CN105353004B - 测量环形空间的双螺旋电极电容层析成像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电学过程成像装置领域的一种测量环形空间的双螺旋电极电容层析成像传感器。该传感器包括主体结构部分及电容测量部分；主体结构部分是由同心的内外管及用来固定位置的连接支架组成，内外管之间的环形空间为被测空间；电容测量部分包含检测电极、电极端屏蔽、屏蔽罩，信号传输电缆，ECT信号采集设备及连接电线。利用内外管壁分别螺旋布置的电极传感器部件，真正实现了对被测环形空间的三维成像，本发明双管壁均布置电极的传感器结构不但实现了对环形空间的成像，还改善了电容信号微弱的问题，是ECT技术的一大突破。

Description

测量环形空间的双螺旋电极电容层析成像传感器

技术领域

本发明是一种电学过程成像装置，是一种测量环形空间的双螺旋电极电容层析成像传感器。

背景技术

电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography,ECT)是20世纪80年代中期开始发展起来的一种多相流参数检测技术。ECT技术以电容敏感机理为基础，当被测区域内多相流介质形态、分布等发生变化时，会引起检测电容极板间的电容值变化，从而通过重建算法重建被测区域的多相流分布图像。

ECT系统的电容来源就是传感器，传统的ECT传感器多为单层布置的二维传感器结构，一般为8,12,16电极的阵列式结构，这些电极只布置在同一高度的四周，大小相同，距离相等，所测量的是一个截面上的介质分布，通过重建得到的图像即为测量区域上的一个截面,这样布置的传感器并不能反映出轴向上流场分布。

有鉴于此，研究人员提出一些解决方法。其一为间接三维电容层析成像技术。它是在管壁上布置多层电容极板，通过测量同层极板间的电容值进行图像重建，再通过重建出的一系列断层图的插值运算从而获得三维图像，成像结果只是数据的平均值，轴向分辨率低，无法测量多相流流速及物料在轴向的分布位置和精确形状。其二为直接三维电容层析成像技术，当前技术是不同层布置传感器，同时检测同层和不同层电容极板间电容值。该种传感器布置方式虽然实现了三维成像，但在层与层之间的区域信号微弱，仅依靠边缘效应，因此其轴向分布率仍然较低，且轴向分布不均，误差相对较大，不能准确检测多相流流动轴向参数。

由此可见，现有的ECT三维传感器只能是分截面进行成像，严格意义来说是属于2.5D图像，所需电极板数量较多，检测数据维数大幅增加，提高成本，且后处理时间增长，实时性降低，计算机存储数据容量增大。且仅能检测圆形或方形空间内部，而工业过程中环形空间场合广泛，如石油开采过程中的水平钻井工艺、循环流化床环形炉膛气固流动过程、旋风分离器环形空间流场、搅拌器多相流流动等热工流动过程，以及环形燃烧室等环形空间内的燃烧过程，均与能量转化效率及生产安全直接相关，迫切需要一定技术将其封闭不透明的过程可视化。环形空间的流场、温度场、浓度场等均十分复杂，影响因素繁多，且传感器难于布置安装，检测信号由于受到阻挡十分微弱。因此，提出一个检测环形空间的直接三维ECT传感器有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种测量环形空间的双螺旋电极电容层析成像传感器，其特征在于，利用内外管壁分别螺旋布置的电极传感器部件，真正实现了对被测环形空间的三维成像，所述检测环形空间的双螺旋结构电容层析成像传感器包括主体结构部分及电容测量部分；

所述主体结构部分是由同心的内外管(绝缘)及用来固定位置的连接支架组成，内外管之间的环形空间为被测空间；所述电容测量部分包含检测电极、电极端屏蔽、屏蔽罩，信号传输电缆，ECT信号采集设备及连接电线。

所述检测电极分别呈螺旋形布置在内管壁外侧及外管壁外侧，各8个电极，内外管检测电极螺旋上升方向相同，相对应的内外电极所占弧度相同，高度相同，形成两两相对；

所述电极端屏蔽布置在内外管上测量电极的上下，靠近电极边呈梯形布置，另一边与管道口平齐。

所述屏蔽罩布置在外管外周、内管内侧；电极端屏蔽和屏蔽罩需使用连接电线进行接地处理，让其处于零电势，以屏蔽外界信号干扰，对测量结果产生影响。

所述外管2、内管1、固定内外管的连接支架11均采用PVC管或有机玻璃的绝缘材料制作。

所述检测电极、电极端的屏蔽电极和内外层的屏蔽罩均采用可导电的薄铜箔制作。

本发明的有益效果为：利用内外管壁分别螺旋布置的电极传感器部件，真正实现了对被测环形空间的三维成像，轴向分辨率提高，敏感场分布均匀，有效减小了电极板数量，提高检测实时性，双层布置方式改善了电容信号微弱的问题。具有如下特点：

(1)本发明采用内外管壁分别螺旋布置极板的传感器结构，使用了16块电极就实现了整个三维空间的均匀成像，能够真正实现对被测区域的ECT直接三维成像，不仅可以得到径向横断面的成像信息，还可以得到多相流轴向分布位置、形态及流速等热工参数。与传统传感器相比，本发明提高了重建图像的轴向分辨率，其敏感场分布均匀；成本较低，实时性较快，后处理运算量大幅减少。

(2)本发明可以对工业应用广泛的环形空间进行三维ECT成像。现有的ECT技术主要是检测圆形或方形管道内部多相流流动情况，没有应用在环形被测空间的尝试，一方面由于环形空间内热工过程参数为分布参数，流动形态变化多样，换热方式多样，动态信息量匮乏。另一方面微弱的电容信号会受到管道阻碍更加微弱，成像效果受到很大影响。因此，本发明双管壁均布置电极的传感器结构不但实现了对环形空间的成像，还改善了电容信号微弱的问题，是ECT技术的一大突破。

附图说明

图1为本发明传感器的主要结构示意图，其中：1.内管，2.外管，3.内层屏蔽罩，4.外层屏蔽罩，5.外管上电极端屏蔽，6.内管上电极端屏蔽，7.内管检测电极，8.外管检测电极，9.内管下电极端屏蔽，10.外管下电极端屏蔽，11.连接固定支架，12.被测环形空间。

图2为检测电极在环形被测空间分布结构俯视图，序号a-h表示的是布置在内管外壁的检测电极，a’-h’表示的是布置在外管外壁的检测电极。

图3为内、外管的检测电极和电极端屏蔽的侧面展开图，序号a-h和a'-h'表示的是检测电极；其上下的梯形结构是电极端屏蔽。

图4为ECT检测系统，包括本发明ECT传感器，ECT的数据采集及信号处理设备，以及进行图像重建的终端计算机。

具体实施方式

本发明提出一种测量环形空间的双螺旋电极电容层析成像传感器，利用内外管壁分别螺旋布置的电极传感器部件，真正实现了对被测环形空间的三维成像，所述检测环形空间的双螺旋结构电容层析成像传感器包括主体结构部分及电容测量部分；下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示。该传感器包括主体结构部分及电容测量部分。所述主体结构部分是由同心的内管(绝缘)1,外管(绝缘)2及位置固定连接支架11组成，两层管道之间的环形空间12为被测空间。所述电容测量部分包含内管检测电极7、外管检测电极8；外管上电极端屏蔽5、内管上电极端屏蔽6、内管下电极端屏蔽9、外管下电极端屏蔽10，内层屏蔽罩3，外层屏蔽罩4，及信号传输电缆。

所述检测电极分别呈螺旋形布置在内管1外壁及外管2外壁。所述内层屏蔽罩3布置在所述内管1的内壁，紧贴管壁，外层屏蔽罩4布置在外管2的外周，与外管2外壁相隔1至3厘米左右。屏蔽电极还需布置在内外管的上下端，分别为内管上电极端屏蔽6、内管下电极端屏蔽9和外管上电极端屏蔽5、外管下电极端屏蔽10。所有的屏蔽电极需进行接地处理，让其处于零电势，以屏蔽外界信号干扰，防止对测量结果产生影响。

所述内管检测电极7和外管检测电极8，分别由8个电容极板组成，宽度取决于管道半径，每一块电极宽度与其电极极板间的间隙之和为管道周长的1/8，即每一份对应的角度为θ＝360°/8＝45°。

如图2所示为检测电极分布俯视图，图中内管外壁的检测电极为a-h，外管外壁的检测电极为a’-h’，电极的宽度所对应的角度为41°，电极之间的间隙为4°；内外管道检测电极螺旋上升方向相同，相对应的内外电极所占弧度相同，高度相同，即刚好两两相对。

本发明以内管半径为37.5mm，外管半径为78mm为例制作了传感器模型，由此经过计算可以得到内管测量电极的宽度2*π*37.5*41/360＝26.384mm，测量电极之间的间隙2*π*37.5*4/360＝2.618mm。电极与电极端的梯形屏蔽的距离为5mm。由于外管的检测电极螺旋上升方向与内管相同，相对应的内外电极所占弧度和高度也相同，所以测量电极的布置与内管相同，通过计算，外管壁的测量电极宽度为2*π*78*41/360＝55.816mm，测量电极之间的间隙2*π*78*4/360＝5.445mm，电极与电极端的梯形屏蔽的距离也为5mm。

所述内外管的上下电极端的梯形屏蔽，检测电极的布置以及二者之间的配合关系如图3所示，为侧面展开图。本发明举例设定内外管上的测量电极的高度均为60mm，相邻检测电极间要保证均匀的高度差，本例中为10mm，使其成螺旋上升形布置结构。检测电极上下均布置屏蔽电极，靠近检测电极边呈梯形分布，与其隔开一定距离，另一边与管道口平齐。若管道尺寸变化，则电极尺寸及分布按大致比例适当变化，以满足测量精度的需求。

所述外管2、内管1、固定内外管的连接支架11均采用PVC管或有机玻璃等绝缘材料制作。

所述检测电极、电极端的屏蔽电极和内外层的屏蔽罩均采用可导电的薄铜箔制作。

当传感器工作时，由测量电极得到的电容值通过连接在检测电极表面的信号传输电缆传送至ECT信号采集设备，其中的芯片经过信号处理，将检测的电容信号转换为电信号，再传输给计算机终端，通过计算机的重建算法将信号重建为图像。

本发明传感器的具体测量过程如下：

在传感器工作时，a电极上施加激励电压15V。首先进行ECT测量标定。当被测空间为空场时，检测各电容极板对之间的电容值，作为空场标定。当被测空间充满介电常数比被测物料稍高的材料时，检测电容值作为满场标定。再将材料清空，传感器即可用于检测热工过程。如果传感器用于检测气固两相流，可在管道终端输入粉粒体，当气流从环形空间吹入时，其中的粉粒体在气力的作用下，会沿着环形空间流动，从而进行流动检测。如果用于燃烧检测，可在环形空间通入可燃性气体与助燃气体，并点火检测。

传感器包含16块电容极板，在检测过程中，需要检测所有电极对间的电容值，即测得15*16/2＝120个电容值。与传统的8、12或16电极的二维传感器相比，没有增加极板数量，不会对计算机存储容量或重建算法的计算维度提出更高的要求。但是其被测空间从横断面扩展到整个被测三维环形空间，且轴向敏感度分布相对均匀，测量结果精度提高。

检测过程中，当环形空间中物料分布位置、形态发生改变或温度、湿度等发生改变，均可引起介电常数的变化，图4中ECT传感器极板间电容值随之改变，通过与检测电极相连的信号传输电缆，将信号传输至图4的ECT信号采集及处理设备中，计算机终端通过对采集设备的控制，提取出电容信号，再运用图像重建算法，重建出被测环形空间的介电常数分布图像。从重建的图像中可以获得物料的热工参数。特别的，由于传感器检测电极成双螺旋形布置，对轴向介电常数的变化敏感，因此可以重建出轴向上被测空间任意位置物料位置分布、形态、温度、湿度甚至流动速度及方向等热工参数信息，这是ECT检测技术在三维成像上的重大突破。

Claims (1)

1.一种测量环形空间的双螺旋电极电容层析成像传感器，利用内外管壁分别螺旋布置的电极传感器部件，真正实现了对被测环形空间的三维成像，所述测量环形空间的双螺旋结构电容层析成像传感器包括主体结构部分及电容测量部分；其特征在于，

所述主体结构部分是由同心的内外管及用来固定位置的连接支架组成，内外管之间的环形空间为被测空间；所述电容测量部分包含检测电极、电极端屏蔽、屏蔽罩，信号传输电缆，ECT信号采集设备及连接电线；其中，检测电极分别呈螺旋形布置在内管壁外侧及外管壁外侧，各8个电极，内外管检测电极螺旋上升方向相同，相对应的内外电极所占弧度相同，高度相同，形成两两相对；

所述电极端屏蔽布置在内外管上测量电极的上下，靠近电极边呈梯形布置，另一边与管道口平齐；

所述屏蔽罩布置在外管外周、内管内侧；电极端屏蔽和屏蔽罩需使用连接电线进行接地处理，让其处于零电势，以屏蔽外界信号干扰，对测量结果产生影响。