CN108508279B - 一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置 - Google Patents

一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，3D打印设备用于通过对被测对象进行电磁仿真后打印电极结构，电极结构经继电器模块与电容测试仪连接，在1MHz、1V激励电压下进行电容层析检测，并通过网络继电器模块控制测量与激励极板面积与位置，网络继电器模块和电容测试仪经网络交换机与PC机连接用于数据传输。本发明利用高精度电容采集设备结合继电器模块，实现不同极板间电容值的自动化测量，相比于传统电容层析装置，测量精度更高，成本更低。

Description

一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置。
背景技术
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)技术自20世纪80年代发明以来，由于其非侵入、实时性、无辐射、价格相对低廉等优点，在多相流监测、火焰监测等众多工业领域有着广泛的应用。其原理是根据场域边界所测得电容值反演出场域内部介电常数的空间分布，从而得到不均匀介质的分布情况。
目前电容层析主要应用于气固两相或气固液多相流的检测。近年来，新出现的介电功能梯度材料为电容层析技术开拓了新的应用领域，介电功能梯度材料通过调整内部介电常数的空间分布实现电场的调控，需要对内部介电特性的分布予以测量以满足制造要求，这与电容层析的检测原理非常契合。但传统电容层析装置电极结构通常为管状或者方形，复杂几何形状的电极结构存在安装精度不足，难以制造等缺点，需要在应用于介电功能梯度材料的过程中加以改进；同时，传统ECT检测装置需要专门的硬件设备(计算机、采集卡等)，无法实现远程在线测量，且由于需要专门采集卡、上位机等硬件，价格相对昂贵，亟需一套针对介电功能梯度绝缘的高性价比、高精度的ECT测量装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，通过调整电极结构与数据传输方式，实现介电功能梯度绝缘子无损检测的目的。
本发明采用以下技术方案：
一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，包括3D打印设备，继电器模块，电容测试仪，网络交换机和PC机，3D打印设备用于通过对被测对象进行电磁仿真后打印电极结构，电极结构经继电器模块与电容测试仪连接，在1MHz、1V激励电压下进行电容层析检测，并通过继电器模块控制测量与激励极板面积与位置，继电器模块和电容测试仪经网络交换机与PC机连接用于数据传输。
具体的，继电器模块包括测量电极部分和激励电极部分，测量电极部分具体如下：
AC电源的输入端依次经第2开关和第1开关后与测量电极Ej连接，第2开关和第1开关之间通过第3开关接地，第1开关上并联有电容Cj1，第2开关上并联有电容Cj2，第3开关上并联有电容Cj3，AC电源的输出端分两路，一路与测量地EP1连接，另一路依次经第5开关和第4开关与测量电极Ej连接，第5开关和第4开关之间通过第6开关接地，第4开关上并联有电容Cj4，第5开关上并联有电容Cj5，第6开关上并联有电容Cj6；
激励电极部分具体如下：
AC电源的输入端依次经第12开关和第11开关后与激励电极Ei连接，第12开关和第11开关之间通过第13开关接地，第11开关上并联有电容Ci1，第12开关上并联有电容Ci2，第13开关上并联有电容Ci3，AC电源的输出端分两路，一路与测量地EP1连接，另一路依次经第15开关和第14开关与激励电极Ei连接，第15开关和第14开关之间通过第16开关接地，第14开关上并联有电容Ci4，第15开关上并联有电容Ci5，第16开关上并联有电容Ci6。
进一步的，信号源的高压端与测量端分别通过第1开关、第2开关和第4开关、第5开关接入到电极，同时第3开关和第6开关分别串联在第1开关、第2开关和第4开关、第5开关之间直接接地，与测量电极Ej相连的第3开关、第4开关、第5开关断开，第1开关、第2开关、第6开关闭合，与激励电极Ei相连的第11开关、第12开关、第16开关断开，第13开关、第14开关、第15开关闭合，除电极Ej和电极Ei之外的其他电极Em处于闲置状态，m＝1，2，j-1，j+1，i-1，i+1，…N，测量得到总的电容值Cm。
更进一步的，总的测量电容值Cm为：
其中，p为激励极板的数目，q为测量极板的数目，Cx为本征电容值。
具体的，电极结构和继电器模块设置在屏蔽箱内，屏蔽箱的厚度为2～3mm。
具体的，继电器模块设置在基底为氮化铝的PCB板上，PCB板输入端通过屏蔽线与电极结构连接，输出端通过同轴屏蔽线缆与电容测试仪连接。
具体的，继电器模块为具有同轴屏蔽的高频继电器，控制电压为5～24V。
具体的，电极结构包括电极阵列、外屏蔽和绝缘支撑，绝缘支撑为圆柱式结构，多个电极阵列层叠设置在绝缘支撑上，外屏蔽设置在电极阵列的外表面。
进一步的，电极阵列包括10个，分5层设置，每层两个电极阵列之间的张角为160°，层间电极阵列的旋转角度为90°。
进一步的，绝缘支撑的管壁厚度为2～3mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，根据被测对象的不同实现电极结构的优化设计，利用3D打印技术，针对不同的测试制备相应地优化后的电极结构，实现测量对象电极结构的个性化定制，同时避免了电极安装误差对测量带来的不利影响，通过3D打印方式精准快速定制，具有安装精度高，制备周期短的优点，同时减小了安装造成的测量误差，此外，基于物联网系统构建了电容测试仪、继电器模块组成的测试系统，最终实现采集电容的远程自动上传与处理，能够提高测试过程的自动化，提高测量的准确性，实现不同测量模块的通信与数据共享，可以实现远程控制、数据自动上传与分析的功能，摆脱了设备之间接线的束缚，为后期制造过程的在线监测打下坚实基础。
进一步的，首次提出了针对介电功能梯度绝缘的ECT检测装置，通过改进传统ECT装置硬件系统与数据传输方式，实现介电功能梯度绝缘介电特性空间分布的测量，相比于传统电容层析装置，测量精度更高，成本更低。
进一步的，屏蔽箱的厚度为2～3mm能够显著抑制空间工频电磁波的干扰。
进一步的，电路板采用氮化铝基底，最大程度上减小高频下的泄漏电流，保证微小电容测量情况下的精度。
进一步的，采用高频继电器组成的继电器模块，同时改进继电器模块的接入方式，有效的抑制了传统固态继电器或电磁式继电器引入带来杂散电容，显著提高了电容测量的精度。
进一步的，电容的动态变化范围与最小电容数量都很小，有利于提高测量的效率和精度。
进一步的，采用内置式电极，绝缘支撑一方面起到维持电极结构的功能，另一方面内置式消除管壁带来的影响。
综上所述，本发明利用高精度电容采集设备结合继电器模块，实现不同极板间电容值的自动化测量，相比于传统电容层析装置，测量精度更高，成本更低。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的装置组成部分示意图；
图2为具体实施方式中3D打印制备的电极结构尺寸图；
图3为具体实施方式中改进前的继电器模块电路图；
图4为具体实施方式中改进后的继电器模块电路图。
其中：1.电极阵列；2.外屏蔽；3.绝缘支架。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明提供了一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，根据被测对象的不同实现电极结构的优化设计，通过光固化3D打印方式精准快速定制，具有安装精度高，制备周期短的优点。同时减小了安装造成的测量误差，此外，基于物联网系统构建了电容测试仪、继电器模块组成的测试系统，最终实现采集电容的远程自动上传与处理。采用本发明方法能够提高测试过程的自动化，提高测量的准确性，为后期制造过程的在线监测打下坚实基础。
请参阅图1，本发明一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，包括3D打印设备，继电器模块，电容测试仪，网络交换机和PC机，3D打印设备根据被测对象的不同，通过电磁仿真优选最优电极结构并打印电极结构，电极结构与继电器模块连接，继电器模块经网络交换机与PC机连接，电容测试仪与网络交换机连接，在1MHz、1V激励电压的测试条件下进行电容层析检测。
电极结构和继电器模块设置在2～3mm厚的不锈钢长方体屏蔽箱内，继电器模块设置在PCB板上，PCB板的基底皆为氮化铝，PCB板输入端通过屏蔽线与电极结构连接，输出端通过同轴屏蔽线缆与电容测试仪连接。
继电器模块为具有同轴屏蔽的高频继电器，控制电压为5～24V，通过继电器模块的切换，可控制测量与激励极板面积与位置，增大独立电容数目。
电极结构、继电器模块以及与电容测试仪连接的设备均设有屏蔽层，连接线缆采用直径2.5mm的镀银双同轴屏蔽线缆，继电器模块与电容测试仪采用四端子接线方式，连接线缆为BNC接头的同轴屏蔽线缆。
3D打印设备采用光固化3D打印机，实现电极结构的个性化定制。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，针对圆柱式介电功能梯度绝缘子，电极结构包括电极阵列1、外屏蔽2和绝缘支撑3，绝缘支撑3为圆柱式结构，电极阵列1包括多个，层叠设置在绝缘支撑3上，外屏蔽2设置在电极阵列1的外表面。
10个电极阵列1分为5层，每层两个电极阵列1之间的张角为160°，层间电极旋转角度为90°，支撑管壁厚度为2～3mm，混合制备而成，其光固化3D打印方法包括以下步骤：
继电器模块采用高频继电器，每个继电器上集成一个常闭与一个常开开关，传统继电器接入方式采用图3所示的直接接入方式，Ej为测量电极，Ei为激励电极，此方式虽然结构简单，但当继电器处于闲置状态(接地)，继电器开关触头之间的耦合电容Ci1与Ci2会与待测电容值并联，当电极数目增大时，相应的并联电容值也越多，影响本征电容值的测量精度，此时总的测量电容值为
Cm＝Cx+p·Ci3+q·Cj1+(N-p-q)·(Ci3+Cj1) (1)
其中，Cm为电容测试仪测得的电容，Cx为待采集电容，p为激励极板的数目，q为测量极板的数目，N为总的电极数目。
本发明设计的继电器模块的接线方式如图4所示：包括测量电极部分和激励电极部分，测量电极部分具体如下：
AC电源的输入端依次经第2开关和第1开关后与测量电极Ej连接，第2开关和第1开关之间通过第3开关接地，第1开关上并联有电容Cj1，第2开关上并联有电容Cj2，第3开关上并联有电容Cj3，AC电源的输出端分两路，一路与测量地EP1连接，另一路依次经第5开关和第4开关与测量电极Ej连接，第5开关和第4开关之间通过第6开关接地，第4开关上并联有电容Cj4，第5开关上并联有电容Cj5，第6开关上并联有电容Cj6；
激励电极部分具体如下：
AC电源的输入端依次经第12开关和第11开关后与激励电极Ei连接，第12开关和第11开关之间通过第13开关接地，第11开关上并联有电容Ci1，第12开关上并联有电容Ci2，第13开关上并联有电容Ci3，AC电源的输出端分两路，一路与测量地EP1连接，另一路依次经第15开关和第14开关与激励电极Ei连接，第15开关和第14开关之间通过第16开关接地，第14开关上并联有电容Ci4，第15开关上并联有电容Ci5，第16开关上并联有电容Ci6；
信号源的高压端与测量端分别通过第1、2开关和第4、5开关接入到电极，同时第3开关和第6开关分别串联在第1、2开关和第4、5开关之间直接接地，与测量电极Ej相连的第3开关、第4开关、第5开关断开，第1开关、第2开关、第6开关闭合，与激励电极Ei相连的第11开关、第12开关、第16开关断开，第13开关、第14开关、第15开关闭合，其他电极处于闲置状态，相应的继电器开关1、3闭合，其他开关断开，此时总的测量电容值为
由式(2)可知，通过改变接线方式可以使得杂散电容变为除本征值外的第二项所示，其数值大小与Cx相比为一个很小的值。
PCB板的一端通过屏蔽线缆与电极阵列1相连，另一端通过BNC与电容测试仪相连，继电器的控制电路通过50针板线与继电器电路板相连。
网络交换机通过WiFi或WLAN网线分别连接至电容测试仪、继电器模块与PC机，实现不同测量模块在局域网或者互联网范围内的通信与数据共享，可以实现远程控制、数据自动上传与分析的功能，摆脱了设备之间接线的束缚，同时为后期绝缘子制造过程的在线监测提供便利。
通过调整继电器动作状态，可以得到不同电极之间的电容值，测量结果与优化仿真过程的电容值对比结果如表1：
表1仿真值与系统实测值对比
可见，系统实测值与仿真结果非常接近，验证了本发明在测量精度上的提高。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，其特征在于，包括3D打印设备，继电器模块，电容测试仪，网络交换机和PC机，继电器模块包括测量电极部分和激励电极部分，测量电极部分具体如下：
AC电源的输入端依次经第2开关和第1开关后与测量电极Ej连接，第2开关和第1开关之间通过第3开关接地，第1开关上并联有电容Cj1，第2开关上并联有电容Cj2，第3开关上并联有电容Cj3，AC电源的输出端分两路，一路与测量地EP1连接，另一路依次经第5开关和第4开关与测量电极Ej连接，第5开关和第4开关之间通过第6开关接地，第4开关上并联有电容Cj4，第5开关上并联有电容Cj5，第6开关上并联有电容Cj6；
激励电极部分具体如下：
AC电源的输入端依次经第12开关和第11开关后与激励电极Ei连接，第12开关和第11开关之间通过第13开关接地，第11开关上并联有电容Ci1，第12开关上并联有电容Ci2，第13开关上并联有电容Ci3，AC电源的输出端分两路，一路与测量地EP1连接，另一路依次经第15开关和第14开关与激励电极Ei连接，第15开关和第14开关之间通过第16开关接地，第14开关上并联有电容Ci4，第15开关上并联有电容Ci5，第16开关上并联有电容Ci6；
信号源的高压端与测量端分别通过第1开关、第2开关和第4开关、第5开关接入到电极，同时第3开关和第6开关分别串联在第1开关、第2开关和第4开关、第5开关之间直接接地，与测量电极Ej相连的第3开关、第4开关、第5开关断开，第1开关、第2开关、第6开关闭合，与激励电极Ei相连的第11开关、第12开关、第16开关断开，第13开关、第14开关、第15开关闭合，除电极Ej和电极Ei之外的其他电极Em处于闲置状态，m＝1，2，j-1，j+1，i-1，i+1，…N，测量得到总的电容值Cm；
3D打印设备用于通过对被测对象进行电磁仿真后打印电极结构，电极结构经继电器模块与电容测试仪连接，在1MHz、1V激励电压下进行电容层析检测，并通过继电器模块控制测量与激励极板面积与位置，继电器模块和电容测试仪经网络交换机与PC机连接用于数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，其特征在于，总的测量电容值Cm为：
其中，p为激励极板的数目，q为测量极板的数目，Cx为本征电容值。
3.根据权利要求1所述的一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，其特征在于，电极结构和继电器模块设置在屏蔽箱内，屏蔽箱的厚度为2～3mm。
4.根据权利要求1述的一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，其特征在于，继电器模块设置在基底为氮化铝的PCB板上，PCB板输入端通过屏蔽线与电极结构连接，输出端通过同轴屏蔽线缆与电容测试仪连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，其特征在于，继电器模块为高频继电器，控制电压为5～24V。
6.根据权利要求1所述的一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，其特征在于，电极结构包括电极阵列(1)、外屏蔽(2)和绝缘支撑(3)，绝缘支撑(3)为圆柱式结构，多个电极阵列(1)层叠设置在绝缘支撑(3)上，外屏蔽(2)设置在电极阵列(1)的外表面。
7.根据权利要求6所述的一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，其特征在于，电极阵列(1)包括10个，分5层设置，每层两个电极阵列(1)之间的张角为160°，层间电极阵列的旋转角度为90°。
8.根据权利要求6所述的一种用于介电功能梯度绝缘的电容层析检测装置，其特征在于，绝缘支撑(3)的管壁厚度为2～3mm。
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