电导传感器、适用于倾斜壁面液膜的厚度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及核反应堆安全分析技术领域，具体地，涉及一种电导传感器、适用于倾斜壁面液膜的厚度测量系统及方法。

背景技术

第三代压水核反应堆AP1000采用了高安全性、高可靠性的非能动安全壳冷却设计。其中最为重要的一环便是通过安全壳上方的水箱将冷却水喷淋在安全壳顶部，喷淋的冷却水在安全壳外部形成流动的液膜，通过自然循环将安全壳的温度保持在一定的范围。AP1000安全壳顶部呈倾斜结构，上部喷淋的冷却水经过该倾斜结构后形成液膜并覆盖这个安全壳。液膜吸收安全壳的热量后蒸发造成液膜厚度减薄和干涸。另外，安全壳上的结构可能导致液膜撕裂。液膜的厚度及其分布特性对喷淋冷却水的质量流速、倾斜角、安全壳外表面温度等较为敏感。倾斜壁面的液膜厚度分布直接影响非能动能安全壳冷却系统的散热能力，局部区域的液膜蒸干或撕裂可能导致安全壳构件的破坏。液膜厚度在0.5-5mm之间，测量整个倾斜壁面的液膜厚度分布具有一定的技术难度。

同时，现阶段出现过的液膜厚度分析方法包括激光测量、电导探头测量和高速摄影测量等方法。激光测量要求激光器覆盖整个倾斜面，因此要求激光器功率高、波段稳定，这无疑增加了测量的硬件成本。并且，激光器测量本身具有高危险性。电导探头相对安全、易操作，并且测量精度也比较高。但是，电导探头相对安全、易操作，并且测量精度也比较高。但是，电导探头属于接触式点测量，探头的尺寸相对于液膜厚度过于庞大，对液膜流动造成的较大的干扰。高速摄影测量液膜厚度需要在倾斜壁面布置标度尺，通过标度尺对图像进行校正，从而获得正确的液膜厚度。这种方法的误差较大，并且无法做到全场的液膜厚度分布。

经过检索，专利文献CN106403800A公开了一种电容式气液两相分离流液膜分布测量装置，主要包括电容探针，液相电极，固定环，电容测量模块以及信号采集计算机。若干个电容探针通过固定环在管道的横截面上呈放射状布置，可以实现对管道横截面不同位置上的液膜分布的准确测量。该现有技术的不足之处在于电容探针也是属于接触式点测量，探针的尺寸相对于液膜厚度过于庞大，对液膜流动造成的较大的干扰。

因此，亟需研发设计一种能够用于倾斜壁面液膜厚度测量的电导式传感器，并且准确测量整个倾斜壁面的液膜厚度分布对核反应堆安全分析的装置及测量方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电导传感器、适用于倾斜壁面液膜的厚度测量系统及方法，通过以PCB板上的电导式传感器测量倾斜壁面上液膜的电导信号，进而获得整个倾斜壁面的液膜厚度分布。

根据本发明提供的一种电导传感器，包括：PCB板和多个传感器单元体，多个传感器单元体分布在PCB板上；其中，单个传感器单元体部包括相互垂直的电导线和电导线末端的电导片，一部分电导线位于PCB板的正面，另一部分电导线位于PCB板的背面，电导片贯穿设置于PCB板。

优选地，电导线包括发射极电路和接收极电路，电导片包括发射极探头和接收极探头，发射极探头与发射极电路导通，接收极探头与接收极电路导通。

优选地，相邻的传感器单元体的电导线在PCB板正、反面上的布置方式完全相反。

优选地，当单个传感器单元体被激活时，电导信号经过发射极电路被接收极电路捕获。

优选地，多个传感器单元体串联排列成矩阵。

优选地，还包括信号放大器和取样保持电路，串联在同一行的传感器单元体与发射极电路接通，间歇性接通不同行的发射极电路，产生的电导信号经信号放大器和取样保持电路被采集。

根据本发明提供的一种适用于倾斜壁面液膜的厚度测量系统，包括上述的电导传感器。

优选地，当适用于倾斜壁面液膜的厚度测量系统处于工作状态时，将PCB板的一个面用于电导信号测量，另一面进行绝缘处理。

优选地，还包括流量分配器、入口节流板、出口节流板、第一蓄水箱、废水箱和数据采集端，流量分配器的一端与第一蓄水箱串联，流量分配器的另一端与入口节流板相连，电导传感器设置在入口节流板和出口节流板之间，出口节流板与废水箱相连接。

根据本发明提供的一种适用于倾斜壁面液膜的厚度测量方法，包括如下步骤：

步骤S1：将相互垂直的电导线分别焊接在PCB板的两个面，在电导线末端焊接电导片，电导片贯穿PCB板用于传输电导信号；

步骤S2：将步骤S1中构成的传感器单元体排成矩阵，同一行或者列的传感器单元体分别与发射极电路和接收极电路串联；

步骤S3：将电导传感器放置在设定阈值高度的窄矩形通道中进行标定，向窄矩形通道灌满流动介质，此时，电导传感器被对应阈值高度的厚度的液膜浸没，接通发射极电路，记录电导信号值；

步骤S4：重复步骤S3，获得不同厚度的液膜对应的电导信号值G；

步骤S5：根据William关系式，液膜厚度h与电导信号值G之间的关系式为：

其中，D

步骤S6：将步骤4所获得的数据带进步骤5所述的关系式中，计算出电极矩阵修正系数α和β；

步骤S7：当液膜经过电导传感器时，将电导G代入步骤5所述的关系中，即可计算出对应的液膜厚度h。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过以PCB板作为数据采集系统的载体，以PCB板上的电导片作为数据采集点，能够实现测点数量多，空间分辨率高。

2、本发明基于丝网探针传感器改造而来，相比于原型丝网探针，没有悬空的不锈钢丝结构，实现了真正意义上的无扰动。

3、本发明中采用PCB电路板造价低廉，仪器的成本低于激光测量法、高速摄影测量法等所需的专用仪器。

4、本发明基于电导式信号采集的方式来测量倾斜壁面上的液膜厚度，数据采样频率高。

5、本发明设计了一套专门的校正系统，将真实的液膜厚度和采集的液膜厚度进行对比和校正，校正后的液膜厚度测量系统精确度较高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中适用于倾斜壁面液膜的厚度测量系统的整体结构示意图；

图2为本发明中电导式传感器的测量原理图；

图3为本发明中单个电导式传感器单元体的结构示意图；

图4为本发明中用于对倾斜壁面液膜厚度和电导信号标定系统结构示意图。

图中：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图3所示，本发明提供了一种电导传感器，包括PCB板201和多个传感器单元体，多个传感器单元体分布在PCB板201上；单个传感器的单元体包括两条电导线和四个电导片。两条电导线相互垂直，分别位于PCB板201的正面和背面。实线为PCB板201正面的电导线，虚线为PCB板201背面的电导线。图3中圆形代表电导片，电导片位于电导线的两端。所有电导片贯穿PCB板201，将实心圆的电导片也就是发射极探头202与发射极电路204导通，空心圆的电导片也就是接收极探头203与接收极电路导通。图3中共有4个单元体，为了避免信号串扰，相邻的单元体正反面的电导线布置方式完全相反(对于相互平行的两条电导线，其中一条电导线位于PCB板正面，则另一条电导线布置在PCB板背面)。当单个传感器单元体被激活时，电导信号经发射极电路204被接收极电路205捕获，电导信号与液膜厚度相关。

如图2所示，多个传感器单元体排成矩形，覆盖整个倾斜壁面。图2为一个4×4电极矩阵。将同一行的发射极探头202串联，并与发射极电路204连通；将同一列的接收极探头203与接收极电路205连通。在PCB板201的背面作绝缘处理，避免电导信号受到干扰。将PCB板201正面没有电导线或电导片的区域进行数控喷漆处理，保持PCB板201正面光滑。图中共有S

如图4所示，对电导传感器2进行标定。将PCB板201固定在窄矩形通道15的内壁面上，窄矩形通道15的高度为h，通过屏蔽泵12将第二蓄水箱11中的水注入窄矩形通道15，通过上部除气孔14排除不凝性气体。此时，电导传感器被厚度为h的液膜覆盖，采集电导信号值。按Williams关系式，液膜厚度h与当地液膜的电导信号值GG关系为：

其中，D

如图1所示，本发明还提供了一种适用于倾斜壁面液膜的厚度测量系统，还包括流量分配器3、入口节流板4、出口节流板5、第一蓄水箱6、废水箱7、主管路截止阀8、旁通管路截止阀9和数据采集端10，流量分配器3的一端与第一蓄水箱6串联，流量分配器3的另一端与入口节流板4相连，电导传感器2设置在入口节流板4和出口节流板5之间，出口节流板5与废水箱7相连接。

具体地，将PCB板201安装在倾斜壁面1上。第一蓄水箱6中的水在重力势能的作用下，流经过流量分配器3和入口节流板4，最终进入倾斜壁面1并铺展为液膜。由于PCB板201正面经过喷漆处理，因此液膜掠过PCB板201时受到的扰动可以忽略不计。通过计算机测量液膜流经倾斜壁面1时，单元体产生的电导信号，将电导信号代入William关系式，进而计算出液膜的厚度。改变主管路截止阀8和旁通管路截止阀9两者的开度和倾斜壁面1的倾斜角，即可获得不同质量流速和倾斜角条件下液膜的分布规律。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。