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传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies）
2016年第35卷第10期
DOI:10.13873/J.10009787( 2016 )10008603
用于低速渗流实验的低渗流传感器设计
秦孙巍1,2，李云安
（1.中国地质大学工程学院，湖北武汉430074；
2.武汉工程大学化学与环境工程学院，湖北武汉430074）
摘要：针对岩土体低速渗流实验中μL/min级别流量难于测量的问题，提出了一种利用电解极化示踪的低渗流流量测量方法。介绍了传感器的测量原理、结构及测控电路。制作了量程为10~100μL/min的渗流传感器，并运用毛细管整体柱电渗泵进行了流量测定实验。结果表明：传感器结构简单、体积小，在 10~60μL/min的流量范围内，传感器的线性相关性大于0.998，能够满足岩土体低速渗流实验的要求，具有良好的实用价值。
关键词：低速渗流；电解极化；示踪法；传感器
中图分类号：TH764
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2016)100086-03
Design of slow flow sensor for low-velocity seepage experiment
QIN Sun-wei-2,LIYun-an
(1. Faculty of Engineering. China University of Geosciences, Wuhan 430074, China :
2. School of Chemistry and Environmental Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China ) eaasoaronaoa araoedeei experiment,a slow flow measurement method using electrolytic polarization tracing is proposed. The measuring principle, structure and control circuit for the sensor are introduced. A flow sensor with the range of 10 ~100 μL/ min is made, and using monolithic electroosmotic pump, flow measurment experiment is conducted. The results show that the sensor has simple structure and small size. At the range of 10 ~60 μl/min,the linear correlation of poon sey pue uaadxa aredaas aoaaor jo uaarnbar aa ea aosuas ls66o e aaeart st osuas practical value.
Key words: low-velocity seepage; electrolysis polarization; tracer method; sensor
0引言
随着石油资源逐渐减少，低渗透油藏相继投人开发，开
发过程中发现，低渗透油藏的渗流特征与中、高渗透油田的渗流特征显著不同，存在启动压力梯度，低速流阶段渗流曲线偏离达西定律等现象1.2]。在低渗透岩的启用压力梯度和低速非达西渗流的实验研究过程中，往往需要观测岩体在μL/min级别流速时的渗流行为，但由于缺乏测量低速渗流的有效手段，实验过程中通常使用可调流速的商品化恒流泵来避免测量低速渗流流速，因商品化恒流泵流速分辨率多为0.001mL/minl3]，使得低速渗流实验难于在 μL/min级别流速下获得更多的实验数据，严重制约了低速非达西流的研究。
本文从电解极化示踪的角度出发，利用电解极化示踪法，设计了一种能在低速渗流实验中使用的渗流流速传感器。
收稿日期：2016-07-17
*基金项目：潮北省教育厅科学技术研究项目（B2015326）
测量原理
溶液中的离子会在施加电压后的电解电极表面富集，形成与溶液平衡浓度不同的具有高浓度区域和低浓度区域的离子层示踪源如图1），当电极上施加的电压消失后离子层会向下流进行扩散迁移，当离子层示踪源迁移到下游测量端的电导电极时，离子层示踪源中的低浓度区域会形成一个电导极小峰，高浓度区域会形成一个电导极大峰，两峰的出峰时间与流速和扩散速度有关，当流速较大时可以忽略扩散速度，若示踪源与测量端间的距离不变，则出峰时间与流速成反比，当通道的截面积一定时，出峰时间与流量成反比，通过测量出峰时间即可求出流量。
离子层在水中的迁移可视为离子在一维条件下的扩散，其浓度为时间和距离的函数*]，即
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(1)