1.本发明属于传感器及测试计量领域，尤其涉及一种耐高压耐低温的三维电容阵列传感器。
背景技术：2.多相流指一种气相、液相和固相流体混合流动的流体状态，通常广泛存在于能源、化工、医疗、航空航天等诸多领域中。对多相流系统状态参数的实时监测服务于整体系统的调节和控制，是工业生产安全的重要保证。不同种类多相流体状态参数的实时监测具有技术相似性，因此以气液两相流为例：气液两相流是一种典型的多相流状态，通常可以依照两相是否具备相同介质分为非同质气液两相流和同质气液两相流。前者常见于石油化工领域，涉及油气两相流和水气两相流等；后者常见于航天能源、医疗健康和工业生产等领域中，涉及到氢、氮、氧、二氧化碳和稀有气体的液化运输。由于所述液化气普遍潜热较低，且两相转换温度较低，即使在高压和低温的输送状态下依旧容易发生气化，产生气液两相流现象。该现象极大地影响到液化气的运输安全，因此对其运输过程中产生的气液两相流进行实时监测意义重大。
3.气液两相流的流动特性极其复杂，对其状态参数进行精确监测仍是一个技术难题，具体表现在：(1)相态繁复多变：在气液两相传递过程中，不同相态间彼此产生相互作用，形成一种非稳态分界面，并在界面处产生难以预测的物质、动量和能量交换。高压环境下的同质气液两相流还会额外面临受温度影响的气液两相相互转换的情况。(2)待测参数多：相较于单相流体，气液两相流具有更多的状态参数，包括流型、分相含率、流速和差压等，因此难以对所有参数同时进行准确的监测，并且其参数监测方式也与单相流体不完全相同。(3)待测参数容易发生变化：气液两相流的流动状态受单相流体的物理性质(如密度和粘度等)影响，流体流速和分相含率等状态参数往往具有较大的变化范围和变化速度，难以对整个流动过程建立一个统一的模型；(4)测量环境要求苛刻：相较于其他多项流体，液化气运输过程中产生的同质气液两相流对测量环境要求更加苛刻，通常要求传感器具备耐高压和耐低温的特性，是技术实现上的一个难点。
4.目前，三维电容成像技术是在气液两相流监测领域应用较多的一种方式。该技术是电学层析成像(electrical tomography,et)的一种重要手段，通常在被测场域外侧布置空间电极阵列，并以此测量各电极对之间的电容数据，结合相关图像重建算法反演被测场域的三维介电常数分布，从而获取被测场域内实际物质分布和物理特征信息。该技术具有结构简单、生产成本较低、非侵入测量、实时性好和对环境适应性强等优点，因此同样被广泛应用于流化床固体颗粒浓度监测、燃烧状态监测和地层矿物探测等场景中。然而，由于三维电容成像技术存在着“软场”效应且其反演过程受测量值误差影响较大，其对电容阵列传感器排布方式的设计有着极高的需求，尤其是传统的全等形式电极阵列存在轴向分辨率较差，且重建图像非线性畸变较大的问题。本发明致力于解决上述问题，为液化气运输过程的实时监测提出了一种耐高压耐低温的三维电容阵列传感器的设计及其优化方法，需要说明
的是，本发明不仅仅适用于测量环境需求更严格的气液两相流体状态监测，同样适用于测量环境需求更宽松的气固、液固和气液固等多相流体状态的监测过程。
技术实现要素：5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，通过重建电容阵列传感器待测敏感场核心区域的相对介电常数分布变化，获取到该区域内多相流体的状态变化信息，并对其传输过程中的状态参数(流型、流速和分相含率)进行监测。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，包括:外部结构、聚四氟乙烯管、辅助电介质、电容阵列传感器和信号引线；
7.所述外部结构与所述电容阵列传感器固定连接，所述外部结构与所述电容阵列传感器之间连接有所述辅助电介质与信号引线；
8.所述聚四氟乙烯管位于所述外部结构中，通过所述辅助电介质与所述外部结构和所述电容阵列传感器固定连接。
9.可选地，所述外部结构包括大法兰、小法兰、螺栓丝杆、螺母和金属外壳；
10.所述大法兰位于所述电容阵列传感器两侧，通过所述螺栓丝杆与螺母可拆卸连接；
11.所述小法兰位于所述大法兰两侧，与所述大法兰固定连接；
12.所述金属外壳位于所述电容阵列传感器外表面，所述金属外壳与所述电容阵列传感器之间连接有所述辅助电介质。
13.可选地，所述电容阵列传感器包括n层环形电极阵列，每层所述环形电极阵列包括m个电极；
14.不同层的所述环形电极阵列沿所述聚四氟乙烯管的外壁轴向依次排布，同层中所述电极沿所述聚四氟乙烯管的外壁周向等间距排布，构成三维n层环形电极阵列。
15.可选地，所述信号引线连接有引线接口，所述信号引线的一端与所述电极连接，另一端通过所述引线接口与所述金属外壳连接，所述引线接口嵌入所述金属外壳中。
16.可选地，所述三维n层环形电极阵列中的电极轴向长度基于共形变换方式获得。
17.可选地，所述三维n层环形电极阵列中的电极轴向长度的获得方式包括：
18.将所述聚四氟乙烯管的纵截面视为第一复平面中的直线组，所述三维n层环形电极阵列中不同层电极视为所述直线组上的线段；
19.将所述直线组映射为第二复平面中的圆，则所述线段映射为所述圆上的圆弧，基于所述圆弧获取所述电极轴向长度。
20.可选地，通过所述共形变换方式将所述第一复平面的直线组映射为第二复平面中的圆；
21.其中映射表达式为：
22.23.其中，e为自然常数，r为聚四氟乙烯管的管道半径，i为虚数单位，z为共形变换前管道纵截面的复数坐标，ω为共形变换后管道纵截面的复数坐标。
24.可选地，基于所述圆弧获取所述电极轴向长度包括：令第二复平面中所述线段映射成的所述圆弧具有固定比例关系的圆心角与弧长，对所述圆弧进行逆变换，获得所述电极轴向长度，
25.所述逆变换为：
[0026][0027]
其中，h为第一复平面内电极某一个端点的虚部模值，θ为第二复平面内电极端点与坐标实轴确定圆弧的圆心角。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
[0029]
(1)所述电容阵列传感器具有特定的轴向电极长度，在经过特定共形变换映射后的复数域中具有相同的电极弧长，由于共形变换不改变电容的测量特性，传感器在映射前的复数域中保持同样的特性。因此相较于传统的电极轴向长度相等的电容阵列传感器，本发明提出的传感器在待测场域内具有更均匀的灵敏度分布特性，同时具备更高的轴向分辨率。此外，本发明将共形变换应用于三维多层电容传感器不同层电极轴向长度的优化中，具有独创性。
[0030]
(2)所述传感器结构承压值可达4mpa，耐温值可达-190℃，具有优秀的电学响应特性，适用于高压或低温气液两相流状态参数测量。由于其他种类的多相流体通常测量环境要求更低，因此本发明同样适用于其状态参数的监测过程，即本发明具有一定的普适性。
附图说明
[0031]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0032]
图1为本发明实施例的一种耐高压耐低温的三维电容阵列传感器结构示意图；
[0033]
图2为本发明实施例的在共形变换映射前后复数域中的管道纵截面示意图；
[0034]
图3为本发明实施例的共形变换的一种特例示意图；
[0035]
图4为本发明实施例的在共形变换映射前后电极参数对应关系示意图。
具体实施方式
[0036]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0037]
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0038]
如图1所示，本发明提供了一种耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，包括：外部结构、聚四氟乙烯管、固体胶、电容阵列传感器、信号引线；外部结构与电容阵列传感器固定连接，外部结构与电容阵列传感器之间连接有辅助电介质与信号引线；聚四氟乙烯管位于外部结构中，通过辅助电介质与外部结构和电容阵列传感器固定连接。
[0039]
外部结构用于为电容阵列传感器提供支撑与电磁屏蔽测量环境；固体胶用于作为金属外壳与电容阵列传感器之间的辅助电介质；电容阵列传感器用于测量气液两相流体的参数；信号引线与引线接口用于金属外壳与电容阵列传感器的连接；聚四氟乙烯管用于气液两相流体的流动；
[0040]
需要说明的是，本发明不仅仅适用于测量环境需求更严格的气液两相流体状态监测，同样适用于测量环境需求更宽松的气固、液固和气液固等多相流体状态的监测过程。
[0041]
进一步的，外部结构包括大法兰、小法兰、螺栓丝杆、螺母和金属外壳；其中，大法兰通过螺栓丝杆与螺母固定于电容阵列传感器两侧；小法兰固定于大法兰两侧；大法兰、小法兰、螺栓丝杆和螺母用于为电容阵列传感器提供稳定支撑；金属外壳位于电容阵列传感器外表面，用于为电容阵列传感器提供电磁屏蔽测量环境。
[0042]
聚四氟乙烯管包裹于金属外壳中，两端通过大法兰扣紧，金属外壳和大法兰焊接；最后通过金属外壳处的灌胶口灌入介电常数为定值的固体胶将聚四氟乙烯管、电极阵列和引线固定封死。
[0043]
进一步的，电容阵列传感器包括n层环形电极阵列，每层环形电极阵列包括m个电极；其中，n为不小于3的整数，m为不小于4的整数；
[0044]
不同层的所述环形电极阵列沿所述聚四氟乙烯管的外壁轴向依次排布，同层中所述电极沿所述聚四氟乙烯管的外壁周向等间距排布，构成三维n层环形电极阵列。
[0045]
进一步的，所述信号引线连接有引线接口，所述信号引线的一端与所述电极连接，另一端通过所述引线接口与所述金属外壳连接，所述引线接口嵌入所述金属外壳中。
[0046]
进一步的，n层环形电极阵列还包括预设的电极轴向长度；
[0047]
电极轴向长度基于共形变换方式获得。
[0048]
进一步的，共形变换方式包括：
[0049]
将聚四氟乙烯管的纵截面视为第一复平面中的直线组，三维n层环形电极阵列中不同层电极视为直线组上的线段；
[0050]
将直线组映射为第二复平面中的圆，则线段映射为圆上的圆弧，不同层电极视为的直线组上的多个线段，经过映射后即为圆上的多段圆弧，基于圆弧获取电极轴向长度。
[0051]
进一步的，将直线组映射为第二复平面中的圆包括：平移、旋转、直线映射为射线与直线映射为圆的变换过程。
[0052]
进一步的，基于所述圆弧获取所述电极轴向长度包括：令第二复平面中所述线段映射成的所述圆弧具有固定比例关系的圆心角与弧长，(一般为相同或相近的圆心角与弧长)，对所述圆弧进行逆变换，获得所述电极轴向长度。
[0053]
本实施例提供了一种耐压值可达4mpa的三维电容阵列传感器的机械结构设计方法，并提出了一种基于共形变换的电极轴向长度参数优化方法，从而提升传感器的整体轴向分辨率，使其在待测敏感场的核心区域具有更加准确的测量效果。
[0054]
如图1所示，本实施例提供了一种耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，包括五个部分：外部结构、聚四氟乙烯管、灌注于外部结构和聚四氟乙烯管间隙的固体胶、电容阵列传感器、引线及其接口；电容阵列传感器具有特殊的电极排布方式，其设计和优化过程均受本发明采用的一种共形变换方法指导。
[0055]
在本实施例中，外部结构作为支撑提升传感器的耐压值。本发明视为一个传感器
模块，可以依照需求接入待测流体的管路系统中。两个小法兰用于连接上下游管路；两个大法兰通过至少两根螺栓丝杆彼此连接，以保证传感器整体结构稳定；金属外壳通过导线接通地电势为内部电容阵列传感器提供电磁屏蔽测量环境。其中，上下游管路指的是待测流体管路系统与本发明连接的管段。
[0056]
聚四氟乙烯管的外径为100mm，壁厚为10mm，固体胶具体灌注于金属外壳和聚四氟乙烯管间隙，固体胶相对介电常数为2.5，用于充当金属外壳与电容阵列传感器间的辅助电介质，并将聚四氟乙烯管承受的压力转移至外部结构。
[0057]
电容阵列传感器包括4层环形电极阵列，并沿聚四氟乙烯管的外壁轴向依次排布，每层阵电极阵列包含6个沿管外壁周向等间距紧密排布的电极，每个电极均由一根引线接出，引线另一端的接口通过开孔嵌入在金属外壳处；引线为同轴电缆，其屏蔽层与金属外壳相接，其接口为同轴连接器。将24个电极编号依次设为为e
1-e
24
。相邻层的环形电极阵列彼此间距为5mm，布设电容阵列传感器的区域总长度为155mm，从上游到下游四层环形电极阵列的轴向长度依次为：49mm、21mm、21mm和49mm。
[0058]
引线为符合gb/t 11322.1-2013标准的同轴电缆，其屏蔽层与金属外壳相接，其接口为符合gb/t 11313.1-2013标准的同轴连接器。
[0059]
电容阵列传感器不同层的电极具有特定的轴向长度，其长度参数选定方法受本发明采用的一种共形变换思想指导。如图2所示，视聚四氟乙烯管为无限长度管道，管道的纵截面在复平面(x,yi)即第一复平面中表示为两根距离为2r的直线组z，r为聚四氟乙烯管的外径。直线的实轴坐标分别为r及-r，管道半径r为50mm，不同层电极被视为管道上的线段。经过七次分段共形变换后，管道及不同层电极被映射为复平面(u,vi)即第二复平面中半径为1的一个圆ω，其中第一复平面(x,vi)与第二复平面(u,vi)为数学概念，具体为复变函数的概念，分段共形变换受复变函数组(1)-(7)指导：
[0060][0061]
其中，z1、z2、z3、z4、z5、z6代表分段共形变换过程中的中间变量曲线。
[0062]
包括了平移、旋转、直线映射为射线和直线映射为圆等变换过程，经过归纳得到z到ω的总体映射公式为：
[0063][0064]
其中，e为自然常数，r为聚四氟乙烯管的管道半径，i为虚数单位，z为共形变换前
管道纵截面的复数坐标，ω为共形变换后管道纵截面的复数坐标。另外此处e和附图中的e1至e
24
含义不同。公式中的e为自然常数，附图中有编号的e指电极编号。
[0065]
共形变换公式(9)依旧难以获得直观的线角映射关系，本实施例对其进行简化，如图3所示，由复变函数组(1)-(7)所代表的几何关系推得，复平面(x,vi)中一点a到无穷远处b的射线，映射为复平面(u,vi)中点a’到实轴上点b’处的一段圆弧，其具备的几何关系为：
[0066][0067]
其中，h为第一复平面内电极某一个端点的虚部模值，θ为第二复平面内电极端点与坐标实轴确定圆弧的圆心角，阵列传感器任意电极的任意端点均满足上述逆变换公式。
[0068]
由于电极分布具有对称性，因此几何关系仅代表h》0且0≤θ≤90
°
的情况。
[0069]
在本实施例中布设电容阵列传感器的区域总长度为155mm，相邻层的环形电极阵列彼此间距d为5mm，由图4以及几何关系(10)得，θ1约为10.015
°
，θ4约为4.495
°
，此时利用几何关系(11)构建方程组：
[0070][0071]
其中，θ1、θ2、θ4分别为共形变换后，未覆盖电极的无限远管段、电极以及电极缝隙所对应圆弧的圆心角。
[0072]
求解得θ2约为34.418
°
。通过图4以及几何关系(11)求解出e1电极轴向长度约为49mm，e7电极轴向长度约为21mm。其余电极轴向长度通过对称关系即可获取。
[0073]
以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
技术特征：1.一种耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，其特征在于，包括:外部结构、聚四氟乙烯管、辅助电介质、电容阵列传感器和信号引线；所述外部结构与所述电容阵列传感器固定连接，所述外部结构与所述电容阵列传感器之间连接有所述辅助电介质与信号引线；所述聚四氟乙烯管位于所述外部结构中，通过所述辅助电介质与所述外部结构和所述电容阵列传感器固定连接。2.根据权利要求1所述的耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，其特征在于，所述外部结构包括大法兰、小法兰、螺栓丝杆、螺母和金属外壳；所述大法兰位于所述电容阵列传感器两侧，通过所述螺栓丝杆与螺母可拆卸连接；所述小法兰位于所述大法兰两侧，与所述大法兰固定连接；所述金属外壳位于所述电容阵列传感器外表面，所述金属外壳与所述电容阵列传感器之间连接有所述辅助电介质。3.根据权利要求2所述的耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，其特征在于，所述电容阵列传感器包括n层环形电极阵列，每层所述环形电极阵列包括m个电极；不同层的所述环形电极阵列沿所述聚四氟乙烯管的外壁轴向依次排布，同层中所述电极沿所述聚四氟乙烯管的外壁周向等间距排布，构成三维n层环形电极阵列。4.根据权利要求3所述的耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，其特征在于，所述信号引线连接有引线接口，所述信号引线的一端与所述电极连接，另一端通过所述引线接口与所述金属外壳连接，所述引线接口嵌入所述金属外壳中。5.根据权利要求3所述的耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，其特征在于，所述三维n层环形电极阵列中的电极轴向长度基于共形变换方式获得。6.根据权利要求5所述的耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，其特征在于，所述三维n层环形电极阵列中的电极轴向长度的获得方式包括：将所述聚四氟乙烯管的纵截面视为第一复平面中的直线组，所述三维n层环形电极阵列中不同层电极视为所述直线组上的线段；将所述直线组映射为第二复平面中的圆，则所述线段映射为所述圆上的圆弧，基于所述圆弧获取所述电极轴向长度。7.根据权利要求6所述的耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，其特征在于，通过所述共形变换方式将所述第一复平面的直线组映射为第二复平面中的圆；其中映射表达式为：其中，e为自然常数，r为聚四氟乙烯管的管道半径，i为虚数单位，z为共形变换前管道纵截面的复数坐标，ω为共形变换后管道纵截面的复数坐标。8.根据权利要求6所述的耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，其特征在于，基于所述圆弧获取所述电极轴向长度的方法为：令第二复平面中所述线段映射成的所述圆弧具有固定比例关系的圆心角与弧长，再对所述圆弧进行逆变换，获得所述电极轴向长度；
所述逆变换为：其中，h为第一复平面内电极某一个端点的虚部模值，θ为第二复平面内电极端点与坐标实轴确定圆弧的圆心角。
技术总结本发明提供了一种耐高压耐低温的三维电容阵列传感器，包括:外部结构、聚四氟乙烯管、辅助电介质、电容阵列传感器和信号引线；外部结构与电容阵列传感器固定连接，外部结构与电容阵列传感器之间连接有辅助电介质与信号引线；聚四氟乙烯管位于外部结构中，通过辅助电介质与外部结构和电容阵列传感器固定连接。本发明提供的传感器的耐压值可达4MPa，耐温值可达-190℃。通过延长两端电极轴向长度，缩短中间层电极轴向长度，对三维多层电极阵列传感器进行优化，采用共形变换原理指导并选取不同层电极的轴向长度比例，使待测敏感场中心区域的灵敏度分布更加均匀，进而提高中心区域的轴向图像重建精度和分辨率。图像重建精度和分辨率。图像重建精度和分辨率。
技术研发人员：孙世杰 卢旭鹏 王颖 孙江涛 徐立军
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.05.17
技术公布日：2022/7/5
