CN106370705B - 三维电容层析成像传感器 - Google Patents

Abstract

一种三维电容层析成像传感器，用于流体参数测量，包括：径向电极，设置于供所述流体流动的管道壁上，所述径向电极沿着管道轴向方向延伸并且在管道壁上等间隔布置；测量电极阵列，为多个彼此分离的布置于所述管道壁上的测量电极，所述测量电极在管道壁上呈多个螺旋结构，布置在径向电极所形成的间隔内，并且在管道壁径向和轴向上呈均匀分布；以及屏蔽罩，电性隔离的覆盖在所述管道的外壁上。

Description

三维电容层析成像传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种三维电容层析成像传感器。

背景技术

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)技术是一种过程层析成像技术，它可以反映被测区域物质介电常数的变化。基于这一原理，ECT常用来测量具有两种或多种介电常数的多相物质的分布。

ECT的传感器通常是在管道外壁上布置一系列的电极，通过测量所有电极对之间的电容值，然后利用一定的图像重构算法，即可得到管道内物质的介电常数分布。根据被测过程的不同，介电常数的分布图像可以反映浓度、湿度、温度等物理量，因此可以用于能源、化工、医药、航天等不同的领域。

传统的ECT传感器是二维成像，所有的电极均布在同一层，测量得到的是这一层所在高度范围内物质分布的平均信息。为了实现三维成像，目前常用的ECT传感器是布置多层的电极，利用测量得到的所有电极对之间的电容值来进行物质分布的重构。这种三维ECT传感器轴向分辨率低。现有技术中还提出一种螺旋结构电极的电容层析成像传感器，测量电极如图1所示，测量电极6是呈螺旋状布置，上端屏蔽3和下端屏蔽4与呈阶梯状布置，紧邻测量电极。图1中，测量电极6是上下紧邻的两条螺旋。从结构上来看，这种电极布置在测量区域内的分布是不对称的，这种不对称的结构将导致敏感场分布不均匀，引起重构图像的变形，无法反映真实的物质分布。其二，上端屏蔽3和下端屏蔽4在测量过程中是接地的，在上端屏蔽3和下端屏蔽4区域没有测量信号，从图1可以看出，测量电极6所在的区域，即测量区域是螺旋形的，在实际的过程参数测量中，螺旋区域的信息无法进行有效的提取，同时也无法提供对过程参数测量有用的信息。鉴于上述两点原因，该专利无法实现被测空间精确三维成像。

图1中附图标记，1：测量区域，2：管道，3：上端屏蔽，4：下端屏蔽，5：屏蔽罩6：测量电极，7：径向电极，8：固定支架。

然而上述电极仍然存在相应弊端：

(1)螺旋电极结构不对称，敏感场分布不均匀，无法对物质分布进行准确的成像；

(2)上下端屏蔽的布置不合理，测量区域不规则，使得测量区域内的信息很难提取，无法对过程参数进行有效测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维电容层析成像传感器，以解决以上所述的至少一项技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种三维电容层析成像传感器，用于流体参数测量，包括：径向电极，设置于供所述流体流动的管道壁上，所述径向电极沿着管道轴向方向延伸并且在管道壁上等间隔布置；测量电极阵列，为多个彼此分离的布置于所述管道壁上的测量电极，所述测量电极在管道壁上呈多个螺旋结构，布置在径向电极所形成的间隔内，并且在管道壁径向和轴向上呈均匀分布；以及屏蔽罩，电性隔离的覆盖在所述管道的外壁上。

优选的，所述螺旋的数量大于等于2个。

优选的，所述管道为绝缘管道，所述径向电极分布于绝缘管道的外壁并且与所述屏蔽罩电性连接，所述测量电极分布于所述绝缘管道的外壁上。

优选的，所述管道为金属管道，所述金属管道内还设有绝缘内衬，所述测量电极和径向电极设置在所述绝缘内衬的内壁上。

优选的，所述测量电极和径向电极镀覆有绝缘材料。

优选的，还包括分别接地的上端屏蔽和下端屏蔽，所述上端屏蔽和下端屏蔽呈条形分布于进行流体参数测量区域的两端，紧邻管道两侧的测量电极布置，避免干扰电容层析成像。

优选的，所述测量电极和径向电极沿管壁的覆盖率大于50％。

通过上述技术方案，可以看出本发明三维电容层析成像传感器的有益效果在于：

(1)通过在管道壁径向和轴向上均匀分布测量电极，相应就可以获得均匀的敏感场，重构得到的介电常数分布与真实分布之间的相似度越高，通过介电常数分布得到的过程参数越准确；

(2)通过采用螺旋形测量电极的布置方式，布置方式简单而且测量结果准确，测量电极所在高度范围内的三维物质分布能准确的重构，进而得到准确的过程参数信息；而且螺旋的数量大于等于二个时，测量电极在管道上分布更加均匀，检测的浓度、湿度、温度等参数更加准确；

(3)不布置上下端屏蔽或者设计上下端屏蔽紧邻螺旋电极的上端和下端时，测量区域是规则的，可以使得螺旋电极所在高度范围内的物质分布均能被准确的重构的出来，且容易实现过程参数的有效提取；

(4)对于金属或者非金属的管道，都可以实现参数测量，进行三维电容层析成像。

附图说明

图1是现有技术的一种电容层析传感器立体示意图。

图2是本发明一实施例的三维电容层析成像传感器的局部分解示意图。

图3是本发明一实施例的三维电容层析成像传感器一种电极的侧面展开图。

图4是本发明一实施例的三维电容层析成像传感器的截面示意图。

图5是本发明一实施例的三维电容层析成像传感器另一种电极的侧面展开图。

图6是本发明一实施例的采用金属管壁时传感器的截面示意图。

图7A、7B和7C分别是采用图1的传感器进行三维成像的电极布置示意图、真实物体示意图和成像后示意图。

图8A、8B和8C分别是采用图2的传感器进行三维成像的电极布置示意图、真实物体示意图和成像后示意图。

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，对本发明作进一步的详细说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

在本发明中，用语“设置于...上”、“布置于...上”和“覆盖...上”包括与单一或多个组件间的接触与非接触。例如，“布置于所述管道壁上的测量电极”，可以是测量电极直接接触的布置于管道壁上，或者通过布置管道壁的内衬，然后再将测量电极布置于内衬上，使测量电极非接触式的布置于管道壁上。

根据本发明总体上的发明构思，提供一种三维电容层析成像传感器，包括：径向电极和测量电极阵列，径向电极沿着管道轴向方向延伸并且在管道壁上等间隔布置；测量电极阵列，为多个彼此分离的布置于所述管道壁上的测量电极，测量电极布置在径向电极形成的间隔内，并且测量电极在管道壁上呈多个螺旋结构以及在管道壁径向和轴向上呈均匀分布。通过测量电极在管道壁上均匀分布，使得敏感场也分布均匀，重构的图像没有形变。此处“在管道壁径向和轴向上呈均匀分布”是指在管道的任意轴向截面上，测量电极沿着管道圆周等距离分布，以及在管道的任意径向上，测量电极也等距离分布。

图2是本发明一实施例的三维电容层析成像传感器的局部分解示意图。如图2所示，该传感器包括测量电极6和径向电极7组成的阵列。

图2中，测量区域1的高度是测量电极6所覆盖的高度，即图2中测量电极6所在的区域的高度。径向电极7设置在供所述流体流动的管道壁上，径向电极7沿着管道2轴向方向延伸并且在管道2壁上等间隔布置；测量电极6构成的阵列，为多个彼此分离的布置于所述管道2壁上的测量电极6，所述测量电极6布置在径向电极7形成的间隔内，在管道轴向跨度上存在交叠，并且在管道2壁径向和轴向上呈均匀分布。

测量电极6的阵列为多螺旋结构，测量电极在管道壁上呈多个螺旋结构分布。测量电极6可以为2条或多条均匀布置的螺旋电极例如，测量电极6呈多螺旋状均匀布置，图2中测量电极6是2条螺旋电极，每条螺旋是8个独立的电极。测量过程中，测量电极6逐个被施加激励电压，并依次测量其余电极上的电压值，以得到所有电极对之间的电容量，利用这一系列的测量值及图像重构算法，测量区域多相物体的分布情况就可以通过三维图像直观的显示出来。所述螺旋的数量优选的大于等于二个。

图3是一种三维电容层析成像传感器电极的侧面展开图。图中是2条螺旋电极，沿管道的轴向和径向均匀布置。2条螺旋电极在径向上对称分布，这种对称分布可以使得敏感场分布均匀，重构的图像没有形变。敏感场反映了测量得到的电容值和介电常数变化的关系，敏感场越均匀，重构得到的介电常数分布与真实分布之间的相似度越高，通过介电常数分布得到的过程参数越准确。

另一种螺旋的电极的布置方式参照图5所示，图5是本发明一实施例的三维电容层析成像传感器另一种电极的侧面展开图。图5中沿轴向和径向均匀布置了三条螺旋电极，每条螺旋电极包含6个独立的测量电极。除了图5所示的替代方案外，螺旋电极的条数可以任意选择，但是要大于1，且均匀布置。每条螺旋电极包含的独立测量电极的数量可以根据数据采集系统的能力设计，建议大于等于3。

本实施例中，测量电极6在管道2轴向上的可以间距较小或者有一定交叠，参见图3或图5所示，这样保证测量传感器轴向上的分辨率，尽量避免三维电容层析成像时图像出现失真。

测量电极6沿管壁的覆盖率大于50％；测量电极6可以为电极片，本实施例中对于测量电极6形状没有特别的要求，可以为方形、矩形、梯形以及三角形等。另外，测量电极与径向电极的间距也没有严格限制，可以根据加工工艺而定。

如图2所示，传感器还可以包括分别接地的上端屏蔽3和下端屏蔽4，所述上端屏蔽3和下端屏蔽4呈条形(例如呈矩形)分布于成像区域的两端，紧邻管道两侧的测量电极布置，避免干扰电容层析成像。上端屏蔽3和下端屏蔽4与径向电极7相连，测量过程中接地，用于降低噪声干扰、增强信号质量及信号变化范围，有利于数据采集系统的设计。当然，也可以不布置上端屏蔽3和下端屏蔽4，由于测量电极6所覆盖的测量区域是规则的，可以使得螺旋电极所在高度范围内的物质分布均能被准确的重构的出来，且容易实现过程参数的有效提取。而且，采用端屏蔽的存在可以方便传感器的加工。

上下端屏蔽的布置一方面可以降低噪声对测量所带来的影响，但是另一方面也会使得测量电极两端的电场发生改变，进而影响测量得到的电容值，因此在测量过程中上下端屏蔽可以根据加工方便选择是否布置。

如图2所示，本实施例的传感器还可以包括屏蔽罩5，所述屏蔽罩5电性隔离的覆盖在所述管道2上。图4是该传感器的截面图，该图显示出了测量电极6、径向电极7以及屏蔽罩5的径向相对位置。图4结构是针对绝缘管道设计，测量电极6布置在管道2外壁，屏蔽罩5与径向电极7相连，径向电极7插入管道中一定深度，但是不能穿入管道，接触到被测物体。径向电极7插入管道的深度可以根据加工需求调整，也可以紧贴在外管壁而不插入管壁。

管道2根据实际测量过程的需求可以设计为绝缘管道或金属管道。管道2可以是已有的流体流动的管道，也可以是单独加工的，然后将传感器这一段以法兰等连接方式与现有的管道2相连。

参见图4所示，根据本发明的实施例，供流体流动的管道2为绝缘管道，所述径向电极7分布于绝缘管道的外壁并且与所述屏蔽罩5电性连接，所述测量电极分布于所述绝缘管道的外壁上，其中，屏蔽罩5接地，用于屏蔽外界的电磁干扰对系统测量的影响。

另外，参见图6所示，本发明另一种实施方式中，管道2还可以为金属管道，出于屏蔽和隔离考虑，金属管道内还设有绝缘内衬9，所述测量电极6和径向电极7设置在所述绝缘内衬9的内壁上。此时优选的，在测量电极6和径向电极7上还镀覆有绝缘材料，以避免电极测量时产生干扰。

对于管道2来说，除了可以应用于圆形管道的测量，还可以用于矩形、方形等不同形状的管道测量过程中，以及一些不规则形状的管道。电极的设计要保证多条螺旋沿着管道均匀布置。

图7A、7B和7C分别是采用图1的传感器进行三维成像的电极布置示意图、真实物体示意图和成像后示意图。可以看出，采用现有技术的传感器进行三维电容层析成像后，由于螺旋电极不对称分布或者是上下屏蔽段分布不合理，所成的图像明显失真。

图8A、8B和8C分别是采用图2的传感器进行三维成像的电极布置示意图、真实物体示意图和成像后示意图。可以看出，经过图像重构以后，由于测量电极在管道上分布更加均匀以及上下屏蔽段合理分布，检测的浓度、湿度、温度等参数更加准确，重构以后的图像与真实图像分布的相似度较高。

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，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 (7)

1.一种三维电容层析成像传感器，用于流体参数测量，其特征在于包括：

径向电极，设置于供所述流体流动的管道壁上，所述径向电极沿着管道轴向方向延伸并且在管道壁上等间隔布置；

测量电极阵列，为多个彼此分离的布置于所述管道壁上的测量电极，所述测量电极在管道壁上呈多个螺旋结构，布置在径向电极所形成的间隔内，并且在管道壁径向和轴向上呈均匀分布；以及

屏蔽罩，电性隔离的覆盖在所述管道的外壁上；

其中，相邻间隔内的测量电极在轴向上具有位置上的交错。

2.根据权利要求1所述的三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述螺旋的数量大于等于2个。

3.根据权利要求1所述的三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述管道为绝缘管道，所述径向电极分布于绝缘管道的外壁并且与所述屏蔽罩电性连接，所述测量电极分布于所述绝缘管道的外壁上。

4.根据权利要求1所述的三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述管道为金属管道，所述金属管道内还设有绝缘内衬，所述测量电极和径向电极设置在所述绝缘内衬的内壁上。

5.根据权利要求4所述的三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述测量电极和径向电极镀覆有绝缘材料。

6.根据权利要求1所述的三维电容层析成像传感器，其特征在于，还包括分别接地的上端屏蔽和下端屏蔽，所述上端屏蔽和下端屏蔽呈条形分布于进行流体参数测量区域的两端，紧邻管道两侧的测量电极布置，避免干扰电容层析成像。

7.根据权利要求1所述的三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述测量电极和径向电极沿管壁的覆盖率大于50％。