CN106018500A - 一种电容传感器及测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容传感器及测量系统。电容传感器包括软管、多个线圈单元和多股传感器数据线；所述软管为绝缘材质；多个线圈单元间隔地固定设置在所述软管上；各个线圈单元均为导电材质、螺旋状绕制的线圈；各股传感器数据线的一端一一对应连接各个线圈单元，另一端用于连接外部的数据采集系统。测量系统，包括传感器和数据采集系统；所述传感器为如上所述的电容传感器，所述电容传感器套设在测量系统所测量的管道上，所述电容传感器的传感器数据线连接所述数据采集系统。本发明的电容传感器及测量系统，电容传感器用于测量系统三维成像时，采样速率高，图像重建效果较好。

Description

一种电容传感器及测量系统
【技术领域】
本发明涉及传感器器件，特别是涉及一种电容传感器及测量系统。
【背景技术】
气-液、气-固多相流是石油、化工、煤炭工业中常见的流动介质，其主要包含液态烃、天然气、氧气、矿化水或煤炭等。气-液、气-固的三维在线流态分布测量一直是油气工业中的重要环节，其对工业过程的优化控制具有重要意义。具体测量场景，例如有：化工、煤炭领域的循环流化床中气体与固体介质燃烧反应过程中的流态分布，食品、制药镀膜过程中的循环流化床气-固分布、石油开采过程中油-气-水多相流态的气-液分布的可视化测量。
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography)是气-液、气-固多相流测量的重要方法。其依赖布置于被测场域边界的阵列电极获取一系列的电容测量值，并利用电容测量值与被测场域内等效点电常数分布之间的电磁场变化关系进行流场的图像重建，得到被测场域内介质的分布，实现可视化。依据可视化结果，可以计算出流体的气液比、气固比。目前，现有的电容成像传感器的截面图如图1所示，沿管道300的圆周方向上分别粘贴固定多个片状电极100，例如8个或16个电极。图中所示为设置12个电极①～的情形。相邻两个电极之间等效为一个电容，例如第一电极与第二电极之间等效为电容C12。在管道300的外围再设置一层屏蔽层400，管道300内部流通的是被测量的流体介质900。如仅设置1圈，只能获得沿截面方向上(X-Y方向)的切片流体测量信息(CROSS-SECTIONAL AREA)，无法获得管道纵轴方向(Z方向)上的信息，这样无法很好地实现对流体分布的三维成像(大多数是二位切面成像测量)。为此，一般是在管道的纵轴方向上增加设置多圈电极，即从1圈12个电极增加为3圈36个，或者4圈48个，依此类推。这样，提取三维方向上的信息后，可用于实现三维成像。然而，该结构的电容传感器用于测量系统成像时，存在系统的采样速率低，图像重建效果差的问题。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种电容传感器及测量系统，电容传感器用于测量系统三维成像时，采样速率高，图像重建效果较好。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种电容传感器，包括软管、多个线圈单元和多股传感器数据线；所述软管为绝缘材质；多个线圈单元间隔地固定设置在所述软管上；各个线圈单元均为导电材质、螺旋状绕制的线圈；各股传感器数据线的一端一一对应连接各个线圈单元，另一端用于连接外部的数据采集系统。
优选的技术方案中，
所述线圈单元的材质为金属。
进一步优选的技术方案中，
所述线圈单元为螺旋状、具有弹性的线圈，所述线圈的两端通过卡环固定在所述软管上。
所述线圈单元为金属弹簧。
所述线圈单元中的线圈的螺旋圈数为不少于5圈。
所述软管为非金属的绝缘材质。
一种测量系统，包括传感器和数据采集系统；所述传感器为如上所述的电容传感器，所述电容传感器套设在测量系统所测量的管道上，所述电容传感器的传感器数据线连接所述数据采集系统。
所述管道中流动的介质为气体和液体的混合物，或者为气体和固体的混合物。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的电容传感器，沿一个软管上间隔设置多个螺旋状的线圈，各个线圈单元等效为一个电极，从而可在线圈(即电极)总数较少的情形下，基于在纵轴方向上螺旋排列有电极的位移，从而能够获取流体的三维信息。通过螺旋状设计，电极层数呈旋转楼梯状累加，故而能够近似逼近现有结构中多个(圈)电极的三维测量效果，呈现流体的三维成像。本发明利用少量电极(12-16个)，就可实现对一段长度的管道内的气-液、气-固流体介质的三维图像重建，并等效现有方案中在管道同一截面及一段长度内设置多个电极的成像效果。由于测量成像时，涉及的电极数较少，因此系统的采样速率高。同时，电容测量运算量较低，则电容敏感场(SENSITIVITY-MAP)的奇异值较小，ECT的图像重建效果较好。本发明的电容传感器用于测量系统中时，可实现传感器与被测管道的自如分离，且传感器中的承载主体是软质管道，因此不受被测流体管道口径大小限制，可适应性的套设在待测的流体管道上。电容传感器可由人员根据实际应用需求，灵活设置软管口径和线圈单元的数量，设置自由灵活。
【附图说明】
图1是现有技术中的电容传感器的截面结构示意图；
图2是本发明具体实施方式的电容传感器的立体结构示意图；
图3是本发明具体实施方式的电容传感器沿纵轴方向的剖面示意图；
图4是本发明具体实施方式的电容传感器中单个线圈单元的剖面示意图；
图5是本发明具体实施方式的电容传感器套设在测量管道上的状态示意图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的构思是，由于现有的电容传感器中沿圆周方向设置多个片状电极，同时沿轴向方向设置多圈，这样，一方面导致电极的总数较多，从而降低了系统的采样速率。另一方面，电极总数较多，电容测量运算量较大，也会导致电容敏感场(SENSITIVITY-MAP)的奇异值增大，从而影响ECT的图像重建效果。为此，本发明改进电容传感器中电极的结构及其排列布置状态，由单个片状电极改进为螺旋状绕制排列的导电线圈；由多个电极沿圆周方向排列一圈，沿轴向设置多圈改进为沿轴向间隔设置多个螺旋线圈，最终实现三维图像重建，且是在较少电极数的情形下实现三维图像重建，从而解决现有方案中采样速率和图像重建效果方面的问题。
如图2～4所示，本具体实施方式的电容传感器包括软管1、多个线圈单元2和多股传感器数据线5。软管为绝缘材质，具体地，可为非金属的绝缘材质，例如软质橡胶管。多个线圈单元间隔地固定设置在软管1上。各个线圈单元2均为导电材质、螺旋状绕制的线圈。各股传感器数据线500的一端一一对应连接各个线圈单元2，另一端用于连接外部的数据采集系统。图3中所示，各股传感器数据线5的另一端汇集在一起，从软管1的同一端引出。
具体地，线圈单元2可为金属线圈。优选地，线圈单元2为螺旋状的弹性体，例如金属弹簧。如图4所示，弹性体201的两端通过两个卡环202、203固定在软管1上。这样，每一个线圈单元(也即弹性体)，作为一个电极，能够很好地应对当软管在纵向拉伸时所产生的应力及形变。具体地，弹性体可随软管1沿纵向(管道内流体介质流动的方向)拉伸或压缩时产生形变及应力。当软管1拉伸时，螺旋状弹性体(电极)随之被拉伸变长，当软管1压缩时，螺旋状弹性体(电极)随之被压缩。其产生的形变因周长的不变，不会对测量时的等效电容值产生误差影响，同时也能很好地兼顾解决柔性软管伸缩所带来的布置问题。
本具体实施方式中，还提供一种测量系统，包括数据采集系统和如上所述的电容传感器。电容传感器套设在测量系统所测量的管道上，电容传感器的传感器数据线连接数据采集系统。
如图5所示，将电容传感器套设在测量系统所测量的管道7上。管道7中流动的介质可为气体和液体的混合物，或者为气体和固体的混合物，例如管道可为石油管道，煤炭开采运输管道，化工、食品、制药镀膜过程中的循环流化床中管道。
具体地，电容传感器的软管1套在测量管道7上，螺旋线圈单元2和软管1是一体的，因此螺旋线圈单元2也随机间隔分布缠绕于测量管道7外壁。图5中所示仅示意了一个线圈单元2所在的管道区域，未示意出间隔一段距离处的线圈单元及相应的管道区域。软管1内部的传感器数据线连接测量系统的数据采集系统。测量时，电容传感器中，软管1上布置有线圈单元2，即为传感器的电极，每一个线圈单元2作为一个独立电极。相邻两个线圈单元2分别作为两个独立电极(例如，相当于传统方案图1中的电极①、②)，其中一个作为激励电极，另一个作为测量电极，等效为一个电容值。当在软管1上布置有多个线圈单元(电极)，通过激励其中一个，测量剩余的电极，可获得多个等效电容值，从而构建三维图像。
进一步优选地，各个线圈单元2的螺旋圈数为不少于5圈。这样，相对较多的圈数，可确保整个螺旋线圈的拉伸延展性。此外，较多的螺旋圈数，相当于等效增加电极总长，即增加了等效电容的测量值，从而可提高测量信噪比。
本具体实施方式的电容传感器依靠少量的螺旋线圈，也即少量的电极，例如12～16个，即可实现一段长度上的管道内的流动介质的三维图像重建。由于测量成像时，涉及的电极数较少，因此系统的采样速率高。同时，电容测量运算量较低，则电容敏感场(SENSITIVITY-MAP)的奇异值较小，ECT的图像重建效果较好。本具体实施方式的电容传感器可应用于石油、化工过程的多相流测量中。
本具体实施方式的ECT的电容传感器的电极分布在软质管道上，一体式设计。软管缠绕在流体管道外壁，线圈单元间隔分布，各线圈单元均呈螺旋状分布。第一，采用螺旋式分布，可实现仅利用少量电极，近似逼近现有方案中多圈ECT电极分布的测量及三维成像效果。第二，本具体实施方式实现基于软管的电极可自如拆卸，软管可套设在不同口径的其它流体管段上，用于流体介质测量。第三，软管可在纵向(流体方向)随意伸缩，可根据测量需要，实现电极间距离的自如改变，从而控制三维图像重建中ECT敏感场的分布以及传感步长(sensing penetration depth)。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电容传感器，其特征在于：包括软管、多个线圈单元和多股传感器数据线；所述软管为绝缘材质；多个线圈单元间隔地固定设置在所述软管上；各个线圈单元均为导电材质、螺旋状绕制的线圈；各股传感器数据线的一端一一对应连接各个线圈单元，另一端用于连接外部的数据采集系统。
2.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述线圈单元的材质为金属。
3.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述线圈单元为螺旋状、具有弹性的线圈，所述线圈的两端通过卡环固定在所述软管上。
4.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述线圈单元为金属弹簧。
5.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述线圈单元中的线圈的螺旋圈数为不少于5圈。
6.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述软管为非金属的绝缘材质。
7.一种测量系统，包括传感器和数据采集系统；其特征在于：所述传感器为如权利要求1～6任一项所述的电容传感器，所述电容传感器套设在测量系统所测量的管道上，所述电容传感器的传感器数据线连接所述数据采集系统。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于：所述管道中流动的介质为气体和液体的混合物，或者为气体和固体的混合物。
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