一种由真空镀膜电极和接触式导线连接方案构成的低温流体相分布测量装置

技术领域

本发明涉及低温制冷工程技术，流体流动过程监测及传感器科学技术领域，尤其涉及一种由真空镀膜电极和接触式导线连接方案构成的低温流体相分布测量装置。

背景技术

低温流体极易出现气液两相流，如液氢液氧推进剂加注过程形成的Taylor气泡、发动机涡轮泵的空化现象以及LNG卸载时的局部沸腾等。两相流使得流动和传热机理复杂，导致水击及压力升高等，增加过程的不确定性，甚至危害系统稳定运行和安全。因此实时监测低温流体相分布对深入研究两相流传热和流动机理有重要意义，也是保证工业系统稳定高效运行的重要参数。

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)是一种非侵入、非接触、低成本的相分布、体积分数测量技术，已被广泛应用于石油工业、流化床、火焰检测等领域，并且由于其漏热小，且适用于微重力环境等优势，在推进剂储罐监测、LNG转注管道测量具有极大的应用潜力。不同于室温流体气液介电常数差别较大，低温流体液-气介电常数比普遍小于1.5，成像结果对于测量噪声极为敏感，对极片的布置精度有着很高的要求，为了保证有较好的成像效果，因此要求ECT系统各模块具有较高的灵敏度和抗噪声干扰能力。

传统的传感器制作方法通常是将铜片或铜箔粘合在非金属表面，随后将屏蔽线焊接于铜箔表面并引出到传感器外。这种方法存在的弊端包括：由于极片厚度较大引发电极电场的边缘效应，同时增加杂散电容的干扰；由于金属极片与绝缘测量管道膨胀系数不同，在低温应用场景下易产生极片褶皱、空腔甚至脱落现象；由于低温下导线失去柔性，以及不同材料膨胀系数的差异，在屏蔽线与极片焊接处存在应力，引起导线脱落或极片的破坏。

发明内容

本发明提供一种由真空镀膜电极和接触式导线连接方案构成的低温流体相分布测量装置，该装置将传感器极片附着于测量管道表面进而形成一个整体，并且利用压紧装置将导电钉紧固于极片表面实现电路的导通，有效避免了低温环境下传感器电极的褶皱以及焊点的脱落。该装置具有非侵入式的特点，结构简单，可快速拆装，作为模块化结构方便与系统其他管路通过法兰连接；可用于从室温到深低温的较大温度区段，多次大幅度温度循环不影响测量精度；传感器为机械化制造，极片极薄且几何误差小，杂散电容较少，提升低温流体两相流相分布测量精度。本发明的技术方案如下：

本发明首先提供了一种由真空镀膜电极和接触式导线连接方案构成的低温流体相分布测量装置，其特征在于，包括：法兰、屏蔽线插头、屏蔽罩、绝缘测量管道、前支撑件、压紧支撑件、后支撑件、信号导电钉、极片、轴向屏蔽以及屏蔽导电钉；

所述绝缘测量管道为两端打通的圆管状直管，缘测量管道两端均设置有法兰以及环状的轴向屏蔽；绝缘测量管道表面通过真空镀膜的方式镀有环向均匀分布的多个极片；屏蔽罩为两个半圆筒状外壳构成的管道，屏蔽罩的一端安装有与极片数量相同的屏蔽线插头；屏蔽罩通过紧固螺柱、前支撑件和后支撑件固定在绝缘测量管道外部；所述压紧支撑件固定在绝缘测量管道外部并将极片压紧，压紧支撑件上开设有与极片数量相同的沉孔；与极片数量相同的带有焊接孔的信号导电钉嵌入压紧支撑件上对应的沉孔中，信号导电钉尾部通过屏蔽线与屏蔽线插头进行连接；屏蔽罩、前支撑件、压紧支撑件、后支撑件与绝缘测量管道同轴设置，信号导电钉与极片接触，屏蔽导电钉与轴向屏蔽接触，所述轴向屏蔽可拆卸地固定在绝缘测量管道外周壁上，屏蔽罩两端将轴向屏蔽完全覆盖。

作为本发明的优选方案，前支撑件、后支撑件均为聚四氟乙烯材质的半圆环形结构，内环半径等于绝缘测量管道外径，内外环弧度略小于180°。

作为本发明的优选方案，压紧支撑件和信号导电钉被两个半圆拱面的屏蔽罩覆盖，紧固穿过屏蔽罩边缘螺栓孔的螺栓使得信号导电钉与极片保持贴合。

作为本发明的优选方案，屏蔽线插头为同轴结构，中心导线传输信号，外部金属套筒用于连接和固定，二者之间填充有绝缘材料。使用时外金属导体部分直接与屏蔽罩导通。

本发明还提供了一种上述的低温流体相分布测量装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将绝缘测量管道通过法兰连接在待测管路上，将极片通过真空镀膜的方式镀在绝缘测量管道的表面；

2)将压紧支撑件固定在绝缘测量管道外部并将极片压紧；与极片数量相同的带有焊接孔的信号导电钉嵌入压紧支撑件上对应的沉孔中；并将前支撑件和后支撑件设置在待测管路的前后两侧；

3)在绝缘测量管道的两端设置环状轴向屏蔽并将屏蔽罩固定在绝缘测量管道外部，屏蔽罩两端将轴向屏蔽完全覆盖且屏蔽罩上的屏蔽导电钉与轴向屏蔽保持贴合；

4)通过屏蔽线将所述低温流体电容层析成像装置和外部电脑进行连接；

5)先向绝缘测量管道内通入冷氮气以完成装置的预冷，以防骤冷导致脆裂；预冷过程中，缓缓拧紧紧固螺柱，以抵消各个支撑件在低温下的收缩，防止导电钉松动；

6)预冷后，向绝缘测量管道中通入低温流体，依次激励极片并采集电容信号，通过屏蔽线将电容信号传输至电脑中进行相分布反演。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置，传感器极片和轴向屏蔽通过图形化定制掩膜板及真空镀膜的方式实现机械化生产，制造精度高、误差小，解决了安装中极片几何尺寸与相对位置难以控制的问题，降低了使用成本。

2、本发明的一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置，极片与测量管道的一体化设计可以有效避免电极在低温应用场景下的褶皱与空腔，避免因此引入的杂散电容干扰测量结果，实现多次大幅度温度循环中的重复使用。

3、本发明中的一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置，通过导电钉与极片接触的方式实现电信号的传输，避免了低温下导线、极片收缩应力对连接处的影响，同时避免了管道与线缆的刚性连接，拆装简易，便于维护、更换装置中的各个部件。

附图说明

图1为本发明一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置的等轴测视图。

图2为本发明一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置的主视图。

图3为本发明一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置在不装配法兰情况下的左试图。

图4为本发明一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置在不装配法兰情况下的A-A截面剖面图。

图5为本发明一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置在不装配法兰和屏蔽罩情况下的等轴测视图。

图6为本发明一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置在不装配法兰和屏蔽罩情况下的正视图。

图7为本发明一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置在不装配法兰和屏蔽罩情况下的B-B截面剖面图。

图8为本发明一种基于真空镀膜的低温流体电容层析成像装置中绝缘测量管道、极片、轴向屏蔽、信号导电钉和屏蔽导电钉的等轴测试图。

图9为本发明具体实施案例中所测试的液氮两相流反演结果。

图中：1，法兰，2、屏蔽线插头，3、屏蔽罩，4、绝缘测量管道，5、紧固螺柱，6、前支撑件，7、压紧支撑件，8、后支撑件，9、信号导电钉，10、极片，11、轴向屏蔽，12、屏蔽导电钉。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图5和图6所示所示，本发明的一种由真空镀膜电极和接触式导线连接方案构成的低温流体相分布测量装置，包括法兰1、屏蔽线插头2、屏蔽罩3、绝缘测量管道4、紧固螺柱5、前支撑件6、压紧支撑件7、后支撑件8、信号导电钉9、极片10、轴向屏蔽11和屏蔽导电钉。

如图2和图3所示，绝缘测量管道4为带两端打通圆管状直管，两端均设置有法兰1；如图8所示，绝缘测量管道4表面镀有环向均匀分布的多个长方形极片10，以及两个环状轴向屏蔽11；如图4所示，屏蔽罩3为两个半圆筒状，由金属薄壁制成，一端通过螺纹安装与极片10数量相同的屏蔽线插头2，并通过紧固螺柱5与两个半圆形前支撑件6和两个半圆形后支撑件8固定；如图7所示，与极片10数量相同的带有焊接孔的信号导电钉9嵌入压紧支撑件7上对应的沉孔中，信号导电钉9顶端平台厚度略大于沉孔深度，信号导电钉9尾部通过屏蔽线与屏蔽线插头2进行连接；屏蔽罩3、前支撑件6、压紧支撑件7、后支撑件8与绝缘测量管道4同轴配合，信号导电钉9与极片10接触，轴向屏蔽11可拆卸地固定在管道外周壁上，屏蔽罩3的两端将轴向屏蔽11完全覆盖。

本发明还提供了一种应用低温流体相分布测量装置的成像方法，包括以下步骤：

1)将绝缘测量管道通过法兰连接在待测管路上，将极片通过真空镀膜的方式镀在绝缘测量管道的表面；

2)将压紧支撑件固定在绝缘测量管道外部并将极片压紧；与极片数量相同的带有焊接孔的信号导电钉嵌入压紧支撑件上对应的沉孔中；并将前支撑件和后支撑件设置在待测管路的前后两侧；

3)在绝缘测量管道的两端设置环状轴向屏蔽并将屏蔽罩固定在绝缘测量管道外部，屏蔽罩两端将轴向屏蔽完全覆盖且屏蔽罩上的屏蔽导电钉与轴向屏蔽保持贴合；

4)通过屏蔽线将所述低温流体电容层析成像装置和外部电脑进行连接；

5)先向绝缘测量管道内通入冷氮气以完成装置的预冷，以防骤冷导致脆裂；预冷过程中，缓缓拧紧紧固螺柱，以抵消各个支撑件在低温下的收缩，防止导电钉松动；

6)预冷后，向绝缘测量管道中通入低温流体，依次激励极片并采集电容信号，通过屏蔽线将电容信号传输至电脑中进行相分布反演。

在本专利的一个具体实施方案中，采用8电极成像方案，低温工质为1atm下饱和液氮-氮气(77K)，极片10及轴向屏蔽11通过真空镀膜的方式附着在绝缘测量管道4外壁面，管道由石英玻璃管制成，外壁直径60mm，膜层材料为金属铬，具有较高的硬度以及良好的抗氧化能力，绝缘测量管道通过法兰1接入液氮管路中。

在本专利的一个具体实施方案中，前支撑件6、后支撑件8均为聚四氟乙烯半圆环形结构，在低温下仍有较好的力学性能，通过数控机床加工而成，前支撑件6留有屏蔽线插头通孔和螺栓通孔，后支撑件8留有螺栓通孔，内环半径等于绝缘测量管道4外径，内外环弧度略小于180°，二者通过螺栓与屏蔽罩固定，将屏蔽导电钉12插入前后支撑件的径向沉孔，尾端焊接导线，另一端利用接线端子固定于螺柱5，实现轴向屏蔽与屏蔽罩的导通。

在本专利的一个具体实施方案中，屏蔽线插头2采用SMB-JY射频连接器，穿过前支撑件6的通孔通过螺母固定于屏蔽罩3，并且屏蔽线插头2外导体部分直接与屏蔽罩3导通，使得在测量时屏蔽罩3和轴向屏蔽11接地，屏蔽线插头2一端连接SMB母头，另一端焊接屏蔽线，屏蔽线型号为RG316。

在本专利的一个具体实施方案中，屏蔽线穿入压紧支撑件7的轴向通孔并与信号导电钉9进行焊接，压紧支撑件7材料为聚四氟乙烯，信号导电钉为黄铜镀金，信号导电钉9插入压紧支撑件7的径向沉孔。

在本专利的一个具体实施方案中，将装配好的上下各半屏蔽罩、前支撑件、后支撑件、压紧支撑件、屏蔽线安装于绝缘测量管道外壁上，紧固穿过屏蔽罩3边缘螺栓孔的螺栓使得信号导电钉9与极片10、屏蔽导电钉12与轴向屏蔽11保持贴合。在实际工作时，需先进冷氮气以完成装置的预冷，以防骤冷导致脆裂，预冷过程中，缓缓拧紧紧固螺柱，以抵消各个聚四氟乙烯支撑件在低温下的收缩，防止导电钉松动。

在本专利的一个具体实施方案中，通过屏蔽线将传感器与电容测量和成像系统连接，屏蔽罩和轴向屏蔽保持接地的情况下，依次激励各个极片获得28个独立电容测值，采用传统Landweber迭代方法以及深度学习算法重建不同液面高度下的相分布图像，深度学习算法是一种混合神经网络结构，包括由transformer模块构成的预成像网络和由ConvNeXt构成的图像增强网络，通过包含18000个不同流型样本的数据集训练得到最佳模型，可有效解决图像重建的非线性误差和软场问题，反演结果如图9所示。结果表明，根据本专利所设计的结构，电容传感器可对绝缘测量管道内管低温流体相分布进行反演，且能够得到清晰的相边界。

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。