CN106896143B - 一种耐高温电容层析成像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于室温至600℃高温环境下的耐高温电容层析成像传感器。所述传感器包括阵列分布电极、轴端屏蔽电极、绝缘隔离层、轴端屏蔽电极连接层、固定层、屏蔽罩和信号传输线，其中阵列分布电极通过腐蚀镂空的工艺制作而成，并由测量端和固定端组成，分别用来测量电容和包裹固定电极测量端与传输电缆，且测量端通过耐高温绝缘胶整体定位套粘在耐高温绝缘管道的外壁；信号传输线包括高温段和常温段，均为由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成的双屏蔽线；轴端屏蔽电极连接层与轴端屏蔽电极直接接触，并与屏蔽罩连接。本发明的传感器可以在室温至600℃高温环境下正常使用，有效拓宽了电容层析成像技术在高温热态领域的应用范围。

Description

一种耐高温电容层析成像传感器

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室温至600℃高温环境下的电容层析成像传感器。

背景技术

电容层析成像(ECT)是过程层析成像技术中的一种，其基本原理是多相介质具有不同的介电常数，通过在被测对象外部排布多电极阵列式电容传感器，当测量电极所在截面介质浓度发生变化时，会引起等效介电常数的变化，从而导致传感器测得的各电极对之间的电容值发生变化，利用相应的图像重构算法，即可由测得的电容数据投影反算得到所测截面处的介质分布情况。

与其它过程层析成像技术相比，ECT具有发展成熟、无辐射、成像速度快、成本低廉以及非介入式等优点，近年来被广泛应用于流化床、石油管线等多相流体系中的介质浓度分布、流型识别和速度测量研究。但是这些应用多限于冷态实验装置，而多相流系统特别是气固两相流中的催化反应、燃烧锅炉等经常需要在高温条件下进行操作。考虑到温度对多相流相间、相内作用力及介尺度非均匀结构均有很大影响，直接将ECT冷态实验的结果应用于热态高温体系有很大风险，因此有必要将ECT应用到高温多相流测量领域。

ECT应用到高温体系，所面临的挑战一方面在于多相流介质的介电常数与温度等存在着复杂的关联，因此ECT图像的变化是介质分布与体系温度变化的综合体现，要从中解耦获得介质浓度分布，在算法及测量方法上均需做相应改变；另一个难点则主要体现在高温ECT传感器的制作方面。而后者是实现高温ECT应用的第一步也是最为关键的一步。

设计高温ECT传感器，有几个困难需要克服：首先是传感器所贴附容器必须是耐高温的绝缘体；所选择的电极材料须具有良好的耐高温特性和导电性，并满足易于加工且价格低廉的要求；其次，为了达到非侵入式测量的目的，ECT传感器电极片需要通过粘合剂粘贴在所测容器外壁，该粘合剂必须在高温下也具有良好的粘结性，并绝缘；另外由于ECT通过测量极其微小的电容值进行成像，因此电极片的大小尺寸和排列必须严格精准，而且为保证电极片均匀且牢固地粘贴在容器外壁且电极片在粘贴过程中不错位、不起皮，电极材料的选择、电极片的制作方法、粘合剂及粘贴工艺的选择都非常重要；此外，市场上现有的双屏蔽信号传输电缆不能耐受高温，所以有必要选择合适的材料来专门定制耐高温双屏蔽信号传输线，并采用合理的技术将其与连接ECT信号采集系统的常温段信号传输线相连；同时，通常采用的锡焊工艺难以耐受500℃以上高温，因此，传感器电极片和信号传输电缆之间的连接以及接地的轴端屏蔽电极、屏蔽罩之间的连接还需要选择其他方法；最后，还应根据高温环境的要求选用耐高温且绝缘的柔性材料对整个传感器进行固定。

由于高温ECT传感器制作的诸多挑战，目前，国内外关于ECT传感器的研究基本停留在室温环境。国内华北电力大学的申请CN103604843A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CN104655692A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，可以应用于具有大尺度多边形结构的循环流化床锅炉的冷漠研究，但也并未涉及高温环境。实用新型申请CN204536251U公开了一种热态循环流化床锅炉床料流化均匀性监测系统，其中所采用的电容阵列传感器由外层屏蔽罩、测量电极阵列、高温绝缘隔热层、径向屏蔽组件构成，但此种结构将测量电极阵列悬空布置在高温绝缘隔热层外围，一方面测量电极阵列难以固定，另外一方面由于高温绝缘隔热层的隔热作用，隔热层外围的温度大大低于锅炉外表面温度，因此该申请所提供的传感器并非真实工作于循环流化床锅炉的高温环境，同时这样的布置方式也使得传感器测量得到的电容值实际上是隔热层、锅炉壁、炉膛内物料三者电容值的串联值，从而加大了直接对炉膛床料流化均匀性进行监测的难度。发明申请CN201510623768.9提出了可以应用于300℃高温环境的外置电极式ECT传感器，但实际中的大多数化工生产过程所需温度经常达到600℃，如气固催化反应，多在400～500℃之间进行，其催化剂再生多在500～600℃之间进行。因此，在本领域有必要通过易于实施的工艺设计制作一种可以应用于600℃高温环境下的外置电极式ECT传感器，从而将ECT的应用拓展到该温度范围内的热态研究。

发明内容

为了将ECT技术应用到实际化工生产过程中的高温环境，本发明的目的是设计一种在常温至600℃高温环境下均可正常使用的ECT传感器。

为此，本发明提供了一种应用于室温至600℃高温环境下的ECT传感器，所述ECT传感器包括耐600℃高温的阵列分布电极、两个耐600℃高温的轴端屏蔽电极、耐600℃高温的绝缘隔离层、耐600℃高温的轴端屏蔽电极连接层、耐600℃高温的固定层、耐600℃高温的屏蔽罩、耐600℃高温的高温段信号传输线和应用于室温环境下的常温段信号传输线；

所述阵列分布电极为N个大小相同并且由测量端和固定端组成的电极片，其中N的取值为8～16的整数；

所述高温段信号传输线和所述常温段信号传输线均为由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成的双屏蔽线；所述电极片的固定端与所述高温段信号传输线的缆芯连接，并经由所述常温段信号传输线的缆芯与ECT信号采集系统连接，所采集的电容数据由数据采集卡传送到成像计算机完成图像重建；

所述屏蔽罩与所述轴端屏蔽电极连接层连接，所述轴端屏蔽电极连接层的两端分别与所述的两个轴端屏蔽电极接触连接，所述两个轴端屏蔽电极的任一个与所述高温段信号传输线的屏蔽丝网接触连接，并经由所述常温段信号传输线的屏蔽丝网与ECT信号采集系统的连接地线接地。

在一个优选实施方案中，所述ECT传感器通过贴附安装在横截面为圆形的耐600℃高温的绝缘管道的外壁。

在一个优选实施方案中，所述耐600℃高温的阵列分布电极作为一个整体采用腐蚀镂空的工艺制成；所述电极片的测量端与固定端在交界处折叠，并且所述测量端通过耐1000℃高温的无机粘合剂定位套粘在所述绝缘管道的外壁；所述固定端包裹所述高温段信号传输线的缆芯并且在折叠后与所述测量端贴附。

在一个优选实施方案中，所述轴端屏蔽电极由耐1000℃高温的无机粘合剂套粘在所述阵列分布电极的测量端两侧。并且任一侧的所述轴端屏蔽电极与所述高温段信号传输线的屏蔽丝网接触连接。

在一个优选实施方案中，所述绝缘隔离层通过用石英纤维带缠绕所述阵列分布电极而形成。

在一个优选实施方案中，所述轴端屏蔽电极连接层由软铜皮材料制成，并且所述轴端屏蔽电极连接层的两端分别与所述两个轴端屏蔽电极接触连接。

在一个优选实施方案中，所述固定层通过用石英纤维带缠绕整个所述ECT传感器而形成，并且用于支撑和固定所述屏蔽罩。

在一个优选实施方案中，所述屏蔽罩由厚度为0.4～0.6mm的黄铜带制成，并且所述屏蔽罩与所述轴端屏蔽电极连接层连接。

在一个优选实施方案中，所述高温段信号传输线由作为缆芯的镍丝、绕包所述镍丝的作为绝缘层的云母玻璃丝和绕包所述云母玻璃丝的作为屏蔽丝网的不锈钢丝组成；所述常温段信号传输线为传统的冷态信号传输线；两段信号传输线的缆芯和屏蔽丝网分别单独连接。

在一个优选实施方案中，所述阵列分布电极和所述轴端屏蔽电极由厚度为0.01～0.1mm的薄黄铜皮制成。

本发明的传感器可以在室温至600℃高温环境下正常使用，有效拓宽了ECT技术在高温热态领域的应用范围。

附图说明

图1为根据本发明一个实施方案采用腐蚀和镂空工艺制作的阵列式分布电极示意图。

图2为根据本发明一个实施方案的耐高温ECT传感器的结构示意图；

图3为图2所示的耐高温ECT传感器的横截面示意图(B-B’方向视图)；

图4为图2所示的耐高温ECT传感器的纵截面示意图(A-A’方向视图)；

图5为包括本发明的ECT传感器的ECT系统的示意图。

附图中标号说明如下：

1-绝缘管道；2-绝缘隔离层；3-轴端屏蔽电极连接层；4-固定层；5-屏蔽罩；6-阵列式分布电极的测量端；7-阵列式分布电极的固定端；8-轴端屏蔽电极；9-耐600℃的高温段信号传输线；10-常温段信号传输线；11-ECT信号采集系统；12-ECT计算机成像显示系统。

具体实施方式

本发明设计了一种耐高温ECT传感器，该传感器可以在室温至600℃高温环境下正常使用，实现该温度范围内的多相流分布二维可视化。

更具体地，本发明提供一种应用于室温至600℃高温环境下的ECT传感器，所述传感器包括耐600℃高温的阵列分布电极、两个耐600℃高温的轴端屏蔽电极、耐600℃高温的绝缘隔离层、耐600℃高温的轴端屏蔽电极连接层、耐600℃高温的固定层、耐600℃高温的屏蔽罩、耐600℃高温的高温段信号传输线和应用于室温环境下的常温段信号传输线；

所述耐600℃高温的阵列分布电极为N个大小相同并且由测量端和固定端组成的电极片，N的取值为8～16的整数；所述耐600℃高温的高温段信号传输线和应用于室温环境下的常温段信号传输线均为由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成的双屏蔽线；

所述耐600℃高温的阵列分布电极的固定端与耐600℃高温的高温段信号传输线缆芯连接，并经由常温段信号传输线缆芯与ECT信号采集系统连接，所采集的电容数据由数据采集卡传送到成像计算机完成图像重建；所述屏蔽罩与所述轴端屏蔽电极连接层连接，所述轴端屏蔽电极连接层的两端分别与所述的两个轴端屏蔽电极接触连接，所述两个轴端屏蔽电极的任一个与所述高温段信号传输线的屏蔽丝网接触连接，并经由所述常温段信号传输线的屏蔽丝网与ECT信号采集系统的连接地线接地。

优选地，所述耐600℃高温的传感器贴附安装于耐600℃高温的绝缘管道外壁，该绝缘管道的横截面优选为圆形。

优选地，所述耐600℃高温的阵列分布电极和轴端屏蔽电极的材料均采用黄铜皮，其厚度约0.01～0.1mm。

优选地，所述耐600℃高温的阵列分布电极的N个电极片作为一个整体通过腐蚀镂空的工艺制作而成，且各由测量端和固定端组成，分别用来测量电容和连接固定电极测量端和高温段信号传输线缆芯；所述阵列分布电极的测量端与固定端在交界处折叠，优选地测量端通过高温绝缘胶定位套粘在绝缘管道外壁，固定端包裹高温段信号传输线缆芯并与测量端贴附。

所述电极片测量端的长度与ECT信号采集系统的分辨率有关，一般在2.5～10cm之间；电极片的宽度和各电极片之间的间距则根据传感器所测管道大小及N的数值确定，其中，管道大小需考虑电极片及耐高温胶的厚度。

优选地，所述耐600℃高温的轴端屏蔽电极利用高温绝缘胶套粘在阵列分布电极两侧，且距测量端的距离一般在5～10mm之间，所述高温段信号传输线的屏蔽丝网与任一侧的轴端屏蔽电极接触连接。

优选地，所述高温绝缘胶为无机粘合剂，耐1000℃高温，其固化时间为2～3天，其实例例如为产自上海亨越精细化工有限公司的代号为HS-176的1000度高温胶。

优选地，所述耐600℃高温的绝缘隔离层采用石英纤维带缠绕而成，缠绕段挤压、覆盖阵列分布电极。

优选地，所述耐600℃高温的轴端屏蔽电极连接层为软铜皮，两端分别与两个轴端屏蔽电极接触连接。

优选地，所述耐600℃高温的固定层所用材料为石英纤维带，缠绕层包裹整个传感器，并对屏蔽罩起固定及支撑作用。

优选地，所述耐600℃高温的屏蔽罩材料为厚度0.4～0.6mm的黄铜带，所述屏蔽罩与所述轴端屏蔽电极连接层连接。

优选地，所述信号传输线中的常温段与耐600℃的高温段均为双屏蔽电缆，其中常温段为传统双屏蔽信号传输线，耐600℃的高温段则为云母玻璃丝绕包镍丝外包不锈钢丝屏蔽线结构，两段电缆的缆芯和屏蔽丝网分别单独连接。

本发明的有益效果包括但不限于以下方面：

(1)通过选择可以耐受高温的绝缘管道、电极材料及绝缘胶，优选利用腐蚀镂空的工艺制作大小相同、分布均匀的电极片，并整体定位套粘电极，解决了高温环境下电极布置困难及粘合剂长固化时间下电极定位困难的问题。

(2)根据传统冷态ECT使用的信号传输线不耐高温的缺陷，将信号传输线分为高温段和常温段，其中高温段采用专门定制的云母玻璃丝绕包镍丝外包不锈钢丝屏蔽线结构，可以耐600℃高温。

(3)将阵列分布电极分为测量端和固定端，分别用来测量电容和固定连接电极测量端与高温段信号传输线缆芯，从而确保信号传输电缆与测量电极的连接在高温环境下保持通畅。

(4)阵列分布电极与高温段信号传输线的缆芯之间、两个轴端屏蔽电极之间、轴端屏蔽电极连接层与屏蔽罩之间三部分的连接均采用机械挤压固定的连接方法，无需使用焊接技术，工艺简单且可保证高温下不会出现断路。

(5)在传感器阵列分布电极与轴端屏蔽电极连接层中间设置石英纤维带缠绕而成的绝缘隔离层，隔离层首先可以挤掉阵列分布电极片与管道外壁间的气泡，另外隔离层还可作为绝缘层隔离阵列分布电极和轴端屏蔽电极连接层。

(6)传感器固定层对整个传感器起固定、支撑作用。

(7)所设计的ECT传感器能够正常应用于常温至600℃高温温度范围内多相流体系二维分布成像，有效拓宽了ECT技术在高温热态领域的应用范围。

下面结合附图及优选实施例作详细说明。应当理解，本发明的保护范围并不局限于这些实施例。

图1为根据本发明一个实施方案提供的阵列式分布电极的示意图。如图1所示，所述阵列式分布电极为8个大小相同的电极片，各由测量端6和固定端7组成。该电极片由厚度为约0.05mm的薄黄铜皮制成。所述阵列式分布电极根据铜的化学性质采用腐蚀镂空的工艺制作而成，腐蚀过程中，保留的部位用耐腐蚀涂层予以保护，两相邻电极片间除测量端6和固定端7末端处外(用于电极间连接)，其余中间电极间隙部分均暴露在腐蚀液中形成镂空。

图2为根据本发明一个实施方案的ECT传感器的结构示意图，图3和图4分别为图2所示传感器横截面(B-B’)和纵截面(A-A’)示意图。如图2所示，本发明的ECT传感器贴附于用于测量的绝缘管道1的外壁，该绝缘管道1为石英玻璃圆柱管，其外径为约23mm。该ECT传感器包括耐600℃高温的阵列分布电极、耐600℃高温的轴端屏蔽电极8、耐600℃高温的绝缘隔离层2、耐600℃高温的轴端屏蔽电极连接层3、耐600℃高温的固定层4、耐600℃高温的屏蔽罩5以及耐600℃高温的高温段信号传输线9和适用于室温环境的常温段信号传输线10。

所述阵列分布电极的测量端6和固定端7在交界处折叠，利用产自上海亨越精细化工有限公司的1000度高温胶HS-176将测量端6定位套粘在绝缘管道1的外壁，待耐高温绝缘胶固化完毕后，用刀片划开相邻电极间相连的部分避免电极间短路。所述阵列分布电极的测量端6的长度为约35mm，固定端7的长度为约10mm。

所述轴端屏蔽电极8由产自上海亨越精细化工有限公司的1000度高温胶HS-176套粘在阵列电极的测量端6的两端处，且距测量端6的端部边缘的距离为6mm，所述轴端屏蔽电极8的长度优选为10mm。所述轴端屏蔽电极8由厚度为约0.05mm的薄黄铜皮制成。

所述绝缘隔离层2挤压涂覆耐高温绝缘胶后的阵列分布电极的测量端6和固定端7，并缠绕整个阵列分布电极，优选其厚度为6mm。所述绝缘隔离层2的材料为石英纤维带。

所述轴端屏蔽电极连接层3的两端分别与两个轴端屏蔽电极8接触，外围用细铁丝固定，并延伸引出以与屏蔽罩5连接。所述轴端屏蔽电极连接层3由软铜皮制成。所述屏蔽罩5由厚度为0.5mm的黄铜带制成。

所述固定层4缠绕整个ECT传感器并支撑和固定屏蔽罩5。所述固定层4的材料为石英纤维带。

图5为包括本发明的ECT传感器的ECT系统的示意图，所述阵列分布电极的固定端7包裹所述高温段信号传输线9的缆芯并在与所述阵列分布电极的测量端6的交界处折叠后与所述阵列分布电极的测量端6贴附，然后所述高温段信号传输线9的缆芯通过与之相连的所述常温段信号传输线10的缆芯与ECT信号采集系统11连接，再通过数据采集卡将测量得到的电容数据传送到ECT计算机成像显示系统12中通过相应的算法完成图像重建。所述高温段信号传输线9的屏蔽丝网的一端与处于ECT传感器下端的轴端屏蔽电极8接触连接，另一端经由与之相连的常温段信号传输线10的屏蔽丝网与ECT信号采集系统11的连接地线接地。

尽管图中的耐高温ECT传感器采用8个测量电极，但根据使用的ECT信号采集系统11的需要，可以采用16个测量通道，因此本发明所述传感器的阵列分布测量电极的数量可为8～16之间的任意整数，且每一个测量电极宽度的计算方法为w＝(πd+Δ)/N-δ，其中w为电极宽度；d为绝缘管道1的外径；Δ为阵列电极与高温绝缘胶的厚度之和；N为阵列分布电极数目；δ为相邻电极之间的间距。在所示实施例中，电极间间距δ为1mm，阵列电极与高温绝缘胶的厚度之和Δ＝1mm，因此电极宽度d＝8.16mm。另外，在所示实施例中，高温段信号传输线9的屏蔽丝网与处于传感器下端的轴端屏蔽电极8接触连接，但在实际操作中，高温段信号传输线9的屏蔽丝网也可与处于ECT传感器上端的轴端屏蔽电极8接触连接。

以上所述仅为本发明的示意性说明，附图所示只是其实施方式之一，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员在不脱离本发明宗旨的情况下，利用常规的变化或替换提出的与该技术方案相似的结构形式，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于室温至600℃高温环境下的外置电极式电容层析成像传感器，其特征在于，所述电容层析成像传感器包括耐600℃高温的阵列分布电极、两个耐600℃高温的轴端屏蔽电极、耐600℃高温的绝缘隔离层、耐600℃高温的轴端屏蔽电极连接层、耐600℃高温的固定层、耐600℃高温的屏蔽罩、耐600℃高温的高温段信号传输线和应用于室温环境下的常温段信号传输线；

所述阵列分布电极为N个大小相同并且由测量端和固定端组成的电极片，其中N的取值为8～16的整数；

所述高温段信号传输线和所述常温段信号传输线均为由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成的双屏蔽线；所述电极片的固定端与所述高温段信号传输线的缆芯连接，并经由所述常温段信号传输线的缆芯与电容层析成像信号采集系统连接，所采集的电容数据由数据采集卡传送到成像计算机完成图像重建；

所述屏蔽罩与所述轴端屏蔽电极连接层连接，所述轴端屏蔽电极连接层的两端分别与所述两个轴端屏蔽电极接触连接，所述两个轴端屏蔽电极中的任一个与所述高温段信号传输线的屏蔽丝网接触连接，并经由所述常温段信号传输线的屏蔽丝网与电容层析成像信号采集系统的连接地线接地，

所述耐600℃高温的阵列分布电极作为一个整体采用腐蚀镂空的工艺并且由厚度为0.01～0.1mm的薄黄铜皮制成；所述电极片的测量端与固定端在交界处折叠，并且所述测量端通过高温绝缘胶定位套粘在所述绝缘管道的外壁上。

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，所述电容层析成像传感器通过贴附安装在横截面为圆形的耐600℃高温的绝缘管道的外壁。

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，所述固定端包裹所述高温段信号传输线的缆芯并且在折叠后与所述测量端贴附。

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，所述轴端屏蔽电极由高温绝缘胶套粘在所述阵列分布电极的测量端两侧。

5.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述绝缘隔离层通过用石英纤维带缠绕所述阵列分布电极而形成。

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，所述轴端屏蔽电极连接层由软铜皮材料制成。

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，所述固定层通过用石英纤维带缠绕整个所述电容层析成像传感器而形成，并且用于支撑和固定所述屏蔽罩。

8.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述屏蔽罩由厚度为0.4～0.6mm的黄铜带制成。

9.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述高温段信号传输线由作为缆芯的镍丝、绕包所述镍丝的作为绝缘层的云母玻璃丝和绕包所述云母玻璃丝的作为屏蔽丝网的不锈钢丝组成；所述常温段信号传输线为传统的冷态信号传输线。

10.根据权利要求3或4所述的电容层析成像传感器，其特征在于，所述轴端屏蔽电极由厚度为0.01～0.1mm的薄黄铜皮制成；所述高温绝缘胶为耐1000℃高温的无机粘合剂。