CN102297884A - 一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置 - Google Patents

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宋国荣
何存富
吴斌
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Abstract

一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，属于检测领域。包括空绝缘容器，多阵列电极极板，绝缘层和屏蔽层；空绝缘容器外表面固定连接多阵列电极极板，多阵列电极极板外层依次为绝缘层和屏蔽层；多阵列电极极板由自上而下沿轴向等间距排列的多个环状极板组组成，每个环状极板组由多个均匀分布的单元极板组成；通过对单元极板的物理通断控制，可以组成大小不同的组合极板。当待测非金属混合物置于容器任意位置时，通过多阵列自适应ECT传感器的逐层检测来判断待测物的位置，并按照实际测量要求，选择测量极板数量、几何尺寸、轴向屏蔽等参数，使该传感器始终保持良好的测量效果。

Description

一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置
技术领域
本发明主要涉及一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，用于断层层析成像测量，特别是管道内流体、气体的分布、流型等的检测成像，属于检测领域。 
背景技术
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)技术是一种工业层析成像(Process Tomography，PT)技术。传统ECT传感器利用单圈多金属导电极板均匀分布围绕于测量管道外壁，并对每一对独立电极对进行测量，根据测量得到的M组独立电容值，推导计算管内混合物质的电容率分布，通常ECT传感器极板数量取8、12、16从而满足不同需要的测量。 
传统ECT传感器通常为环形单层、由8到16块极板构成。其局限性在于： 
(1)不同的传感器极板数目，能够明显影响传感器的测量数据量。极板数量越多，测量数据量越大。如果传感器尺寸固定，增加ECT传感器极板数量则会降低测量信号强度，因此传统ECT传感器无法根据实际测量需要，任意的改变传感器数量以实现不同测量倾向。 
(2)不同的传感器极板面积，能够对传感器测量信号强度产生明显影响。传统ECT传感器的极板面积在传感器设计完成之后是固定值，没有办法调整，因此只能满足固定的测量信号强度要求。 
(3)不同的保护极板的模式选择，能够对ECT传感器测量的空间分辨率产生影响。轴向保护极板通常分为驱动保护(Drive Guard)与端接地保护(End Guard)两种。驱动保护结构能够使ECT传感器在进行横截面成像时更为精确，而端接地保护结构能够使ECT传感器在轴向测量时保持高灵敏度，传统ECT传感器在设计完成之后无法需要根据不同的测量需要调整不同的传感器保护极板结构。 
为了改善以上ECT传感器测量中的局限性，以实现在不同测量条件和目的下，对传感器成像分辨率，测量精度以及成像速度的不同要求，需要提出一种新型的ECT传感器结构，能够灵活机动的变换结构特性。 
发明内容
为克服现有传统ECT传感器结构中存在的局限性，提出一种多阵列自适应的ECT传感器结构，满足多种模式测量需求。为了实现上述的发明目的，所述的多阵列自适应的ECT传感器技术方案以如下方式实现： 
一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，包括空绝缘容器，多阵列电极极板，绝缘层和屏蔽层；空绝缘容器外表面固定连接多阵列电极极板，多阵列电极极板外层依次为绝缘层和屏蔽层； 
固定传感器的空绝缘容器用于待测液体、颗粒、粉末状物质的盛装，也可以盛装小于容器直径的整瓶物质； 
多阵列电极极板由自上而下沿轴向等间距排列的n个环状极板组组成，每个环状极板组由m个均匀分布的单元极板组成；其中n为大于等于3的正整数，m为8、12、16的公倍数。相邻单元极板轴向间距相同，径向间距相同； 
因此空绝缘容器的外壁自上而下沿轴向按照相同中心角度紧贴至少三个环状极板组，每个环状极板组内最少设计48个单元极板。环状极板组之间的间距相同，每个环状极板组内的单元极板等间距排列，并且每个环状极板组内的单元极板轴向分布对应一致。 
沿轴向自上而下，依次选择至少一个环状极板组全部连通并且接地，构成传感器接地层；至少一个环状极板组用于测量，构成传感器测量层；至少一个环状极板组全部连通并且接地，构成传感器接地层；测量层和接地层之间至少间隔一个不导通的环状极板组，通过以上设置实现传感器的端接地保护模式。其中测量层由沿空绝缘容器外壁周向均匀分布的组合极板构成。组合极板是由i行，j列个相邻的单元极板组成的矩形极板，其中i、j为正整数，且1＜i＜n-2，1＜j＜m-1；组合极板沿空绝缘容器外壁周向均匀分布，相邻组合极板由不导通的单元极板隔开，相邻组合极板间距相等。 
沿轴向自上而下，依次选择至少一个环状极板组构成驱动保护层，至少一个环状极板组用于测量，构成传感器测量层，至少一个环状极板组构成驱动保护层，测量层和驱动保护层之间至少间隔一个不导通的环状极板组，通过以上设置实现传感器的驱动保护模式。其中驱动保护层和测量层由沿空绝缘容器外壁周向均匀分布，且分布相同的组合极板构成；驱动保护层组合极板所含的单元极板的列数与测量层组合极板列数相同；驱动保护层的组合极板 提供与之轴向对应测量层组合极板相同的电势。所述的组合极板是由i行，j列个相邻的单元极板组成的矩形极板，其中i、j为正整数，且1＜i＜n-2，1＜j＜m-1；组合极板沿空绝缘容器外壁周向均匀分布，相邻组合极板由不导通的单元极板隔开，相邻组合极板间距相等。 
本发明通过对单元极板的物理通断选择与控制，可以实现：组合极板(5)的选择与控制，其中组合极板是利用物理通断实现的，由轴向或径向相邻单元极板组成的矩形极板。测量层组合极板(5)的单元极板数量相同，相邻的组合极板(5)间隔相同。同样驱动保护层组合极板(5)的单元极板(6)数量相同，相邻的组合极板(3)间隔相同。而测量层组合极板(3)的单元极板(6)数量与驱动保护层组合极板(5)的单元极板(6)数量可以不同。通过组合极板(5)的选择与控制能够改变其面积大小与极板数量，从而控制传感器测量信号强度与测量数据量。 
本发明通过对单元极板(6)的物理通断选择与控制，可以实现：轴向、径向单元极板间距的选择与控制，以及组合极板(5)间距的选择与控制。单元极板(6)间距大小以及组合极板(5)间距大小为单元极板的整数倍。通过对间距参数的调整能够改变传感器电场线的穿透深度性能。 
本发明通过对单元极板(6)的物理通断选择与控制，可以实现：轴向保护模式的选择与控制，可以构成驱动保护模式也可以构成端接地保护模式，从而改变或调整传感器极板的轴向空间分辨率。 
本发明由于采用了上述的结构，多阵列的单元极板(6)等间隔环绕紧贴在绝缘容器外壁，待测量混合物质装入空绝缘容器(1)中。该装置可以通过选择ECT传感器的轴向不同层作为测量层，通过测量数据判断待测量混合物在容器内的位置。该装置可以通过调整组合极板(5)选择不同的传感器轴向保护模式或调整相邻组合极板(5)的间距以实现传感器轴向空间分辨率的调整。该装置可以通过调整组合极板(5)，调整测量极板层的测量极板数目，以实现ECT传感器径向分辨率的调整。该装置可以通过调整组合极板(5)调整ECT传感器测量层的组合极板(5)面积以增加测量信号强度，实现对电容率低的混合物的测量。这样，无论混合物的介电常数、位置或测量的目的与要求如何变化，通过本发明都能达到良好的测量成像效果。 
本发明具有如下优点： 
(1)本装置能够控制ECT传感器轴向保护模式从而提高传感器轴向空间测量分辨率，实现对轴向各高度的测量，具有灵活性高，测量分辨率，测量精度可调的优点。 
(2)本装置通过组合极板(5)的形式控制测量层中测量极板的数量，当单圈单元极板数量为48时，ECT传感器可分别工作于8、12与16测量极板模式，以满足对测量数据量与测量区域的成像分辨率的不同要求。 
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的说明。 
附图说明
图1为自适应电容层析成像传感器的结构示意图； 
图2为阵列单元极板的局部放大示意图(简化屏蔽层)； 
图3为自适应电容层析成像传感器分别实现8、12和16极板传统ECT传感器结构的示意图(简化屏蔽层)。 
图4为自适应电容层析成像传感器进行组合极板(5)面积的选择与控制的结构示意图(简化屏蔽层)。 
图4a为自适应电容层析成像传感器驱动保护模式结构示意图(简化屏蔽层)。 
图4b为自适应电容层析成像传感器端接地保护模式结构示意图(简化屏蔽层)。 
图5为自适应电容层析成像传感器8极板、驱动保护模式时的结构示意图。 
图6为驱动保护模式下，沿Z轴方向的电场变化趋势，其中d表示驱动保护极板与测量极板的轴向间距，图中E表示有激励保护层时的电场强度，E0表示没有激励保护层时的电场强度。 
图7为自适应电容层析成像传感器12极板、端接地保护模式时的结构示意图。 
图8为端接地保护模式下，沿Z轴方向的电场变化趋势，其中d表示端接地保护极板与测量极板的轴向间距，图中E表示有接地层时的电场强度，E0表示没有接地层时的电场强度。 
图1-8中，每个环状极板组由48个单元极板组成。 
以上所有图中标号说明： 
1：容器，2：单元极板，3：绝缘层组合极板，4：外部屏蔽层，5：组合极板，d1：单元极板轴向间距，d2：单元极板径向间距，DG：驱动保护层，EG：接 地层，图中深色部分表示物理连通，白色部分表示未连通。 
具体实施方案分述如下： 
实施例1参见图5，图5为自适应电容层析成像传感器8极板、驱动保护模式时的结构示意图。设定传感器由11个环形极板组组成，每个环形极板组由48块单元极板组成。驱动保护层和测量层分别由8个组合极板构成，驱动保护层组合极板由4行、5列单元极板组成，每个组合极板共有20个单元极板。测量层组合极板由1行、5列单元极板组成，每个组合极板共有5个单元极板。驱动保护层与测量层之间间隔一个不导通的环形极板组，每个相邻的组合极板间间隔一列不导通的单元极板。 
空绝缘容器(1)内壁半径50mm，空绝缘容器(1)壁厚2.5mm，多阵列电极极板覆盖外容器壁达70％，单元极板(6)高为32mm，外部屏蔽层(4)横截面半径为57.5mm，激励电压为15V，空绝缘容器(1)内测量介质为水，多阵列电极极板与屏蔽层间的绝缘层使用空气绝缘，测量环境为干燥室温。传感器测量极板层选择位于容器轴向高度的中心位置的平面上，据底部60mm处。传感器使用组合极板(5)构成驱动保护结构。组合极板的大小可以根据实际情况进行选择。这种组合的优势在于：传感器沿z轴方向测量灵敏度衰减速度最慢，即轴向电场变化比较平缓，这意味着传感器感应区域大于传感器测量极板长度所覆盖的测量区域。通过实验结果分析发现，当ECT传感器使用轴向驱动保护极板结构时，能够明显的降低3D效应对传感器测量区域的影响，保证轴向不同高度的横截面区域内的灵敏度分布不受到干扰，即增加轴向驱动保护，能够尽可能的减小传感器测量极板的轴向尺寸，而不产生明显的3D效应，对测量结果不造成干扰，从而尽可能逼近2D的横截面测量结果；但需要注意的是，此时的测量电容值并不是真实的激励极板与接收极板间的电容值，它还受到驱动保护层的组合极板与接收极板间的电容效应的影响，因此，如果感应区域内的材料介质分布不是轴向均匀，电容率是不均匀分布的时候，驱动保护结构对3D效应是没有抑制作用的，如图6所示，在轴向60mm处出现了电场变化缓慢的区域，即降低了3D效应对传感器测量区域的影响。 
实施例2参见图7，图7为自适应电容层析成像传感器12极板、端接地保护模式时的结构示意图。设定传感器由11个环形极板组组成，每个环形极板组由48块单元极板组成。沿轴向自上而下，依次选择三个环状极板组全部 连通并且接地，构成接地层；选择三个环状极板组构成测量层，测量层由12个组合极板构成，每个组合极板由3行、3列单元极板组成，每个组合极板作为一个测量极板，相邻组合极板间间隔3行、1列的未导通单元极板；依次选择三个环状极板组全部连通并且接地，构成接地层；接地层和测量层之间由一个未导通的环形极板组隔开。 
空绝缘容器(1)内壁半径50mm，空绝缘容器(1)壁厚2.5mm，多阵列电极极板覆盖外容器壁达70％，单元极板(6)高为32mm，外部屏蔽层(4)横截面半径为57.5mm，激励电压为15V，空绝缘容器(1)内测量介质为水，极板与屏蔽层间的绝缘层(3)使用空气绝缘，测量环境为干燥室温，。传感器测量层选择位于容器轴向高度中心位置的平面上，据底部60mm处。端接地保护模式的ECT传感器与驱动保护模式的ECT传感器正好相反，沿z轴方向的测量电场变化明显，测量灵敏度有明显的沿轴向衰减的现象。传感器测量极板长度范围内的电场变化较平缓，本实例中测量极板为3×3阵列的组合极板，当z轴方向超过测量极板高度时，传感器灵敏度衰减迅速降低。需要注意的是，尽管使用端接地结构对感应区域电场产生强约束，形成非常窄的截面感应区域，但是会因为端接地极板对激励极板的电场线的拉拽现象，增加传感器测量区域的3D效应。通过增加传感器测量极板的轴向长度能够降低3D效应对测量结果的影响。因此可以根据实际情况选择构成接地层的环状极板组的个数和组合极板的大小，如图8所示，轴向60mm处，出现了较为剧烈的电场变化，即增加了传感器测量区域的3D效应。 

Claims (10)

1.一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，其特征在于：包括空绝缘容器(1)，多阵列电极极板(2)，绝缘层(3)和屏蔽层(4)；空绝缘容器(1)外表面固定连接多阵列电极极板(2)，多阵列电极极板(2)外层依次为绝缘层(3)和屏蔽层(4)；
多阵列电极极板由自上而下沿轴向等间距排列的n个环状极板组组成，每个环状极板组由m个均匀分布的单元极板(6)组成；
2.根据权利要求1所述的一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，其特征在于：所述的环状极板组个数n为大于等于3的正整数。
3.根据权利要求1所述的一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，其特征在于：所述的单元极板(6)个数m为8、12、16的公倍数。
4.根据权利要求1所述的一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，其特征在于：所述的绝缘层(3)是空气。
5.根据权利要求1所述的一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，其特征在于：沿轴向自上而下，依次选择至少一个环状极板组全部连通并且接地，构成传感器接地层；至少一个环状极板组用于测量，构成传感器测量层；至少一个环状极板组全部连通并且接地，构成传感器接地层；测量层和接地层之间至少间隔一个不导通的环状极板组，通过以上设置实现传感器的端接地保护模式。
6.根据权利要求5所述的一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，其特征在于：所述的测量层由沿空绝缘容器外壁周向均匀分布的组合极板构成。
7.根据权利要求6所述的一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，其特征在于：组合极板是由i行，j列个相邻的单元极板组成的矩形极板，其中i、j为正整数，且1＜i＜n-2，1＜j＜m-1；组合极板沿空绝缘容器外壁周向均匀分布，相邻组合极板由不导通的单元极板隔开，且间距相等。
8.根据权利要求1所述的一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，其特征在于：沿轴向自上而下，依次选择至少一个环状极板组构成驱动保护层；至少一个环状极板组用于测量，构成传感器测量层；至少一个环状极板组构成驱动保护层；测量层和驱动保护层之间至少间隔一个不导通的环状极板组，通过以上设置实现传感器的驱动保护模式。
9.根据权利要求8所述的一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，其特征在于：所述的驱动保护层和测量层由沿空绝缘容器外壁周向均匀分布，且分布相同的组合极板构成；驱动保护层组合极板所含的单元极板的列数与测量层组合极板列数相同；驱动保护层的组合极板提供与之轴向对应测量层组合极板相同的电势。
10.根据权利要求9所述的一种多阵列自适应电容层析成像传感器装置，其特征在于：所述的组合极板(5)是由i行，j列个相邻的单元极板组成的矩形极板，其中i、j为正整数，且1＜i＜n-2，1＜j＜m-1；组合极板沿空绝缘容器外壁周向均匀分布，相邻组合极板由不导通的单元极板隔开，相邻组合极板间距相等。
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