CN106556629B - 一种高温电容层析成像传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高温电容层析成像传感器及其制备方法，该传感器能够应用于300℃高温环境。传感器包括耐高温的阵列分布测量电极、轴端屏蔽电极、绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线，其中阵列分布电极包括N个测量电极；信号传输线包括高温段和常温段两部分并且包括缆芯、绝缘层和屏蔽丝网。本发明改进了传统传感器不耐高温的缺陷，解决了高温环境下电极布置困难的问题，并用耐高温的绝缘材料将电极与外屏蔽罩隔离并固定，通过高温段信号传输线将测量电极信号引出，对于研究高温环境下的气固两相分布、流态化特性以及相关反应监测等提供了有效手段，拓展了电容层析成像技术的应用领域。

Description

一种高温电容层析成像传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器设计领域，尤其涉及一种应用于高温环境下的电容层析成像传感器及其制备方法。

背景技术

电容层析成像(ECT)技术的发展开始于20世纪80年代，是将医学断层成像和现代测量技术相结合的一种过程成像技术，其基本工作原理是在被测对象内组分或浓度发生变化时，会引起介电常数的变化，最终导致电容传感器测得的电容值发生变化。电容层析成像技术主要采用多电极阵列式电容传感器，测量能够反映混合物介电常数分布的多对电容值。然后利用图像重构算法，实现被测区域内混合物浓度和组分分布的二维可视化。

一套完整的ECT系统，主要包括电容传感器系统、数据采集与处理系统和计算机成像系统三个部分。经过30多年的发展，研究人员对ECT的设计、算法和应用开展了大量的研究工作，ECT技术日渐成熟，并被广泛用于多相流体系的测量研究。目前ECT主要用于固体相浓度测量、流型识别测量和相关速度测量等，并且ECT实验也大都在常温、常压的冷模装置中进行，进行热态研究的较少。这主要是因为高温下ECT电极布置比较困难，根据ECT测量原理，ECT电极需要紧贴于测量物体壁面，要达到这个目的首先要解决高温电极片的选材和制作，电极材料要耐高温、抗氧化且薄厚要适中，便于N个相同尺寸阵列测量电极片的制作和粘贴；其次是解决电极的粘贴问题，传统的ECT电极采用的是紫铜箔胶带，可以直接使用，不用考虑粘合剂的问题。但高温环境则必须选择合适的高温胶，高温胶种类很多，但并不是都能用于电极的粘贴，况且黄铜材质的电极片又是很难粘贴的。而且，粘合剂的选择是一方面，另一方面粘贴工艺也是个难点，考虑到高温胶的固化时间较长，粘贴过程中电极容易错位、起皮，按传统的粘贴方式，很难控制电极片和电极间距的均匀性和一致性，同时电极片不仅要粘贴的牢固而且要保证没有气泡混入；然后是高温信号传输线的制作和连接，传统的双屏蔽信号传输线耐不了高温，需要选择适合的材料制作耐高温的双屏蔽信号传输线，并用高温焊锡进行连接；最后是整个传感器的固定和安装，选用耐高温的玻璃丝布隔离外屏蔽罩和测量电极，同时达到固定和保护整个传感器的目的。由于介电常数与温度存在复杂的关联影响，后续使用过程中还需要对算法做适当调整。但制作出耐高温的ECT传感器是实现ECT高温使用的第一步也是最关键的一步。

目前，关于电容层析成像技术的研究主要集中在图像重建算法的优化和信号采集设备的改进，对传感器进行研究的很少，国内华北电力大学的申请CN 103604843A提出了一种适用于液下环境的电容层析成像传感器，拓宽了ECT的使用范围，但也仅限于冷态环境。中国科学院工程热物理研究所的申请CN 104655692A提出了一种电容层析成像传感器可以应用于锅炉。目前关于高温ECT传感器的相关专利报道很少，而本领域对于可以在300℃高温环境使用的ECT传感器存在需要。

发明内容

为此，一方面，本发明提供了一种应用于300℃高温环境下的电容层析成像传感器，所述传感器包括耐300高温的阵列分布测量电极、轴端屏蔽电极、绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线，

其中所述阵列分布测量电极包括N个测量电极，N取值为8～16的整数；所述信号传输线由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成并且包括常温段部分和耐300℃的高温段部分；

并且其中所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩相连，并经所述信号传输线的屏蔽丝网引出，再通过电容层析成像系统的信号采集设备的连接地线接地；

所述绝缘隔离层将所述阵列分布测量电极及所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩隔离开，并固定整个传感器；

所述信号传输线的高温段部分的缆芯的一端与所述阵列分布测量电极相连，并且另一端通过所述信号传输线的常温段部分连接所述电容层析成像系统的信号采集设备，所述信号采集设备采集的数据传送至计算机进行图像重建。

在一个优选实施方案中，所述阵列分布测量电极由厚度为0.01mm～0.1mm的黄铜片制成。

在一个优选实施方案中，所述阵列分布测量电极和所述轴端屏蔽电极用作为粘合剂的耐300℃高温的室温硫化有机硅橡胶固定在流化床绝缘管道的外壁上。

在一个优选实施方案中，所述绝缘隔离层由耐300℃高温的玻璃丝布制成；

在一个优选实施方案中，所述外屏蔽罩由厚度为0.4mm～0.6mm的黄铜片制成；

在一个优选实施方案中，所述传感器固定安装于耐300℃高温的流化床绝缘管道的外壁，并且所述流化床绝缘管道由石英玻璃管或陶瓷管制成。

在一个优选实施方案中，N为8、12或16。

在一个优选实施方案中，所述阵列分布测量电极采用定位镂空整体套粘方式固定在绝缘管道的外壁上。

在另一方面，本发明提供了一种制备上述传感器的方法，所述方法包括：

采用腐蚀和镂空的方式用黄铜片制备阵列分布测量电极；

采用定位镂空整体套粘方式将所述阵列分布测量电极粘贴在耐300℃高温的流化床绝缘管道的外壁上；

采用传统的双屏蔽信号线制备信号传输线的常温段部分，并且采用云母玻璃丝绕包铜导线制备信号传输线的高温段部分，并且将所述信号传输线的高温段部分的缆芯的一端与所述阵列分布测量电极相连，另一端通过所述信号传输线的常温段部分连接电容层析成像系统的信号采集设备；

采用高温焊锡焊接的方式进行所述测量电极、轴端屏蔽电极、耐高温绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线之间的连接；和

用耐300℃高温的玻璃丝布绕包进行所述传感器的外屏蔽罩的固定和保护。

本发明的有益效果包括但不限于：(a)改进了传统电容层析成像传感器不耐高温的缺陷；(b)通过选用合适的材料，优化制作工艺，解决了高温环境下电极布置难的问题；(c)能够将电极固定在绝缘管道外壁上，并用耐高温的绝缘材料将电极与外屏蔽罩隔离并固定；(d)通过高温段信号传输线将测量电极信号引出，一端与测量电极相连另一端与常温段信号传输线相接，最终通过常温段信号传输线连接信号采集设备，组成整套的电容层析成像系统，从而可以将其用于300℃温度范围的热态实验；(e)对于研究高温环境下的气固两相分布、流态化特性以及相关反应监测等提供了有效的检测手段，有效地拓展了电容层析成像技术的应用领域。

附图说明

图1为包括根据本发明的耐300℃高温电容层析成像传感器的电容层析成像系统的示意图；

图2为根据本发明一个实施方案的耐高温电容层析成像传感器的立体结构示意图；

图3为图2所示的耐高温电容层析成像传感器的B-B’剖视图；

图4为图2所示的耐高温电容层析成像传感器的A-A’剖视图。

附图标记说明：

1 绝缘管道

2 外屏蔽罩

3 耐高温绝缘隔离层

4 轴端屏蔽电极

5 耐高温阵列分布测量电极

6 信号传输线

7 电容层析成像传感器

8 电容层析成像系统的数据采集设备

9 电容层析成像系统的记录设备(计算机成像和显示设备)。

具体实施方式

针对高温流态化过程测量的必要性和局限性，本发明设计了一种应用于高温环境下的电容层析成像传感器，其可以在300℃温度范围内反应传感器测量区域内的多相介质的分布，并实现二维可视化。

具体地，本发明提供一种应用于高温环境下的电容层析成像传感器，所述传感器包括耐300℃高温的阵列分布测量电极、轴端屏蔽电极、耐高温绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输电缆线；所述耐300℃高温阵列分布电极包括N个(8～16个)相同尺寸或大小的测量电极；所述信号传输线包括缆芯、绝缘层和屏蔽丝网并且具有耐300℃高温段和常温段两部分，

其中，所述耐300℃高温阵列分布测量电极采用薄的黄铜片。黄铜片具体厚度依传感器的尺寸而定，传感器小则选择较薄的黄铜皮，便于后续电极的制作和粘贴；在本发明中，黄铜片厚度优选在0.01mm～0.1mm，这样的材料能够耐高温和抗氧化。传统的ECT传感器采用的是紫铜箔，但是紫铜高温下容易氧化，强度较黄铜差；而金、铂等材料性能虽好，但是价格昂贵，加工不便。

在本发明中，传感器的阵列分布测量电极的制作优选采用腐蚀和镂空的方式，根据测量用流化床绝缘管道的大小，计算出测量电极的宽度和电极间间距，其中优选要考虑到粘贴过程中高温胶的影响。传统的电极制作采用的是厚度可忽略不计的紫铜箔胶带，只需要根据测量管道尺寸、电极数目和极间间距计算出电极尺寸，然后逐个粘贴在绝缘管道外壁即可。而在本发明中，耐高温阵列分布测量电极由于采用的黄铜皮有一定的厚度和强度，传统的刀刻制作方法容易划伤电极且边缘也不够平整，因此本发明采用一种新的制作电极的工艺，即用腐蚀的方法制作电极阵列，其中极间间距两端连接中部镂空，便于后续的电极整体套粘至绝缘管道外壁，待电极固化完毕，划开电极极间相连的部分即可。

在本发明中，所述耐300℃高温的阵列分布测量电极和轴端屏蔽电极优选用耐高温的绝缘胶将其固定在绝缘管道外壁上。例如，高温胶是室温硫化(RTV)有机硅橡胶—脱肟型高温密封胶，能耐300℃高温，且粘合性能很好。这里，由于高温胶固化时间需要2-3天，所以传统的单电极逐个粘贴方式已不适用，为此，本发明电极的粘贴优选采用定位镂空整体套粘方式，这样不仅能够确保电极大小和电极间间距的均匀性和一致性，而且避免电极在粘贴过程中发生错位和起皮，同时使电极粘贴的更牢固。

在本发明中，所述传感器的绝缘隔离层优选采用耐高温的玻璃丝布，能耐300℃高温。在本发明中，玻璃丝布有多种功能，首先能起到固定测量电极和信号传输线的作用，其次起到隔离测量电极和外屏蔽罩并防止信号干扰的作用，最后还能起到固定外屏蔽罩和保护整个传感器的作用。

在本发明中，所述信号传输线包括耐高温段和常温段两部分。优选地，常温段采用传统的双屏蔽信号线，以便于连接ECT信号采集设备；而信号传输线的高温段采用云母玻璃丝绕包铜导线制作而成，能耐300℃度高温，其中铜导线作为信号传输线的缆芯和屏蔽丝网，而云母玻璃丝作为屏蔽层；

在本发明中，所述传感器的外屏蔽罩选用黄铜带或黄铜片。优选地，其厚度为0.4mm～0.6mm，用于屏蔽干扰信号；

在本发明中，所述传感器的测量电极、轴端屏蔽电极和信号传输线的连接采用高温焊锡方式，耐300℃高温。其中，轴端屏蔽电极与外屏蔽罩相连，经高温信号传输线的屏蔽丝网引出，连接常温段信号传输线的屏蔽丝网，再通过电容层析成像(ECT)信号采集设备的连接地线接地；高温信号传输线的缆芯与测量电极相连，再通过常温段信号传输线的缆芯连接电容层析成像(ECT)信号采集设备，所采集到的测量数据经数据采集卡传送至计算机进行图像重建。

在本发明中，所述传感器固定安装于耐高温绝缘管道外壁；优选地，绝缘管道选用石英玻璃管或陶瓷管，能耐高温；

所述传感器的测量电极的数量N的取值为更优选为8、12或16个。

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1为包括根据本发明的耐高温电容层析成像传感器的电容层析成像系统的示意图。在图1中，电容层析成像系统包括根据本发明的耐300℃高温电容层析成像传感器7、信号采集设备8和计算机9，其中通过传感器7检测到的数据经由信号采集设备8传输至计算机9。

图2为根据本发明一个实施方案的耐高温电容层析成像传感器的的立体结构示意图。在图2中，传感器包括耐高温阵列分布测量电极5、轴端屏蔽电极4、耐高温绝缘隔离层3、外屏蔽罩2和信号传输线6，其中所述耐高温阵列分布电极5包括八个相同大小的测量电极，所述信号传输线6包括缆芯、绝缘层和屏蔽丝网并且包括耐300℃高温段和常温段部分。

其中，两端轴端屏蔽电极之间相互连接，并均与外屏蔽罩相连，经信号传输线的屏蔽丝网引出，再通过电容层析成像(ECT)信号采集设备的连接地线接地。

其中，耐高温绝缘隔离层3将测量电极5和轴端屏蔽电极4与外屏蔽罩2隔离开，并固定住整个传感器；

其中，所述信号传输线6高温段一端的缆芯与测量电极相连，另一端与常温段相连，常温段信号传输线的另一端连接电容层析成像系统(ECT)的信号采集设备8，所采集到的测量数据经数据采集卡传送至计算机9进行图像重建。

在本发明中，测量电极5和轴端屏蔽电极4优选在做防腐处理后用高温胶将其紧贴在绝缘管道1外部上。其中更优选地，电极的制作采用腐蚀和镂空的方式，电极的粘贴采用定位镂空整体套粘方式，待固化完成后，用高温信号线将两端环形轴端屏蔽电极相连，并分别与外屏蔽罩相连，以消除噪声信号的影响。电极和屏蔽罩之间用玻璃丝布绕包，起固定和隔离的作用；屏蔽罩套上后，继续用玻璃丝布绕包，起固定和保护的作用。测量电极5和电极端环形屏蔽4优选均由黄铜皮材料制作而成。图2所示的传感器的B-B’横截面局部示意图如图3所示；图2所示的传感器的A-A’纵截面局部示意图如图4示。

尽管所示实例中采用8个测量电极的ECT传感器，但本发明也可以在ECT信号采集设备中采用16个测量通道，能连接16个介电常数分布测量电极。测量电极5和环形屏蔽电极4的长度可视需要根据传感器长度而定。本实施例中传感器的长度(即外屏蔽罩2的长度)为22cm，测量电极5的长度为30mm，环形屏蔽电极4长度为8mm。测量电极5的宽度根据公式w＝(πd+Δ)/n-δ计算，其中：w为测量电极宽度，d为绝缘管道外径，Δ为考虑电极在粘贴过层中高温胶厚度的影响，具体值视具体情况而定，本发明中Δ＝1mm，n为测量电极数量，δ为测量电极之间的间隔宽度。本实施案例中，绝缘管道外径为23mm，n取值为8，电极间间隔δ为1mm，则各测量电极宽度约为8.15mm。

本发明提供的传感器与传统传感器标定有所不同，考虑到温度对介电常数的影响，其空场与满场的标定均在高温环境条件下完成，而传统的传感器标定不考虑温度的影响，空管和满管的校准均在室温下进行即可。记录300℃高温下空场与满场条件下的测量电容，并用于试验过程中的图像重建。具体操作：将传感器置于加热炉内，连接ECT传感器、ECT数据采集系统和计算机，用热电偶对传感器温度进行监控，待温度上升到300℃，稳定后再进行ECT空管和满管的校准，校准数据正常则进行后续实验测量，通过调节气体流速，即可在线测量高温下流化床绝缘管道内的固含量变化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种应用于300℃高温环境下的电容层析成像传感器，所述传感器包括耐300℃高温的阵列分布测量电极、轴端屏蔽电极、绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线，

其中所述阵列分布测量电极包括N个测量电极，其中N的取值为8～16的整数；所述信号传输线由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成并包括常温段部分和耐300℃的高温段部分；

并且其中所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩相连，并经所述信号传输线的屏蔽丝网引出，再通过电容层析成像系统的信号采集设备的连接地线接地；

所述绝缘隔离层将所述阵列分布测量电极及所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩隔离开，并固定整个传感器；

所述信号传输线的高温段部分的缆芯的一端与所述阵列分布测量电极相连，并且另一端通过所述信号传输线的常温段部分连接所述电容层析成像系统的信号采集设备，所述信号采集设备将采集的数据传送至计算机进行图像重建，

所述阵列分布测量电极采用腐蚀和镂空的方式由厚度为0.01mm～0.1mm的黄铜片制成，并且所述阵列分布测量电极采用定位镂空整体套粘方式固定在流化床绝缘管道的外壁上。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述阵列分布测量电极和所述轴端屏蔽电极用作为粘合剂的耐300℃高温的室温硫化有机硅橡胶固定在流化床绝缘管道的外壁上。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述绝缘隔离层由耐300℃高温的玻璃丝布制成。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述外屏蔽罩由厚度为0.4mm～0.6mm的黄铜片制成。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述流化床绝缘管道是石英玻璃管或陶瓷管。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，N为8、12或16。

7.一种制备根据权利要求1-6中任一项所述的传感器的方法，所述方法包括：

采用腐蚀和镂空的方式用黄铜片制备耐高温阵列分布测量电极；

采用定位镂空整体套粘方式将所述阵列分布测量电极粘贴在流化床绝缘管道的外壁上；

采用传统的双屏蔽信号线制备信号传输线的常温段部分，采用云母玻璃丝绕包铜导线制备信号传输线的高温段部分，并且将所述信号传输线的高温段部分的缆芯的一端与所述阵列分布测量电极相连，另一端通过所述信号传输线的常温段部分连接电容层析成像系统的信号采集设备；

采用高温焊锡焊接的方式进行所述测量电极、轴端屏蔽电极、绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线之间的连接；和

用耐高温玻璃丝布绕包进行所述传感器的外屏蔽罩的固定和保护。