本发明涉及低温制冷工程技术及传感器科学，尤其涉及一种应用于深低温流体三维电容层析成像(ecvt)的球型储罐装置。
背景技术：
1、低温流体(如液氮(～78k)、液氧(～90k))在化工、空分、制冷等工业中有广泛应用，涉及设计优化及运行安全的关键问题。低温环境下的流体通常表现出特殊的物理性质，如介电常数的显著差异和材料的热膨胀特性等。针对低温流体两相流(如液氮、液氧)的检测，对相分布的精准测量具有重要意义。与常温流体(如水/空气)相比，低温流体(如液氮、液氧)的气液介电常数比普遍小于1.5，这使得成像结果对于测量噪声极为敏感。低温环境下，金属和非金属的收缩率差异较大，传统的电极安装方法(如粘合、烧蚀)容易导致松脱甚至管道破裂。此外，低温下非金属材料易发生脆裂，对传感器的设计提出了更高的要求。
2、电容层析成像(electrical capacitance tomography，ect)技术通过测量电极阵列之间的电容值，利用反演算法重建出流体的相分布图像。电容传感器是ect系统的关键，其核心部件为电极阵列，不同的电极阵列排布能够适应不同流型不同容器形态的流体相分布及相含率监测。传感器中的各屏蔽电极与屏蔽罩为传感器提供电磁防护，防止外界电场干扰。ect作为一种非侵入式的测量手段相比于其他测量手段，如电容探针法、射频传感器、粒子图像测速仪等，ect具有装配方便、成像速度快、成本低、对流场无干扰、可同时获得相含率及相分布数据等优点，适用于低温流体的两相流监测。在传统ect的基础上，发展出了三维电容层析成像(electrical capacitance volume tomography，ecvt)，能够重建测量区域内的三维流体图像，获取流体相分布及相含率。
3、然而，关于应用于低温两相流的电容层析成像实验研究却很少。在低温环境下，材料热膨胀系数差异可能导致电极脱落、褶皱等问题，影响测量精度，造成将传统固定式传感器应用于低温场景时，传感器有效工作时长短且为一次性。
4、同时，现有实验研究少有针对球型容器内部流场流型的监测，传统ect传感器通常包覆在圆管表面，电极多为环状或分段布置，形成多个电容测量通道，圆管电极排列较为规则，但在复杂流场中可能存在盲区和测量误差。
5、此外，现有实验研究少有针对三维流型图像的重建，传统的ect传感器通常反演某一截面中的二维流型图像，但与圆管不同，在球型容器中无法通过单一截面的流体相分布及相含率获取整个容器内部的流体流态。
6、另外，在常温流体的气液两相场景，其在容器内存储时，静止或流动速度较低，流体流动的雷诺数较小，容易维持层流状态，由于密度差，上层为气相，下层为液相，因此可采用差压法、测满阀法等测量液位的方式确定层流分界面，进而确定流体相分布。但对于深低温流体的气液两相场景，由于温差和相变产生的局部扰动，流体容易进入湍流状态，湍流会产生不稳定的流动，导致气泡生成和聚集，形成泡状流动或者更为复杂的气液两相分布，这样常规的测量液位方法将无法准确测量低温流体分布；同时常规的测量液位方法多为侵入式测量，需要对容器多开管道或者添加阀门等装置，在对流体流动和密封性造成影响的同时增加了设计制造成本。
7、浙江大学制冷与低温研究所张小斌、田泽南、高鑫鑫、夏涛[1][2][3]等人相继对应用于低温流体两相流空泡率测量的八极片电容传感器及适用于低温流体相分布及空泡率测量的电容层析成像技术进行了理论及实验的研究，这些研究的方向主要集中在二维反演图像，在装置结构和成像维度上与本发明都有较大差别。谢黄骏[4]对应用于低温流体测量的电容层析成像技术进行了理论验证，发现其数值实验的结果较好，但文章没有涉及针对于低温流体两相流测量的电容层析成像传感器的具体结构设计，同时其求解算法也与本发明有很大差别。郭志恒[5]等人提出了一种新型结构阵列平面电容传感器，该传感器由七个正六边形传感电极构成蜂巢结构阵列，但这种传感器的电极在同一平面内布置，且仅能反演二维流型图像，与本发明的结构、功能差异巨大。wentao wang[6]等提出了一种三维电容层析成像传感器，用以检测和可视化常温下水泥基材料内部水的分布状态，该传感器的极片布置在矩形管道周围，仿真结果表明该传感器可用于准确确定所有样本中裂缝和储层的位置，但在水平方向上的分辨率较差，它与本发明的应用场景以及传感器结构设计均有很大差别。
8、中国专利cn117871621a公开了一种可视化电容层析成像系统，该发明适用的温度环境为低温，适用的管道结构是圆管，电极片布置在圆管外侧，能够实时监测流型的二维成像，与本发明结构上有较大差异。
9、中国专利cn117871620a公开了一种基于电容测量的沥青混合料水损伤室内检测装置及方法，该发明适用的温度环境为常温，电极片布置在测量圆管外侧，能够实现水损伤三维立体图像，电极片直接接触流体，通过螺栓固定电极片，与本发明在装置结构和适用场景上有较大差异。
10、中国专利cn117554439a公开了一种利用真空镀膜的方式将金属电极直接附着于测量圆管的ect传感器的结构设计，该发明使用的温度环境为低温，电极片安装在测量圆管外侧，利用压紧装置将导电钉紧固于电极表面以实现电路导通，与本发明在装置结构上有较大差异。
11、中国专利cn116519755a公开了一种由4块平面电容层析成像极板围成的一个中空方筒形组合检测传感器，用以检测常温下水果内部损伤。该发明中，每块极板上排布有至少两列电极，每一列包含有多个电极，排布在4块极板上的电极形成传感器阵列，能够重建水果受损伤部位的二维剖面图像或者三维立体成像图形，与本发明在适用场景和电极排布上具有较大差异。
12、中国专利cn115639254a公开了一种非360°旋转扫描式电容层析成像传感器。该发明中，每块电容检测极板均布在绝缘转筒的外壁圆周，通过绝缘转筒的旋转，在保持原有的电容测量电路的难度和抗噪声干扰性能的前提下，该传感器能够获得更多的检测电容投影数据，适用的管道结构是具有同心管路结构的管道，与本发明在装置结构上和测量数据的获取机理上都具有较大差异。
13、综上所述，根据低温环境下各材料的物性特点及低温流体气液相介电常数的特点，设计一种应用于深低温流体三维电容层析成像的球型储罐装置是有必要的，该技术拥有非侵入式测量的特点，可以精确获得球型容器内的三维相含率及相分布的情况。
14、[1]吕海舟,王涛,周凯,等.基于电容层析的ln_2-vn_2两相流成像经典算法比较研究[j].低温工程,2023,(02):24-31.
15、[2]周凯,王军,吕海舟,等.基于ect技术的低温流体相分布反演成像试验研究[j].能源工程,2024,44(01):68-72.doi:10.16189/j.nygc.2024.01.009.
16、[3]吕海舟,王涛,周凯,等.低温流体电容层析成像空间分辨率研究[j].低温工程,2023,(05):8-16.
17、[4]谢黄骏.基于多电极电容传感器的低温两相流反演理论和实验研究[d].浙江大学,2021.doi:10.27461/d.cnki.gzjdx.2021.000043.
18、[5]郭志恒,任嘉铭.一种新型应用于平面电容层析成像系统的电容阵列传感器设计[j/ol].电子测量与仪器学报,1-10[2024-07-12].
19、[6]wentao wang,kaiyue zhao,peng zhang,jiuwen bao,shanbin xue,investigation of water ingress into uncracked and cracked cement-basedmaterials using electrical capacitance volume tomography,materials&design,volume220,2022,110877,issn
20、0264-1275,https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110877.
技术实现思路
1、本发明提供一种应用于深低温流体三维电容层析成像(ecvt)的球型储罐装置，该装置能够应用于深低温流体气相、液相和气液两相的储存和输运，同时可通过测量两两电极片间的电容，将数据传输到计算机上，利用相应的反演算法对球型容器内深低温流体两相流的相分布进行成像监测。该装置能够储存和输运深低温流体；具有非侵入式的特点，能够不影响监测范围内流体流动状态；同时作为模块化结构，结构简单，易于整体拆装，适应球型容器内部的流型监测；适用于从室温到深低温的较大范围；采用聚四氟乙烯作为流体容器材料，能保证多次大幅度温度循环不影响测量精度；极片覆盖率大，能实现精度较高的三维流型成像。
2、本发明的技术方案如下：
3、本发明公开了一种应用于深低温流体三维电容层析成像(ecvt)的球型储罐装置，所述装置包括正五边形电极片组、正六边形电极片组、球型容器和屏蔽罩；
4、所述正五边形电极片组包括12片正五边形电极片，其形状为正五边形内弯薄片，弯曲半径与球型容器外径相等；正六边形电极片组包括20片正六边形电极片，其形状为正六边形内弯薄片，弯曲半径与球型容器外径相等；所述正五边形电极片组和正六边形电极片组紧贴包覆在球型容器外表面形成球型电极片阵列；
5、所述球型容器内部设有空腔，并开有圆管以使流体进出；
6、所述屏蔽罩包裹球型容器，屏蔽罩由金属薄壁制成，并与球型容器同球心配合，且屏蔽罩内径大于球型容器的外径，球型容器单侧的圆管穿出屏蔽罩并在穿出端设置平焊法兰用以连接外部管道；屏蔽罩内部与球型容器外侧形成封闭空间将正五边形电极片组与正六边形电极片组笼罩在其中，此封闭空间内抽真空。
7、进一步的，正五边形电极片与正六边形电极片的配合关系为：每个正五边形电极片的边都与正六边形电极片的边相邻，每个正六边形电极片有三条边与正五边形电极片相邻，另外三条边与其他的正六边形电极片相邻，为了减轻极片之间的影响，相邻极片间存在一定的缝隙，由于正五边形电极片的内角和正六边形电极片的内角在拼接时能够近似形成一个完整的圆周角，这种组合能够形成一个近似的球体形状，各极片没有交叠区域，其覆盖的跨度总和接近整个球体，正五边形电极片组与正六边形电极片组环绕球型容器表面布置，组合后的球型电极片阵列与球型容器同球心配合，均匀的紧贴包覆在球型容器外表面。
8、本发明还提供了一种基于所述装置的低温流体相分布图像监测方法，其包括如下步骤：
9、1)利用所述装置获得球型容器在空场状态下的空场电容ce以及在满场状态下的满场电容cf；利用所述装置获得当前检测场景状态下的实际电容cc，计算得到归一化电容值y；
10、2)获得归一化灵敏度s与球型容器内部的三维网格坐标矩阵；
11、3)获得归一化介电常数g；
12、4)将归一化介电常数g与球型容器内部的三维网格坐标矩阵结合，g内每个元素与三维空间划分的三维四面体网格一一对应，元素的相对大小反映了该元素所对应三维网格下流体处于液相还是气相；绘制出反映球型容器内部低温流体的相分布的三维图像，实现低温流体的相分布图像监测。
13、与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：
14、1)本发明的装置使用类似足球表面的正五边形与正六边形极片交错布置的结构，使得极片能够较为完整的包覆球型容器表面，提供了密集且均匀分布的电极布局，进而提升反演成像的分辨率和灵敏度。
15、2)本装置能够储存与输运深低温流体，并实现流体三维成像；可快速拆装；可用于从室温到深低温的较大范围，多次大幅度温度循环不影响测量精度。
16、3)本装置采用非侵入式测量，不会对容器内的流体流动产生干扰；极片覆盖率大，测量成像精度高、结构电磁屏蔽效果好。
17、4)本发明可用于深低温流体气相、液相和气液两相的储存和输运，同时通过三维成像监测容器内部深低温流体的相分布。
1.一种应用于深低温流体三维电容层析成像的球型储罐装置，其特征在于，所述装置包括正五边形电极片组、正六边形电极片组、球型容器(3)和屏蔽罩(4)；
2.如权利要求1所述的一种应用于深低温流体三维电容层析成像的球型储罐装置，其特征在于，所述正五边形电极片(1)与正六边形电极片(2)的配合关系为：每个正五边形电极片(1)的边都与正六边形电极片(2)的边相邻，每个正六边形电极片(2)有三条边与正五边形电极片(1)相邻，另外三条边与其他的正六边形电极片(2)相邻，相邻极片间存在缝隙，缝隙宽度与球型容器(3)内径的关系满足1/50≤l/rin≤1/25，各极片没有交叠区域，组合后的电极片阵列与球型容器(3)同球心配合，紧贴包覆在球型容器(3)外表面。
3.如权利要求1所述的一种应用于深低温流体三维电容层析成像的球型储罐装置，其特征在于，所述球型容器(3)由聚四氟乙烯材料制成，所述正六边形电极片中有一片极片开有供球型容器(3)单侧圆管穿出的圆形通孔，通孔直径与球型容器(3)单侧的圆管外径相同，通孔与圆管同轴配合。
4.如权利要求1所述的一种应用于深低温流体三维电容层析成像的球型储罐装置，其特征在于，所述正五边形电极片(1)与正六边形电极片(2)均由铜板制成。
5.如权利要求1所述的一种应用于深低温流体三维电容层析成像的球型储罐装置，其特征在于，所述屏蔽罩(4)为球壳结构，屏蔽罩(4)一侧开有圆形通孔供球型容器(3)单侧圆管穿出，所述通孔直径与球型容器(3)单侧圆管外径相同。
6.如权利要求1所述的一种应用于深低温流体三维电容层析成像的球型储罐装置，其特征在于，所述屏蔽罩(4)分为上下两部分，两部分连接处沿水平周向分布数个螺孔，螺孔与螺栓同轴配合，使屏蔽罩(4)上下两部分组合；
7.一种基于权利要求1所述装置的低温流体相分布图像监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的步骤1)具体为：
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的步骤2)具体为：
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的步骤3)具体为：
