間接觸、分離導致電荷的傳遞以及靜電感應產(chǎn)生的綜合效應實現(xiàn)靜電荷的檢測。基于這兩種原理工作的靜電傳感器，都可以獲取包含了多種顆粒流動參數(shù)信息的靜電荷信號，對靜電傳感器獲取的信號進行檢測并且加以適當?shù)男畔⑻幚矸椒?，即可獲得兩相流顆粒流型、流速等流動參數(shù)的信息。

在現(xiàn)有兩相流顆粒流動參數(shù)測量系統(tǒng)中，所采用的靜電傳感器可實現(xiàn)的測量功能較為單一。在靜電層析成像(est)系統(tǒng)中，主要需要對氣固兩相流顆粒的流型進行測量。對于傳統(tǒng)的接觸式結(jié)構(gòu)如探針和環(huán)狀電極形式的靜電傳感器而言，一般無法獲得氣固兩相流顆粒的流型。如圖1～圖3所示，電極結(jié)構(gòu)形式分別為探針電極、外置式環(huán)狀電極和內(nèi)嵌式環(huán)狀電極，這幾種電極形式都很難測得氣固兩相流顆粒的流型。目前測量氣固兩相流顆粒流型主要采用的是非接觸式的分塊電極靜電傳感器，如圖4所示。而應用于est系統(tǒng)的分塊電極形式靜電傳感器通常為單層8電極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的靜電傳感器一次測量過程中只能獲取8個獨立信號量，存在著獲取有效信息量少，參數(shù)測量不夠準確的缺陷。應用于后續(xù)的顆粒流型圖像重建時，會使得重建圖像分辨率過低，成像質(zhì)量不好，此外，該種結(jié)構(gòu)的傳感器也無法有效應用于兩相流顆粒的流速、流量等參數(shù)的測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種雙層16電極靜電成像敏感陣列傳感器的電極形狀、尺寸、分布以及安裝固定的新型結(jié)構(gòu)設計，與相應的信號采集電路配套使用，提高了est系統(tǒng)顆粒流型重建圖像的分辨率，使得傳感器同時能夠?qū)崿F(xiàn)對兩相流顆粒的流速、流量等參數(shù)進行測量的功能。

為達到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種雙層16電極靜電成像敏感陣列傳感器結(jié)構(gòu)設計，包括傳感器主體、上法蘭盤、下法蘭盤和敏感電極；

所述傳感器主體為空心的圓柱狀結(jié)構(gòu)；

所述傳感器主體的上端和下端分別采用法蘭連接，傳感器主體的上端連接有上法蘭盤，傳感器主體的下端連接有下法蘭盤；

所述傳感器主體的內(nèi)壁上沿圓周設有兩層敏感電極，每層敏感電極的數(shù)量為16個；所述兩層敏感電極上下平行。

在上述方案的基礎上，所述傳感器主體的外徑為100mm，內(nèi)徑為80mm，管壁厚度為10mm，長度為200mm。

在上述方案的基礎上，所述上法蘭盤的外徑為160mm，內(nèi)徑為80mm，上法蘭盤厚度為30mm；上法蘭盤設有四個過孔，四個過孔的直徑均為22mm，過孔中心距離上法蘭盤的外緣15mm；

所述下法蘭盤的外徑為160mm，內(nèi)徑為80mm，下法蘭盤厚度為30mm；下法蘭盤設有四個過孔，四個過孔的直徑均為22mm，過孔中心距離下法蘭盤的外緣15mm。

在上述方案的基礎上，所述敏感電極包括極板和連接桿；連接桿固定于極板的中心位置；極板為方形，極板的尺寸為10mm×10mm，極板的厚度為1mm；連接桿為圓柱形，長度為20mm，直徑為3mm，連接桿上端長度為12.5mm的一段的外部為m3的螺紋形。

在上述方案的基礎上，所述上層敏感電極的中心距離上法蘭盤的下沿75mm，下層敏感電極的中心距離法蘭盤的上沿75mm，兩層敏感電極的中心間距為50mm。

在上述方案的基礎上，所述敏感電極安裝于傳感器主體上時覆蓋角為14.36°。

在上述方案的基礎上，所述上法蘭盤、下法蘭盤和傳感器主體是采用同材質(zhì)的材料一體加工形成。

在上述方案的基礎上，所述傳感器主體的制作材料為聚四氟乙烯材料。

在上述方案的基礎上，所述敏感電極的制作材料為金屬鈦。

在上述方案的基礎上，所述敏感電極的制作材料為優(yōu)質(zhì)不銹鋼1cr18ni9ti。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明所述的雙層16電極靜電成像敏感陣列傳感器具有雙層16陣列電極結(jié)構(gòu)，應用于est系統(tǒng)時，能夠在一次的信號采集過程中傳感器的單截面域內(nèi)可同時獲取16個有效數(shù)據(jù)，并且信號采集結(jié)果較好，能夠較大地提升est系統(tǒng)的重建圖像分辨率及成像質(zhì)量。同時，采用的雙層敏感電極結(jié)構(gòu)可以擴展傳感器的測量功能，使得所設計的靜電成像敏感陣列傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)除兩相流顆粒流型測量外，還可通過互相關(guān)技術(shù)，對兩相流顆粒的流速以及流量等參數(shù)進行測量。因此該傳感器的使用能夠提高est系統(tǒng)的成像質(zhì)量以及測量的多用途和實用性。

附圖說明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1現(xiàn)有技術(shù)中探針電極示意圖；

圖2現(xiàn)有技術(shù)中外置式環(huán)狀電極示意圖；

圖3現(xiàn)有技術(shù)中內(nèi)嵌式環(huán)狀電極示意圖；

圖4現(xiàn)有技術(shù)中分塊電極示意圖；

圖5est系統(tǒng)的原理示意圖；

圖6本發(fā)明所述的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7本發(fā)明所述的傳感器的剖視圖；

圖8本發(fā)明所述的傳感器的俯視圖；

圖9本發(fā)明所述的敏感電極結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10圖9的a-a剖視圖；

圖11圖9的c-c剖視圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖6～圖11所示，本發(fā)明中提供了一種雙層16電極靜電成像敏感陣列傳感器結(jié)構(gòu)設計，其電極形狀、尺寸、分布與安裝固定的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須經(jīng)過嚴格計算和模擬仿真研究才能得出。得出上述尺寸和參數(shù)所使用的仿真軟件為comsol。該雙層16電極的陣列式靜電傳感器與配套的信號采集電路連接能夠在一次采集過程中獲取16個獨立的有效測量信號，對用于后續(xù)的顆粒流型圖像重建，可提高顆粒流型重建圖像的分辨率，同時采用的雙層16電極結(jié)構(gòu)，運用互相關(guān)技術(shù)，還可以用于測量兩相流顆粒的流速、流量等參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種參數(shù)測量功能。

本發(fā)明是基于如圖5所示est系統(tǒng)的，其中前端靜電傳感器及其采集電路作為系統(tǒng)獲取信息量的源頭，是est系統(tǒng)中最重要的一部分。在本發(fā)明中，設計了一種具有雙層16電極結(jié)構(gòu)的陣列式敏感電極靜電傳感器，在對其結(jié)構(gòu)尺寸、電極分布和管道尺寸及電極材料以及顆粒流動特性進行綜合計算與仿真研究基礎上，設計出了該新型傳感器。

在est系統(tǒng)中，為提高單次采集過程中截面數(shù)據(jù)獲取有效信息量，在所設計的靜電傳感器中，單層采用了16電極結(jié)構(gòu)，而為了擴展靜電傳感器的測量功能，采用了雙層陣列電極設計，這為信號的互相關(guān)提供了條件。

本發(fā)明所述傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6～圖8所示。包括傳感器主體、上法蘭盤、下法蘭盤和敏感電極；

傳感器主體采用的是圓柱狀結(jié)構(gòu)，為了方便工業(yè)現(xiàn)場的安裝連接，傳感器主體的上端和下端分別采用了法蘭連接，傳感器主體的上端連接有上法蘭盤，傳感器主體的下端連接有下法蘭盤；

所述傳感器主體的內(nèi)壁上沿圓周設有兩層敏感電極，每層敏感電極的數(shù)量為16個；所述兩層敏感電極上下平行。

傳感器主體部分的柱體外徑為100mm，內(nèi)徑為80mm，管壁厚度為10mm，傳感器主體長度為200mm。上法蘭盤的外徑為160mm，內(nèi)徑為80mm，厚度為30mm；上法蘭盤設有四個過孔，四個過孔直徑均為22mm，過孔中心距離上法蘭盤的外緣15mm；所述下法蘭盤的外徑為160mm，內(nèi)徑為80mm，下法蘭盤厚度為30mm；下法蘭盤設有四個過孔，四個過孔的直徑均為22mm，過孔中心距離下法蘭盤的外緣15mm。上法蘭盤、下法蘭盤與傳感器主體是同材質(zhì)的材料一體加工出來。

敏感電極的結(jié)構(gòu)如圖9～圖11所示，所述敏感電極包括極板和連接桿；連接桿固定于極板的中心位置；極板為方形，敏感電極的極板尺寸為10mm×10mm，極板厚度為1mm；連接桿為圓柱形，長度為20mm，直徑為3mm，其中連接桿上端長度為12.5mm的一段的外部為m3的螺紋形。

由圖7可知，兩層陣列電極安裝在傳感器主體的中間部位，上層敏感電極的中心距離上法蘭盤的下沿75mm，下層敏感電極的中心距離下法蘭盤的上沿75mm，兩層敏感電極的中心間距為50mm，敏感電極安裝于傳感器主體上時覆蓋角為14.36°。

傳感器主體的制作材料為聚四氟乙烯；敏感電極的制作材料為金屬鈦，也可用優(yōu)質(zhì)不銹鋼如1cr18ni9ti替代。

本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。