CN108845005A - 适用于加热平板通道两相流动的嵌入式空泡测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及加热平板通道内气液两相流动测量仪器领域，公开了一种嵌入式空泡测量传感器，包括发射电极板、接收电极板和绝缘基体，所述基体嵌入至流体管壁内表面中，在所述基体的表面设有均匀排列、相互正交、宽度相等的导线槽，在所述导线槽内设有导体材料，所述发射电极板和接收电极板互成90度固定安装在基体的相应导线槽上。本发明实现了将空泡测量方法由侵入式测量改进为非侵入式测量，测量结果为原有的流场信息、提高了准确性，还改进电极丝形式，降低对电极材料强度要求，而且非常不容易变形，使用稳定。
Description
技术领域
本发明涉及加热平板通道内气液两相流动测量仪器领域，尤其涉及一种嵌入式空泡测量传感器。
背景技术
平板通道在换热器制作等诸多领域内均有应用。近年来，科研工作者针对平板通道展开了大量基础性研究，对其通道内两相流动传热的研究有助于解决诸多工程性以及机理性问题，例如平板通道沸腾传热机理研究、强化沸腾传热研究等。空泡份额、气泡速度等参数是上述研究的基础。因此，该类型通道内气液两相流的气相份额及气泡速度等参数的准确快速测量是一项重要的研究课题。
现有的平板通道内测量两相流动的方法主要包括了可视化测量、光纤探针测量、电导率探针法、金属网格传感器测量等。其中，可视化测量法是利用高速相机等设备，对流场进行拍照测量，然后对得到的图像进行处理得到流场信息；光纤探针法利用气相和液相对光的折射率的不同，通过对强度不同的反射光强信号进行分析，从而得到探针附近流体的流动状况；电导率探针法是利用流体含气率的不同对流体电导率的影响，通过探针对流场进行测量。
可视化测量由于需要流道测量区域为透明可视，而在高压条件下，出于结构强度原因，流道无法使用透光材料制造，因此，可视化测量无法满足高压条件下两相流动的测量需要。此外，在流道四周均进行加热的情况下，可视化测量方法的使用亦困难重重。
光纤探针法以及电导率探针法对管壁透光性无要求，然而其测量均需将探针直接放入流场中进行测量。一方面，其测量点仅限于探针所处位置，无法对整个流场进行全面的测量；另一方面，探针的存在将使流场受到较大的扰动，其测量结果无法准确的反映原流场的流动信息，属于侵入式测量。
金属网格传感器，其测量原理同电导率探针法相似，即利用不同含气率流体间电导率的不同。其简单的电路示意图如图1所示，通过对传感器发射电极101电压以及接收电极102接收到的电流大小的计算，得到测量点处液体的电导率大小进而转换得到测量点处的空泡份额。因此，空泡份额传感器对流道是否可视无要求，可对高压下流道两相流型进行测量，具有更广泛的应用。
现有的金属网格传感器，其常见的传感器部分结构示意图如图2和图3所示。金属网格传感器由两部分组成，发射电极部分204以及接收电极部分203，两部分结构相同，但安装时，两者应相互正交，使得发射电极与接收电极形成排列整齐的交叉点，各交叉点即为测量点。在测量流体空泡份额时，发射电极和接受电极虽然自身电极丝直径201较小，但仍会破坏原有流场结构，属于侵入式测量，测量结果非原有的流场信息、不够准确。金属网格传感器各电极导线的固定通过相应的支架进行拉紧固定，这种电极固定形式对电极丝的自身强度要求较高，从而限制了电极丝的最小直径。此外若电极丝自身强度不够，则在使用过程中，电极丝易发生拉伸变形，导线之间将不再互相平行，从而使测量点排列发生变化，进而导致测量结果发生较大偏差。而且由于电极丝四周均被流体包围，自身体积过小，温度可认为与流体温度相同，亦即，电极丝温度易随流体温度的变化而变化，基于测量原理，这将使得测量结果发生偏差、不稳定。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型的空泡份额传感器，将测量方法由侵入式测量改进为非侵入式测量，克服现有金属网格传感器侵入式测量、电极丝容易变形、受流体温度影响等因素导致测量结果准确性不高的缺点。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种嵌入式空泡测量传感器，将传感器探针的发射电极、接收电极均嵌入至测量管壁内表面，以非侵入式测量方式测量平板矩形通道内测量两相流动，提高测量结果的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了一种嵌入式空泡测量传感器，包括发射电极板、接收电极板和绝缘基体，所述基体嵌入至流体管壁内表面中，在所述基体的表面设有均匀排列、相互正交、宽度相等的导线槽，在所述导线槽内设有导体材料，所述发射电极板和接收电极板互成90度密封固定安装在基体的相应导线槽上。
进一步地，所述测量管壁内表面为导体材料，所述基体铺设在测量管壁内表面中。
进一步地，所述基体的厚度为0.1-5mm。
进一步地，所述基体为高导热率材料。
进一步地，所述测量管壁内表面为绝缘材料，所述基体为测量管壁内表面的部分区域或者铺设在测量管壁内表面中。
进一步地，所述导线槽的宽度小于或等于0.1mm。
进一步地，所述发射电极板和接收电极板通过基架固定安装在基体的相应导线槽上，所述基架与流体管壁密封连接。
进一步地，还包括盖板，所述盖板安装于所述发射电极板和或接收电极板的外侧。
进一步地，所述导线槽是通过光刻、蚀刻、或挖槽方法形成。
进一步地，所述导体材料是通过溅镀法或其他方法安装于导线槽内。
本发明的与现有的空泡份额传感器相比，具有以下技术优势：
1、将测量方法由侵入式测量改进为非侵入式测量，测量结果为原有的流场信息、提高了准确性；
2、改进电极丝形式，降低对电极材料强度要求，而且结构稳定，非常不容易变形，不会造成测量结果发生较大偏差；
3、本发明的可使用高导热率材料，增加电极散热途径，提高传感器测量稳定性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是现有技术中一种空泡份额传感器电路示意图；
图2是现有技术中一种空泡份额传感器的金属网格结构示意图(俯视)；
图3是现有技术中一种空泡份额传感器的金属网格结构示意图(局部侧视)；
图4是本发明的一个较佳实施例的嵌入式电极结构示意图(剖视)；
图5是本发明的一个较佳实施例的实验段与测量段整体示意图；
图6是本发明的一个较佳实施例的测量段结构示意图；
图7是本发明的一个较佳实施例的基架结构示意图；
图8是本发明的一个较佳实施例的盖板结构示意图；
图9是本发明的一个较佳实施例的电极板结构示意图；
其中，101-发射电极，102-接收电极，103-管道，104-电压供应，105-运算放大器，106-采样/保有电路，107-数据总线；201-64×64网格状的电极丝且电极丝直径＝0.25mm，202-电极丝间距＝3.5mm，203-接收电极部分，204-发射电极部分；301-传感器间距＝40mm，302-涂层间距，303-第一WMS，304-第二WMS；401-电极，402-绝缘基体材料，403-流道管壁；601-基架，602-发射电极板，603-接收电极板，604-盖板；701-管段连接部，702-发射电极板的固定卡位，703-接收电极板的固定卡位；901-导线槽。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例1
本发明的嵌入式空泡测量传感器的发射电极、接收电极均嵌入至测量管壁内表面中。若流道管壁403为金属导体，则为避免管壁对电极电流的影响，首先可通过PVD工艺在测量管壁形成厚度在毫米量级的致密的高导热率的陶瓷绝缘层基体402，然后通过蚀刻或激光刻技术在基体表面加工出均匀排列、相互正交、宽度相等且宽度小于或等于0.1mm的导线槽。此后，再利用溅镀法用导体材料(如铜等)将基体表面导线槽填满，并对表面进行抛光，得到如图4所示的结构，通过导线槽填充电极材料401来实现传感器电极丝的形成、固定电极丝位置、确定电极丝尺寸，还可对电极丝进行散热。
若流道管壁为绝缘体，如石英玻璃等，可先铺设基体，亦可直接在管壁上进行挖槽形成导线槽，然后同样利用溅渡法用导体材料将表面导线槽填满，最后对表面进行抛光即可。
实施例2
以高压平板矩形通道中测量为例。在矩形通道进行测量中，为便于传感器制作且满足通道高压密封要求，首先将测量段与实验管段分开，两者通过法兰连接，法兰间使用密封圈密封，实验段与测量段整体示意图如图5所示。
测量段由五个部件构成，分别为基架601、发射电极板602、接收电极板603以及两个盖板604，测量段结构示意图如图6所示。基架601主要为两电极(发射/接收)板提供固定卡位(702/703)，并连接上下实验管段，其结构示意图如图7所示。两电极板结构相同，安装时互成90度安装于基架601相应位置，电极板与基架601之间通过密封圈密封。两个盖板604分别置于两电极板外侧，提高电极板结构强度、保护电极板，其结构示意图如图8所示。通过螺栓将盖板604、电极板固定至基架601上。
电极板的结构示意图如图9所示，在电极板内侧，首先通过PVD工艺在测量管壁形成厚度在毫米量级的致密的高导热率的陶瓷绝缘层基体，然后通过蚀刻技术在表面加工出均匀排列的宽度为0.1mm的导线槽901，槽与槽之间间距视测量空间分辨率根据要求而定，例如，若要求测量空间分辨率为3mm*3mm，则导线槽之间间距为3mm即可。此后，再利用溅镀法用导体材料(如铜等)将表面导线槽填满，并对表面进行抛光，进而使电极板内侧表面形成图1所示结构。在测量区域之外，需将导线槽合理布置，避开螺栓孔所在位置，将导线引出测量管道与电压产生模块或电流采集模块相连即可。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种嵌入式空泡测量传感器，特征在于，包括发射电极板、接收电极板和绝缘基体，所述基体嵌入至流体管壁内表面中，在所述基体的表面设有均匀排列、相互正交、宽度相等的导线槽，在所述导线槽内设有导体材料，所述发射电极板和接收电极板互成90度固定安装在基体的相应导线槽上。
2.如权利要求1所述的嵌入式空泡测量传感器，其特征在于，所述流体管壁内表面为导体材料，所述基体铺设在测量管壁内表面中。
3.如权利要求2所述的嵌入式空泡测量传感器，其特征在于，所述基体的厚度为0.1-5mm。
4.如权利要求2所述的嵌入式空泡测量传感器，其特征在于，所述基体为高导热率材料。
5.如权利要求1所述的嵌入式空泡测量传感器，其特征在于，所述流体管壁内表面为绝缘材料，所述基体为测量管壁内表面的部分区域或者铺设在测量管壁内表面中。
6.如权利要求1-5任一所述的嵌入式空泡测量传感器，其特征在于，所述导线槽的宽度小于或等于0.1mm。
7.如权利要求1-5任一所述的嵌入式空泡测量传感器，所述发射电极板和接收电极板通过基架固定安装在基体的相应导线槽上，所述基架与流体管壁密封连接。
8.如权利要求1-5任一所述的嵌入式空泡测量传感器，其特征在于，还包括盖板，所述盖板安装于所述发射电极板和或接收电极板的外侧。
9.如权利要求1-5任一所述的嵌入式空泡测量传感器，其特征在于，所述导线槽是通过光刻、蚀刻、或挖槽方法形成。
10.如权利要求1-5任一所述的嵌入式空泡测量传感器，其特征在于，所述导体材料是通过溅镀法安装于导线槽内。
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