專利名稱：列陣式掃描探針電導率測定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型與電導率測量有關(guān)，特別是一種用于工業(yè)化大型反應(yīng)器中測定床層多點穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)電導率分布的列陣式掃描探針電導率測定儀。
傳統(tǒng)的實驗測量流動分布的方法包括集液器(Weekman V W Jr，Myers J E.AIChE J，1964，10951)、電容法/電導法(Hoek P J，Wesselingh，J A，ZuiderwegF J，Chem Eng Res Des，1986，64431-449)、激光—光導纖維檢測儀(袁孝竟，李富生，于國琮.化工學報，1989(6)686)、熱探頭(Sapre A V，AndersonD H，Krambeck J，Chem Eng Sci，1990，452263)、X射線斷層掃描技術(shù)(LutranP G，Ng K M，Delikat E P.Ind Eng Chem Res，1991，301270)、電容斷層掃描技術(shù)(Reinecke N，Mewes D.Chem Eng Sci，1996，512131)。其中，集液器只能安置于液體出口，不能裝在塔內(nèi)；熱探頭、光纖探頭設(shè)備復雜，難以用于多點測量；電容斷層掃描技術(shù)和X射線斷層掃描技術(shù)價格昂貴，難以推廣。相較而言，電導法或電容法更為簡便可行，其中電容法適合于流動介質(zhì)是電絕緣體的場合(例如油類)；而電導法適合于流動介質(zhì)是導電體的場合(例如水溶液)。由于冷模試驗中多采用空氣-水作流動介質(zhì)，因此電導法尤其適合冷模試驗，并且由于電導探針結(jié)構(gòu)簡單、測量技術(shù)成熟，因此得到廣泛使用。
在電導法中傳統(tǒng)的探針結(jié)構(gòu)有移動電導探針、環(huán)形電導電極、單頭或雙頭電導探針等。但是，單頭或雙頭電導探針技術(shù)用于多點測量投資大，安裝困難，互相干擾；移動電導探針技術(shù)用于填料塔中需要安裝導軌，并且只能測量一個直徑方向的分布；而環(huán)形電導電極技術(shù)測定的是軸對稱的平均值，不能測點分布。因此，文獻中采用電導法一般只用來測量床層中幾點的點電導，尚未見到采用電導法測量床層中完整流體分布的報道。
本實用新型的技術(shù)構(gòu)思是采用列陣式探針尋址結(jié)構(gòu)，通過多路開關(guān)切換，在不相接觸的兩組探針中各選一個連接到電導率儀，從而測量投影交點處的電導率。采用循環(huán)掃描方式可以遍歷所有點。采用高速掃描方式，可以獲得近似的瞬時分布；采用低速掃描方式，可以獲得時均分布。探針組可以做成一個整體，既方便安裝和拆卸，又具有空間定位準確的特點。
本實用新型的具體技術(shù)方案如下一種列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于該測定儀由列陣式探針、多路開關(guān)、電導率儀、多功能A/D卡、計算機和多路開關(guān)控制器構(gòu)成；所說的列陣式探針是由排列方向不同的兩組探針用隔離圈隔離而構(gòu)成的；該多路開關(guān)，包括繼電器組S1和繼電器組S2，通過導線將一組探針的m根探針I(yè)1、I2、……Im連接到多路開關(guān)的繼電器組S1的m個繼電器的接入端，將S1中所有繼電器的接出端連結(jié)在一起并接入電導率儀的一個輸入端，同樣，通過導線將另一組探針的n根探針J1、J2、……Jn連接到繼電器S2的n個接入端，將S2中所有繼電器的接出端連結(jié)在一起并接入電導率儀的另一個輸入端，該電導率儀的輸出訊號接入多功能A/D卡，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計算機，計算機通過多路開關(guān)控制器控制多路開關(guān)中每個繼電器的工作；所說列陣式探針可為直角坐標型列陣式探針，按照等間距平行方式，在水平方向排列一組探針，m根探針，在垂直方向排列另一組探針，n根探針；探針由導電材料制成，探針表面包覆一層絕緣層，但在兩組排列方向不同的兩根探針的投影交叉點處，需要裸露一段，以便于電導測量；所說的列陣式探針為極坐標型列陣式探針；所說的列陣式探針為柱面坐標型列陣式探針；所說的探針形狀也可采用片、或其他形狀；所說的探針可采用金屬、表面鍍金屬或其他導電材料制成；所述的列陣式探針可通過法蘭固定在塔的任一截面，或采用其它定位方式安裝在塔內(nèi)呈水平、豎直或其他方向；所述的每一列陣式探針組可處于同一平面或處于任一曲面；所述的計算機控制列陣式探針測量電導率的掃描方式可按順序、逆序或任意選定的循環(huán)方式進行。
圖2是本實用新型列陣式探針結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是利用本實用新型測量填料塔液含率分布圖。
圖中1—列陣式探針阻2—隔離圈3—多路開關(guān)4—電導率儀5—多功能A/D卡 6—計算機7—多路開關(guān)控制器
具體實施方式


圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)方框圖。由此可見，本實用新型列陣式掃描探針電導率測定儀由列陣式探針1、多路開關(guān)3、電導率儀4、多功能A/D卡5、計算機6和多路開關(guān)控制器7構(gòu)成，所說列陣式探針1是由排列方向不同的兩組探針11、12用隔離圈2隔離而構(gòu)成的；該多路開關(guān)3包括繼電器組S1和繼電器組S2，通過導線將一探針組11的m根探針I(yè)1、I2、……Im連接到多路開關(guān)3的繼電器組S1的m個繼電器的接入端，將S1中所有繼電器的接出端連結(jié)在一起并接入電導率儀4的一個輸入端，同樣，通過導線將另一探針組12的n根探針J1、J2、……Jn連接到繼電器組S2的n個繼電器的接入端，并將S2中所有繼電器的接出端連結(jié)在一起并接入電導率儀4的另一個輸入端，該電導率儀4的輸出訊號通過多功能A/D卡5模數(shù)變換后輸入計算機6，計算機6通過多路開關(guān)控制器7控制多路開關(guān)3中每個繼電器的工作。
本實用新型的技術(shù)核心是列陣式探針結(jié)構(gòu)以及循環(huán)掃描方式。圖2為本實用新型可采用的三種典型的探針結(jié)構(gòu)直角坐標型、極坐標型、柱面坐標型。圖2(a)為直角坐標型列陣式探針，按照等間距平行方式，在水平方向排列m根探針，在垂直方向排列n根探針。探針可由不銹鋼絲、鉑絲、金絲等導電材料制成。探針外表面包覆一層很薄的絕緣層，在排列方向不同的兩根探針的投影交點處(如在探針11和探針12的投影交點112處)需要裸露一段金屬絲以便于電導測量。在排列方向不同的兩組探針之間，用一個絕緣隔離圈2分隔開來以避免接觸，從而排列方向不同的兩組探針之間的間距即為絕緣隔離圈2的厚度。如果安裝于塔內(nèi)，隔離圈的外徑等于塔內(nèi)徑。這樣，任一投影點(ij)僅由唯一的一對水平探針i和豎直探針j確定，用電導率儀4測量這兩根探針間的電導率就是該投影點(ij)處的點電導率。
圖2(b)是極坐標型的列陣式探針。其結(jié)構(gòu)和功能與直角坐標型列陣式探針類似，不同在于探針的排列按照極坐標系的坐標方向。這種探針結(jié)構(gòu)不但可以測點分布，而且其獨特之處在于可以兼作環(huán)形電極。只要選擇相鄰兩園環(huán)作為電導電極，就可以測量徑向的平均電導率分布。
圖2(c)是柱面坐標型列陣式探針。該結(jié)構(gòu)尤其適用于測量壁流分布。
實現(xiàn)循環(huán)掃描的一種設(shè)計方法請參見圖1。圖中1為直角坐標型列陣式探針組，按x方向排列的m根探針I(yè)1～Im通過導線連結(jié)到多路開關(guān)3的m個繼電器的接入端，這m個繼電器稱為繼電器組S1；在y方向的n根探針J1～Jn通過導線連結(jié)到多路開關(guān)3的另n個繼電器的接入端，這n個繼電器稱為繼電器組S2。將S1中所有繼電器的接出端連結(jié)在一起并接入電導率儀4的一個輸入端，將S2中所有繼電器的接出端連結(jié)在一起并接入電導率儀4的另一個輸入端，電導率儀4的輸出訊號接入多功能A/D卡5經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計算機6，計算機6通過多路開關(guān)控制器7控制多路開關(guān)3中每個繼電器的開啟。
測量時，計算機控制列陣式探針1測量電導率的掃描方式按順序、逆序或任意選定的循環(huán)方式進行均可。
測量時繼電器的一種掃描開啟次序為開始所有繼電器都處于關(guān)閉狀態(tài)，首先連接I1和J1的繼電器導通，此時測量I1和J1連結(jié)的兩根異面探針投影交點處的電導率，測量一定時間后斷開J1，再使J2導通，此時可以測量I1和J2連結(jié)的兩根異面探針投影交點處的電導率，如此類似地測量I1-J3，……，I1-Jn；I2-J1，……；I2-Jn；……；Im-J1，……，Im-Jn，從而測量了m×n點處的電導率。如此不斷循環(huán)，完成連續(xù)采樣。
下面舉出一個利用本實用新型測量填料塔液含率分布的實例填料塔塔直徑φ100mm，采用φ5mm實心球填料，填料高度1000mm，流動介質(zhì)為空氣-水系統(tǒng)。采用直角坐標型列陣式掃描探針，通過法蘭連接方式安裝在填料塔床層中距塔底填料100mm處，用來測量該處橫截面上的液含率分布。具體結(jié)構(gòu)可參考圖2。探針為16根等長的φ0.5mm的不銹鋼絲，除點電導測量點處裸露金屬外，其余部分包覆一層環(huán)氧樹脂薄膜。用環(huán)氧樹脂固定在一個絕緣的隔離圈2的上下面。在該隔離圈的上下面按照等間距平行方式分別安裝8根探針，兩不同面上的探針相互垂直。隔離圈的厚度為2mm，隔離圈的內(nèi)徑等于塔內(nèi)徑。探針通過導線連結(jié)到16路多路開關(guān)3(研華PCLD-785)的繼電器接入端，繼電器的接出端按照所接探針在隔離圈的上面或下面分別連結(jié)到DDS-11A型電導率儀4(上海雷磁儀器廠)的兩個輸入端。電導率儀4的輸出0-10mV直流訊號經(jīng)過隔離放大模塊(研華ADAM-3014)放大為0～5V直流接入多功能AD卡5(研華PCL-8710)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計算機6。計算機6通過多路開關(guān)控制器7控制多路開關(guān)3 PCLD-785中每個繼電器的開啟。
測量時繼電器的循環(huán)開啟次序為I1-J1，I1-J2，……，I1-J8；I2-J1，I2-J2，……，I2-J8；……，I8-J1，I8-J2，……，I8-J8，從而測量了8×8＝64點處的電導率。如此不斷循環(huán)，完成連續(xù)采樣。每點采樣數(shù)據(jù)500個，測量時間為0.0655秒，測量64點耗時4.192秒。
數(shù)據(jù)處理可采用統(tǒng)計分析、小波分析、或分形分析等。本例采用的數(shù)據(jù)處理方法如下·排除受切換影響的前400個數(shù)據(jù)；·對剩下的100點數(shù)據(jù)用小波變換作一次信號降噪處理(db4小波函數(shù))；·求平均值作為測量點的電導率。
令空塔時的液含率為0，塔充滿液體時的液含率為1，假設(shè)液含率和電導率為線性關(guān)系，那么可以電導率數(shù)據(jù)計算液含率 測得的塔正常操作時典型液含率分布如表1和圖3所示。
表1液含率分布
本實用新型的顯著優(yōu)點在于1.測量點電導的空間分辨率高(每個截面m×n點)，m，n僅受限于流場和催化劑大??；2.與傳統(tǒng)的電導探針技術(shù)相比，極大地降低了設(shè)備成本和安裝難度。傳統(tǒng)的點電導探針技術(shù)測量m×n點的電導需要2×m×n個電導探針，2×m×n條導線，m×n臺電導率儀(或者采用一臺電導率儀，m×n個繼電器)。而采用本實用新型列陣式掃描探針電導率測定儀，測量m×n點的電導僅需要m+n個電導探針，m+n條導線，1臺電導率儀，m+n個繼電器；3.如果加快循環(huán)掃描速度，可以逼近多點同時動態(tài)采樣；4.如果減慢循環(huán)掃描速度，可以詳細研究單點的時變規(guī)律，統(tǒng)計分析所有單點數(shù)據(jù)，可得空間分布的統(tǒng)計規(guī)律；5.制作簡單，器材廉價，實施方便；6.測量精度高，時滯小，動態(tài)特性靈敏。
權(quán)利要求1.一種列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于該測定儀由列陣式探針(1)、多路開關(guān)(3)、電導率儀(4)、多功能A/D卡(5)、計算機(6)和多路開關(guān)控制器(7)構(gòu)成；所說的列陣式探針(1)是由排列方向不同的兩組探針(11、12)用隔離圈(2)隔離而構(gòu)成的；該多路開關(guān)(3)，包括繼電器組S1和繼電器組S2，通過導線將一組探針(11)的m根探針I(yè)1、I2、……Im連接到多路開關(guān)(3)的繼電器組S1的m個繼電器的接入端，并將S1中所有繼電器的接出端連結(jié)在一起并接入電導率儀(4)的一個輸入端，同樣，通過導線將另一組探針(12)的n根探針J1、J2、……Jn連接到繼電器S2的n個接入端，并將S2中所有繼電器的接出端連結(jié)在一起并接入電導率儀(4)的另一個輸入端，該電導率儀(4)的輸出訊號接入多功能A/D卡(5)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計算機(6)，計算機(6)通過多路開關(guān)控制器(7)控制多路開關(guān)(3)中每個繼電器的工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于所說列陣式探針(1)可為直角坐標型列陣式探針，按照等間距平行方式，在水平方向排列一組探針(11)，m根探針，在垂直方向排列另一組探針(12)，n根探針；探針由導電材料制成，探針表面包覆一層絕緣層，但在兩組排列方向不同的兩根探針的投影交叉點處，需要裸露一段，以便于電導測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于所說的列陣式探針(1)為極坐標型列陣式探針。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于所說的列陣式探針(1)為柱面坐標型列陣式探針。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于所說的探針形狀也可采用片、或其他形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于所說的探針可采用金屬、表面鍍金屬或其他導電材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于所述的列陣式探針(1)可通過法蘭固定在塔的任一截面，或采用其它定位方式安裝在塔內(nèi)呈水平、豎直或其他方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于所述的每一組列陣式探針組(11、12)可處于同一平面或處于任一曲面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于所述的計算機控制列陣式探針(1)測量電導率的掃描方式可按順序、逆序或任意選定的循環(huán)方式進行。
專利摘要一種列陣式掃描探針電導率測定儀，其特征在于該測定儀由列陣式探針、多路開關(guān)、電導率儀、多功能A/D卡、計算機和多路開關(guān)控制器構(gòu)成；所說的列陣式探針是由排列方向不同的兩組探針用隔離圈隔離而構(gòu)成的；該多路開關(guān)，包括繼電器組S
文檔編號G01N27/04GK2521613SQ0221522
公開日2002年11月20日 申請日期2002年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者吳國斌, 程振民, 黃華江, 袁渭康 申請人:華東理工大學