CN104655692B - 电容层析成像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容层析成像传感器。该电容层析成像传感器增加了传感器外框，测量电极布置在传感器外框内壁，避免与被测流体的直接接触；屏蔽电极组布置在传感器外框外侧面，实现了与测量电极的电气绝缘，从而使得测量电极与屏蔽电极组的安装更加灵活。

Description

电容层析成像传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电容层析成像传感器。

背景技术

随着循环流化床锅炉参数的提高和容量的增大，其内部的颗粒流动规律变得极为复杂，而密相区布风均匀性也就显得尤为重要。然而，实时、有效的截面颗粒浓度分布测量技术的缺乏阻碍了对循环流化床锅炉内部流体动力特性的描述。一般而言，循环流化床内部流体的动力特性通常可以利用侵入式的点测量技术来获取，例如动量探针、电容探针和光纤探针等。但是这些方法只能测量局部、瞬态颗粒浓度，随着流动尺度的增大，点测量方法难于得到内部流动信息，而成像技术则可以得到时间平均或者实时的多相流的场图像。

电容层析成像作为一种可视化测量技术，由于其具有无辐射、成像速度快(大于100帧/秒)、非接触和非侵入，耐高温高压以及低成本等诸多优点，已经发展成为一种非常有前途的过程成像方法。在大尺度循环流化床锅炉中，为了提高锅炉的性能，炉膛从传统的方形、矩形演变为各种不规则的多边形形状。常规的电容层析成像传感器在设计制作过程中一般将测量电极布置在被测管道或者容器的外侧面，测量电极与外部屏蔽罩之间通过外加的绝缘层隔离。

图1为现有技术电容层析成像传感器的示意图，被测管道为圆形。请参照图1，该电容层析成像传感器包括：测量电极组T3，包括多个分离的附着在被测管道T1外侧面的测量电极，绝缘层T2，覆盖于多个测量电极及被测管道T1外侧面，屏蔽罩T4，覆盖于绝缘层T2的外侧面。

然而，针对大尺度多边形的测量对象，已有的电容层析成像传感器设计存在两个无法克服的弊端：其一，随着被测区域截面形状的不规则以及尺度的增加，测量电极的布置和安装变得比较困难；其二，已有的屏蔽层及屏蔽罩的安置方式会引入不可忽略的杂散电容，对测量结果产生影响。此外，随着被测量区域尺度的增加，电容层析成像传感器中心区域的灵敏度会明显降低，常规的单电极激励-单电极测量的激励测量模式会降低重建图像的质量。为了对这一类工业过程中的气固两相流动进行测量，需要设计有别于传统的电容层析成像传感器并采用新的激励测量模式。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种能够方便布置和安装测量电极组和屏蔽电极组的电容层析成像传感器。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种电容层析成像传感器。该电容层析成像传感器包括：传感器内框1，呈筒状结构，其横截面为与被测管道的横截面形状与尺寸一致的多边形；传感器外框2，包括若干个分别固定于所述传感器内框1各个外侧面的绝缘平板；屏蔽电极组，包括若干个固定于所述传感器外框2相应平板的外侧面的金属材质的平板状屏蔽电极4；以及测量电极组，包括若干个固定于所述传感器外框2相应平板的内侧面的金属材质的平板状测量电极3。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明电容层析成像传感器具有以下有益效果：

(1)增加了传感器外框，测量电极布置在传感器外框内壁，避免与被测流体的直接接触；屏蔽电极组布置在传感器外框外侧面，实现了与测量电极的电气绝缘，从而使得测量电极与屏蔽电极组的安装更加灵活；

(2)增加的传感器外框可以作为固定结构和位置的屏蔽层，降低了杂散电容；

(3)相邻连续多电极作为激励电极组，增加了传感器中心区域的灵敏度，可以有效的降低测量噪声的干扰，提高图像重建的质量及稳定性。

附图说明

图1为现有技术电容层析成像传感器的示意图；

图2为根据本发明实施例电容层析成像传感器的正视图；

图3为根据本发明实施例电容层析成像传感器的右视图；

图4为图2所示电容层析成像传感器沿A-A向的剖视图；

图5为图4所示电容层析成像传感器中B部的局部放大图。

【主要元件】

1-传感器内框； 2-传感器外框；

3-测量电极； 4-屏蔽电极；

5-带内螺纹套管； 6-螺栓；

7-法兰盘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

为了方便的利用电容层析成像技术来测量大尺度多边形截面区域气固两相流动，本发明提供一种大尺度多边形的电容层析成像传感器，该电容层析成像传感器可以满足大尺度多边形区域气固两相流流动参数测量的要求，且安装方便，同时可以有效的减小杂散电容，多激励-单测量的激励测量模式可以有效的降低测量噪声的干扰，提高图像重建的稳定性。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种电容层析成像传感器。图2为根据本发明实施例电容层析成像传感器的正视图。图3为根据本发明实施例电容层析成像传感器的右视图。请参照图2和图3，本实施例电容层析成像传感器整体上呈筒状，设置于被测管道之间，其上端和下端通过法兰盘7与被测管道相连接。

图4为图2所示电容层析成像传感器沿A-A向的剖视图。请一并参照图2、图3和图4，本实施例电容层析成像传感器包括：传感器内框1，呈筒状结构，其横截面为与被测管道的横截面形状与尺寸一致的多边形，本实施例中，传感器内框截面为八边形；传感器外框2，包括若干个分别固定于传感器内框1各个外侧面的绝缘平板；屏蔽电极组，包括若干个固定于传感器外框2相应平板的外侧面的金属材质的平板状屏蔽电极4；以及测量电极组，包括若干个固定于传感器外框2相应平板的内壁的金属材质的平板状测量电极3。

以下分别对本实施例电容层析成像传感器的各个组成部分进行详细说明。

传感器内框1的横截面为闭合或者非闭合的多边形，其形状和尺寸与被测管道的形状和尺寸保持一致。

传感器外框2作为固定结构与固定位置的绝缘屏蔽层，可以降低杂散电容。该传感器外框2包括若干个分别固定于传感器内框1各个外侧面的绝缘材质的平板。本实施例中，传感器外框2包括布置在传感器内框1外侧面的八个侧面上的8块平板，每块平板均为四边形，在尺寸略小于(约5mm～2cm)传感器内框1外壁各侧面尺寸，以便于安装。

图5为图4所示电容层析成像传感器中B部的局部放大图。请参照图5，带内螺纹套管5粘接在传感器内框1外壁上，传感器外框2在与带内螺纹套管5相应的位置处打孔，用以与传感器内框1连接，螺栓6与带内螺纹套管1相连接，以固定传感器外框2，从而实现传感器内框1和传感器外框2的可拆卸的连接。

屏蔽电极组布置在传感器外框2外壁，每个屏蔽电极形状为四边形平板，屏蔽电极数与传感器内框横截面多边形边的个数一致。在本实施例中，屏蔽电极数为8，分别布置在传感器外框的各个侧面。

四边形屏蔽电极4的高度与宽度略小于传感器外框2相应绝缘平板的高度与宽度。测量电极3的高度略小于屏蔽电极4的高度，每个侧面测量电极3的宽度略小于屏蔽电极4对应的宽度，使得屏蔽电极4可以屏蔽整个测量区域。测量电极3和屏蔽电极4以电的良导体材料制成，本实施例中测量电极3和屏蔽电极4的材料为铜。屏蔽电极4接地保持零电势，从而消除静电干扰的影响。

测量电极3为不易氧化和被腐蚀的四边形良导体，布置在传感器外框2相应侧面的内壁，从而可以避免与被测流体直接接触产生的电极磨损。测量电极数依据传感器内框1形状和尺寸而定，一般为8～16，均布在传感器外框2相应绝缘平板的内表面。

当传感器外框2相应侧面较短时，可以布置1个测量电极。而当相应侧面较长时，可以布置多个测量电极。请参照图4，在本实施例中，测量区域短边各布置1个测量电极，测量区域长边各布置4个测量电极，总测量电极数为14。

在测量过程中，根据实际测量的需求，激励电极可以选择单电极或相邻连续多电极模式，比如双电极激励或四电极激励。本实施例中为双电极激励，在一次测量过程中，相邻两个电极组合作为激励电极Ee，其余的12个电极依次作为检测电极Ed，测量激励电极Ee与检测电极Ed之间的电容值。完成一次测量后，将激励电极按顺时针或者逆时针旋转过一个电极，得到下一次测量的激励电极Ee，依次测量激励电极与其余12个电极之间的电容值。以此类推，直到所有的由两个连续电极构成的组合电极均被激励过。

此外，需要说明的是，根据应用对象的不同，可以根据本发明的宗旨设计不同的电极布置方式以及不同的激励模式。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明电容层析成像传感器有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：除了铜之外，测量电极和屏蔽电极的材料还可以为其它易导电金属。

综上所述，本发明提供一种电容层析成像传感器，其可以应用到超临界循环流化床的气固两相流动测量过程中，也可以应用到其它大型工业过程的非导电两相流体或者多相流体的测量过程中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容层析成像传感器，其特征在于，包括：

传感器内框(1)，呈筒状结构，其横截面为与被测管道的横截面形状与尺寸一致的多边形；

传感器外框(2)，包括若干个分别固定于所述传感器内框(1)各个外侧面的绝缘平板；

屏蔽电极组，包括若干个固定于所述传感器外框(2)相应平板的外侧面的金属材质的平板状的屏蔽电极(4)；以及

测量电极组，包括若干个固定于所述传感器外框(2)相应平板的内侧面的金属材质的平板状的测量电极(3)。

2.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述传感器内框(1)为闭合或者非闭合的多边形，其各个外侧面呈矩形；

所述传感器外框(2)中绝缘平板的数目与传感器内框(1)外侧面的数目相等，各个绝缘平板呈矩形，其长边和短边均比传感器内框(1)相应外侧面相应边小5mm～2cm。

3.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，对应所述传感器内框(1)的每一外侧面，还包括：

多个带内螺纹套管(5)，粘接在传感器内框(1)的外侧面上，传感器外框(2)与该多个带内螺纹套管(5)相应的位置处打孔；

多个螺栓，分别穿过所述平板上相应的孔，螺接于相应的带内螺纹套管(5)上，从而将传感器外框(2)固定于所述传感器内框(1)。

4.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述屏蔽电极组中屏蔽电极(4)的数目与传感器外框(2)中平板的数目相等。

5.根据权利要求4所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述屏蔽电极覆盖其所在绝缘平板上所有的测量电极(3)，其高度和宽度大于所在绝缘平板上所有的测量电极(3)组成的测量区域的高度和宽度。

6.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述传感器内框(1)的每一外侧面对应一个或多个测量电极(3)。

7.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述测量电极(3)呈矩形。

8.根据权利要求6所述的电容层析成像传感器，其特征在于，在测量过程中，所述屏蔽电极组中各个屏蔽电极(4)接地，所述测量电极组中的一个或者相邻的多个测量电极(3)作为激励电极，除激励电极外的其他测量电极(3)依次作为检测电极。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述测量电极(3)和屏蔽电极(4)的材料为铜。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的电容层析成像传感器，其特征在于，该电容层析成像传感器的上端和下端通过法兰盘(7)与被测管路相连接。