CN102364420B - 高精度ect智能传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度ECT智能传感器，该智能传感器由敏感电容极板和信号处理电路板组成，敏感电容极板表面经过特氟龙喷涂处理，可直接接触被测流体。特氟龙涂层具有较强的耐热性和耐腐蚀性，表面光滑且介电常数稳定，使测量结果更加稳定，应用领域更加广泛，清洗沉积污垢的维护周期有望延长，重复利用成为可能。信号处理电路板固定在敏感电容极板提供的螺柱上，就近采集来自敏感电容极板的模拟信号，经处理转换成数字信号通过CAN总线发送给成像计算机，有效的缩短了模拟信号的传输距离，减少了杂散电容对成像效果的影响，接收指令后可自动完成电流激励和数据采集任务。工业CAN总线接口具有抗干扰能力强，传输距离远等特点，使成像计算机可远离工业现场放置。

Description

高精度ECT智能传感器

技术领域

本发明提供一种ECT智能传感器，尤其是应用于工业现场，具有较强的杂散电容抑制能力和较高的信噪比，是一种可实现远距离数据传输的高精度ECT智能传感器。

背景技术

电学成像作为一种新兴的过程成像技术，具有非侵入、可视化、成本低、无辐射、响应迅速等特点，主要包括电阻抗成像(EIT)、电容成像(ECT)、电磁成像(EMT)等。其中电容成像(ECT)的原理是根据不同被测物体介电常数的变化，通过测量敏感电极间电容值的变化实现对被测物体的成像。由于被测电容的变化值非常微弱，因此系统杂散电容以及噪声对测量结果的影响是电容成像技术的难点。

电容成像技术广泛应用于多相流体测量。在测量过程中，电容传感器电极多为外置式，但管壁电容的存在会影响测量的线性度。设计内置式电极，将电极直接与流体接触，可以消除管壁电容对电容测量造成的不利影响。然而，由于电容极板一般为铜、不锈钢等金属材料，抗腐蚀性能具有一定的局限性，且容易影响管道内壁的光滑程度，因此内置式的电容传感器应用较少。

现有的ECT电容测量系统，如专利(申请号为01112515.2，发明名称为“电容层析成像电容测量系统”)，论文(1996年W.Q.Yang发表于《测量科学和技术》(Measurement，Science and Technology)的第7卷第3期，第225-232页)均为所有的电容极板共享一个数字信号采集系统，将电容极板上的电压信号通过电缆传送给数字信号采集系统，经其处理后再发送给成像计算机。在这种设计方案下，传导模拟信号的电缆也成了杂散电容和系统噪声的主要来源。

在数据传输方面，如专利(申请号为200410001163.8，发明名称为“具备高速数据远传能力的电容成像装置”)通过RS485总线技术连接电容传感器和成像计算机，这样就延长了数据传输的距离。然而，RS485在长距离传输过程中波特率仍然受到了一定限制，也影响了成像速度。

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线具有传输距离长、速度快、抗干扰能力强、可接入节点多等优点，因此在工业现场的信息传输中已得到广泛应用。天津大学何世钧博士论文《电容层析成像系统的研究与应用》提出对ECT数据进行统一采集后，采用CAN总线进行点对点传输，提高了数据传输的距离和速度，但是没有充分发挥CAN总线多点传输的优势。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是设计一种具有较强的抗杂散电容能力，较高信噪比以及长距离数据传输能力的ECT智能传感器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种高精度ECT智能传感器，该智能传感器设置于被测流体管道的内管壁上，其中：该智能传感器包括有多个结构相同的敏感电容极板和信号处理电路板，所述多个敏感电容极板以圆周均布方式分布于被测流体管道同一截面的内侧，每个敏感电容极板的一侧与螺柱的一端固定电连接，螺柱径向向外穿过被测流体管道的管壁，螺柱在被测流体管道外侧的一端与信号处理电路板固定电连接，敏感电容极板的另一侧涂有涂层；

信号处理电路板通过单片机自带的闪存存储器独立编址，每个信号处理电路板通过CAN总线连接，同时该CAN总线通过CAN-USB转换器连接到成像计算机的USB接口上，每个信号处理电路板通过CAN总线接收并执行来自成像计算机的命令，采集到的模拟信号通过信号处理电路板转换为成像所需的数字信号，经CAN总线发送给远端的成像计算机；

所述智能传感器外部有屏蔽层包围，从屏蔽层内部引出CAN总线用于与成像计算机通讯。

本发明的有益效果是：

(1)采用经特氟龙喷涂处理的专用内置电极，既减少了管壁电容对成像效果的影响，提高了电容测量的线性度，也克服了被测流体对电容极板的腐蚀作用，使测量结果更加稳定，应用领域更加广泛，清洗沉积污垢的维护周期有望延长，电极的重复利用成为可能。

(2)具有可编址功能的信号处理电路板“直接靠近”敏感电容极板，就近将微弱的模拟信号转换为成像所需的数字信号，通过CAN总线传送给远端的成像计算机。有效减少了模拟信号的传输距离，降低了杂散电容和系统噪声对成像效果的影响。

(3)采用CAN总线的数据传输方式，实现电容传感器与成像计算机的数据传送，使数据的传输距离延长，传输速度提高，在数据传输距离为1公里的情况下，仍可以保持50kbps的传输速率；同时取消了多路选通装置，简化了系统结构。

附图说明

图1是本发明的高精度ECT智能传感器截面结构示意图；

图2是图1的局部侧视放大图；

图3是本发明的信号处理电路板结构框图。

图中：

1.敏感电容极板 2.信号处理电路板 3.螺柱 4.被测流体管道5.屏蔽层 6.CAN总线 7.CAN-USB转换器 8.成像计算机9.绝缘垫圈 10.极板固定螺母 11.电路板固定螺母 12.涂层13.激励信号源 14.模拟开关阵列 15.电容-电压转换电路16.交流可编程增益放大器 17.模拟乘法器 18.低通滤波器19.直流可编程增益放大器 20.模拟-数字转换器21.数字-模拟转换器 22.单片机 23.CAN总线收发芯片

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的高精度ECT智能传感器结构进一步说明。

本发明采用内置式敏感电容极板，在电容极板接触流体的一侧均匀的喷涂一层特氟龙。该涂层具有较高的使用温度(300℃)，极低的摩擦系数，良好的耐磨性和极好的化学稳定性。敏感电容极板在经特氟龙喷涂处理后，具有非常好的抗腐蚀性，同时由于特氟龙介电常数稳定且涂层均匀，因此涂层对成像效果的影响非常小，且可通过固定偏置补偿。同时，本发明为每个电容极板单独配备信号处理电路板，安装在管道外侧与电容极板临近的位置，由电容极板输出的模拟信号就近处理转换成ECT成像所需的数字信号后，经CAN总线传输到远端的成像计算机。

本发明的高精度ECT智能传感器总体结构是，该智能传感器设置于被测流体管道4的内管壁上，该智能传感器包括有多个结构相同的敏感电容极板1和信号处理电路板2，所述多个敏感电容极板1以圆周均布方式分布于被测流体管道4同一截面的内侧，每个敏感电容极板1的一侧与螺柱3的一端固定电连接，螺柱3径向向外穿过被测流体管道4的管壁，螺柱3在被测流体管道4外侧的一端与信号处理电路板2固定电连接，敏感电容极板1的另一侧涂有涂层12；所述涂层12为特氟龙涂层，所述多个智能传感器的敏感电容极板1和信号处理电路板2的个数分别为8个或12个或16个或32个。

信号处理电路板2通过单片机22自带的闪存存储器独立编址，每个信号处理电路板2通过CAN总线6连接，同时该CAN总线6通过CAN-USB转换器7连接到成像计算机8的USB接口上，每个信号处理电路板2通过CAN总线6接收并执行来自成像计算机8的命令，采集到的模拟信号通过信号处理电路板2转换为成像所需的数字信号，经CAN总线6发送给远端的成像计算机8；所述智能传感器外部有屏蔽层5包围，从屏蔽层5内部引出CAN总线6用于与成像计算机8通讯。

所述信号处理电路板2包括有激励信号源13、模拟开关阵列14、电容-电压转换电路15、交流可编程增益放大器16、模拟乘法器17、低通滤波器18、直流可编程增益放大器19、模拟-数字转换器20、数字-模拟转换器21、单片机22、CAN总线收发芯片23，其中激励信号源13输出固定频率的正弦波电压信号，同时发送给模拟开关阵列14的一个输入端和模拟乘法器17的一个输入端，模拟开关阵列14的另一个输入端连接至电容-电压转换电路15的输入，电容-电压转换电路15的输出连接交流可编程增益放大器16的输入，交流可编程增益放大器16的输出连接到模拟乘法器17的另一个输入，模拟乘法器17的输出连接到低通滤波器18的输入，低通滤波器18的输出减去从数字-模拟转换器21输出的偏置电压，经直流可编程增益放大器19放大，发送给模拟-数字转换器20，模拟-数字转换器20输出的数字信号发送给单片机22，单片机22通过CAN总线收发芯片23实现与CAN-USB转换器7的信号传输，CAN-USB转换器7的输出连接成像计算机8的USB接口，模拟开关阵列14、交流可编程增益放大器16、直流可编程增益放大器19和数字-模拟转换器21均由单片机22控制，模拟开关阵列14的输出与敏感电容极板1通过螺柱3连接。

如图1、图2所示，该智能传感器主要包括多个敏感电容极板1和信号处理电路板2。其中敏感电容极板1为宽6mm，长13mm，厚1mm的铜板，通过轴向中心线上直径3mm，高5cm的螺柱3固定。敏感电容极板1与螺柱3采用一体化设计。安装时，将螺柱3的一侧径向向外穿越被测流体管道4，使敏感电容极板1紧贴被测流体管道4的内壁，然后从螺柱3露出被测流体管道4的一侧加绝缘垫片9，并用极板固定螺母10固定。敏感电容极板1与流体接触的一侧喷涂特氟龙涂层12。本发明适合于被测流体管道4内径大于等于8cm的圆型管道。

信号处理电路板2的几何中心设有一个直径3mm的圆形孔，将信号处理电路板2套在螺柱3上，再用电路板固定螺母11固定。螺柱3的作用是，一方面固定敏感电容极板1和信号处理电路板2，另一方面实现敏感电容极板1和信号处理电路板2的电连接。

本发明的高精度ECT智能传感器中，敏感电容极板1、信号处理电路板2以及螺柱3的个数可设置为8、12、16、32、64等各种系列。所述智能传感器中的多个敏感电容极板1和信号处理电路板2以圆周均布方式位置相对的设置在被测流体管道4的同一截面处的内侧和外侧。

该智能传感器的多个信号处理电路板2通过CAN总线6连接，同时CAN总线6通过CAN-USB转换器7连接到远端成像计算机8的USB接口上。信号处理电路板2接收来自远端成像计算机8的各种指令，实现校准、激励、模拟电压信号采集、模拟-数字信号转换等任务，数字信号通过CAN总线6发送给远端的成像计算机8。

每个信号处理电路板2都具有编址功能，远端成像计算机8可通过地址信息分时采集数据。

整个智能传感器的最外层有屏蔽层5包围，屏蔽传感器整体。屏蔽层5接地，从屏蔽层5内部引出CAN总线6用于与成像计算机8通讯。

信号处理电路板如图2、3所示，信号处理电路板2主要由激励信号源13、模拟开关阵列14、电容-电压转换电路15、交流可编程增益放大器16、模拟乘法器17、低通滤波器18、直流可编程增益放大器19、模拟-数字转换器20、数字-模拟转换器21、单片机22、CAN总线收发芯片23组成。

激励信号源13由DDS芯片AD7008构成，其作用是产生正弦激励信号，可直接输出频率为500kHZ，幅值为18V的正弦激励信号。正弦激励信号一方面发送至模拟开关阵列14作为输入，另一方面作为模拟乘法器17的一个输入。

模拟开关阵列14由一片ADG201芯片构成，由单片机22控制模拟开关阵列14的打开和关断。模拟开关阵列14的输出通过螺柱3连接到敏感电容极板1上，而两个输入一个连接到激励信号源13的输出，一个连接到电容-电压转换电路15的输入。模拟开关阵列14的作用是：通过单片机22的控制，可分别实现敏感电容极板1和激励信号源13连接或与电容-电压转换电路15连接。当敏感电容极板1与激励信号源13连接时，该智能传感器处于激励状态；当敏感电容极板与电容-电压转换电路15连接时，该智能传感器处于测量状态。

电容-电压转换电路15的输出信号通过交流可编程增益放大器16，经放大后输出到模拟乘法器17。

模拟乘法器17采用AD633芯片实现，模拟乘法器17的两个输入一个是电压激励信号，另一个则是交流可编程增益放大器16的输出，模拟乘法器17将两个信号进行乘法运算后输出，再经低通滤波器18滤波后得到相敏解调信号。低通滤波器18采用四阶巴特沃兹滤波器，截止频率为1MHz。

低通滤波器18输出的相敏解调信号减去数字-模拟转换器21输出的偏置电压，经直流可编程增益放大器19放大后，输入到模拟-数字转换器20。模拟-数字转换器20采用12位串行模拟-数字转换芯片MAX144，单片机22通过SPI总线与其通讯，获得被测电压的数字量。

数字-模拟转换器21采用12位串行数字-模拟转换芯片LTC1456。

交流可编程增益放大器16和直流可编程增益放大器19的增益由单片机22控制。

单片机22通过CAN总线收发芯片23与远端的带有CAN-USB转换器7的成像计算机8实时通讯，接收来自成像计算机的指令，并将采集到的输出信号发送给成像计算机8。CAN总线收发芯片23采用飞利浦公司生产的TJA1040芯片。

单片机22采用意法半导体公司生产的32位单片机STM32F103C4，该单片机为ARM Cortex-M3核，最高工作频率为72MHz，且具有硬件SPI接口和CAN总线通讯协议。

Claims (4)

1.一种高精度ECT智能传感器，该智能传感器设置于被测流体管道(4)的内管壁上，其特征是：该智能传感器包括有多个结构相同的敏感电容极板(1)和多个结构相同的信号处理电路板(2)，所述多个敏感电容极板(1)以圆周均布方式分布于被测流体管道(4)同一截面的内侧，每个敏感电容极板(1)的一侧与螺柱(3)的一端固定电连接，螺柱(3)径向向外穿过被测流体管道(4)的管壁，螺柱(3)在被测流体管道(4)外侧的一端与信号处理电路板(2)固定电连接，敏感电容极板(1)的另一侧涂有涂层(12)；

信号处理电路板(2)通过单片机(22)自带的闪存存储器独立编址，每个信号处理电路板(2)通过CAN总线(6)连接，同时该CAN总线(6)通过CAN-USB转换器(7)连接到成像计算机(8)的USB接口上，每个信号处理电路板(2)通过CAN总线(6)接收并执行来自成像计算机(8)的命令，采集到的模拟信号通过信号处理电路板(2)转换为成像所需的数字信号，经CAN总线(6)发送给远端的成像计算机(8)；

所述智能传感器外部有屏蔽层(5)包围，从屏蔽层(5)内部引出CAN总线(6)用于与成像计算机(8)通讯。

2.根据权利要求1所述的智能传感器，其特征是：所述信号处理电路板(2)包括有激励信号源(13)、模拟开关阵列(14)、电容-电压转换电路(15)、交流可编程增益放大器(16)、模拟乘法器(17)、低通滤波器(18)、直流可编程增益放大器(19)、模拟-数字转换器(20)、数字-模拟转换器(21)、单片机(22)、CAN总线收发芯片(23)，其中激励信号源(13)输出固定频率的正弦波电压信号，同时发送给模拟开关阵列(14)的一个输入端和模拟乘法器(17)的一个输入端，模拟开关阵列(14)的另一个输入端连接至电容-电压转换电路(15)的输入，电容-电压转换电路(15)的输出连接交流可编程增益放大器(16)的输入，交流可编程增益放大器(16)的输出连接到模拟乘法器(17)的另一个输入，模拟乘法器(17)的输出连接到低通滤波器(18)的输入，低通滤波器(18)的输出减去从数字-模拟转换器(21)输出的偏置电压，经直流可编程增益放大器(19)放大，发送给模拟-数字转换器(20)，模拟-数字转换器(20)输出的数字信号发送给单片机(22)，单片机(22)通过CAN总线收发芯片(23)实现与CAN-USB转换器(7)的信号传输，CAN-USB转换器(7)的输出连接成像计算机(8)的USB接口，模拟开关阵列(14)、交流可编程增益放大器(16)、直流可编程增益放大器(19)和数字-模拟转换器(21)均由单片机(22)控制，模拟开关阵列(14)的输出与敏感电容极板(1)通过螺柱(3)连接。

3.根据权利要求1所述的智能传感器，其特征是：所述智能传感器的多个敏感电容极板(1)的个数为8个或12个或16个或32个，所述信号处理电路板(2)的个数与多个敏感电容极板(1)对应为8个或12个或16个或32个。

4.根据权利要求1所述的智能传感器，其特征是：所述涂层(12)为特氟龙涂层。

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