CN110672678A - 一种原位测量的电容层析成像系统 - Google Patents

一种原位测量的电容层析成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位测量的电容层析成像系统，包括测量管路、柔性电路板和多个电容极板；多个所述电容极板圆周分布在所述测量管路的管壁上；所述柔性电路板安装于所述测量管路的管壁上且靠近于各所述电容极板，各所述电容极板通过引线电极与所述柔性电路板相连。本发明的电容层析成像系统具有减少杂散电容、体积小、测试精度以及空间分辨率高等优点。

Description

一种原位测量的电容层析成像系统
技术领域
本发明主要涉及传感器技术领域，特指一种原位测量的电容层析成像系统。
背景技术
电容层析成像(简称ECT)属于局部特征参数测试技术，基于多项流体中各相物质的介电常数的差异，实时反应被测介质5内各相流体的分布和变化情况，具有无辐射，可适应不透明管壁和流体的特点，且成像速度快，近20年来，ECT技术得到了迅速发展，被很多研究者应用于多相流流动特性的研究，开展了很多卓有成效的工作。
1988年，英国曼彻斯顿大学成功研制出了8电极电容层析成像系统，从此，ECT技术得到了广泛的发展，目前，英国PTL公司和ITS公司均已开发了商业化的ECT系统，并成功应用于多相流测量、采矿工程和化工仪器中，但是其系统复杂、体积庞大、线缆众多、易受干扰，很难大范围推广应用。
电容层析成像技术工作原理如下：由于介质的相对介电常数都不一样，当混合介质在电容传感器内部分布改变时，将使得相应的等价介电常数改变，继而导致传感器电极对之间获得的电容值变化，成像计算机7得到经过数据采集系统处理后的电容值和灵敏度信息，通过合适的图像重建算法反演出电极之间的截面图像。
如图1所示，电容层析成像系统的传感器分别由电容极板4、引线电极3、外壳2、法兰1以及绝缘材料等组成，其中电容极板4通常由铜箔或其它金属材料等制作，可以根据不同的需求安置在测量管路8的外部和内部。电容传感器采用的是电压激励、电容输出的方式，首先选择其中一个电容极板4作为开始，按顺序编号1-N，当给检测电容极板1#施加激励电压时，该极板被称作源电极，而其他未施加电压的极板被称作检测电极，它们与屏蔽罩和径向保护电极均接地，测量得到1-2，1-3，…，1-N之间的电容值，同理，将极板2#选为源电极，施加激励电压，其它均接地，测量得到2-3，2-4，…，2-N的电容值，以此类推，最后得到(N-1)-N的电容值。
电容测试板卡6主要由多通道控制模块、激励信号生成模块、通道选择模块、C/V转换电路和信号采集与传输模块构成，电容/电压转换电路是设计的关键，它将传感器测量得到的微小电容值通过转换电路变成相应的电压信号，因为ECT系统通过施加激励得到的电容值相对微小，而电容与C/V转换电路之间通过电缆连接，电缆之间的杂散电容比传感器本身电容还要大，因此要求该模块有较好的抗杂散电容能力，这也是目前ECT技术的难点之一。ECT的成像系统主要功能是通过MCU内部己编写的图像重建算法将获得的电容数据反演为重构图像。
目前的电容层析成像系统的缺点有：
1、由于目前所有ECT系统的传感器和数据测试采集系统都采用分离的方式，二者通过电缆的方式连接，电缆引入的分布电容可达100pF以上，而ECT系统各极板之间的电容值通常在fF到几个pF之间变化，因此容易造成测量结果误差过大，虽然可以采取一些补偿、滤波等方式降低杂散电容的影响，但是效果有限；
2、由于杂散电容的存在以及各C/V转换模块的差异性，每次测试前都需要重新标定；如电缆的移动也会造成分布电容的变化，因此每次测量前都需要重新对传感器进行空场和满场标定，不适用于工业现场长期在线监测；
3、每个电极需要通过同轴电缆12与测试板卡连接，电缆较多且较长，体积大，成本高，可靠性低，导致当前电容层析成像系统大多处于实验室样品的阶段，很难应用于实际工业现场；数据采集系统都采用板卡和机箱的方式，体积庞大，可靠性低，很难在环境恶劣的工业现场应用；
4、理论上来说，电容极板4数量越多，系统空间分辨率越高，但是单个电容容值越小，受限于目前系统测量精度(采用较多电缆连接会影响测量精度)，目前ECT系统的电容极板4数量都小于16个，空间分辨率都不高于5％；电容极板4数量受限，空间分辨率不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种杂散电容小、体积小、测试精度高以及空间分辨率高的原位测量的电容层析成像系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种原位测量的电容层析成像系统，包括测量管路、柔性电路板和多个电容极板；多个所述电容极板圆周分布在所述测量管路的管壁上；所述柔性电路板安装于所述测量管路的管壁上且靠近于各所述电容极板，各所述电容极板通过引线电极与所述柔性电路板相连。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述柔性电路板包括依次相连的信号激励电路、阵列开关控制电路、C/V转换电路、滤波电路、差分放大电路、ADC电路、FPGA电路和MCU电路。
所述C/V转换电路包括分布电容Cs1、Cs2和依次相连的运算放大器、交流放大电路和乘法解调电路，所述运算放大器的同相输入端用于连接至电容极板(4)中的电容Cx的一端，Cx的另一端用于与信号激励电路相连；分布电容Cs1的一端与Cx的另一端相连，Cs1的另一端接地；Cs2的一端与Cx的一端相连，Cs2的另一端接地。
所述乘法解调电路的输出端连接有低通滤波电路，用于对乘法解调电路的输出信号进行低通滤波。
所述柔性电路板通过胶粘方式或紧固件整体固定在测量管路的管壁上。
所述柔性电路板上设置有用于与显示屏相连接的电连接器。
所述测量管路为有机玻璃或聚四氟乙烯或陶瓷材质制成的管路。
所述电容极板为铜箔或不锈钢片制成的电容极板，厚度在10um-100um之间。
所述电容极板通过胶粘方式或紧固件或捆扎方式整体固定在测量管路的管壁上。
所述电容极板的数量为12-36个。
所述引线电极通过螺钉紧固于所述测量管路的管壁上。
所述测量管路的外层罩设有金属屏蔽罩。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的原位测量的电容层析成像系统，通过在靠近电容极板的位置处设置柔性电路板，通过引线电极连接电容极板与柔性电路板，实现电容原位测量，省去了同轴电缆，尽可能的消除了同轴电缆引起的分布电容和杂散电容的影响，充分提高测试精度。
(2)电容极板与柔性电路板之间的位置固定且相互靠近，电容极板和柔性电路板之间不采用活动(或晃动)的电缆，分布电容和杂散电容较小且稳定，标定一次即可长时间稳定测试。
(3)柔性电路板整体固定在测量管路的管壁上，无需外部板卡或者机箱，能够可以减小体积，提高测试可靠性，可适用于各种恶劣环境的工业现场。
(4)由于不需要布置活动的电缆，提高了测试精度，可以采用较多的电容极板数量，从而也能够提高整个系统成像的空间分辨率。
附图说明
图1为现有技术中ECT系统结构示意图。
图2为本发明在实施例中的系统结构示意图。
图3为本发明的柔性电路板在实施例中的方框结构图。
图4为本发明的C/V转换电路在实施例中的电路原理图。
图中标号表示：1、法兰；2、外壳；3、引线电极；4、电容极板；5、被测介质；6、电容测试板卡；7、成像计算机；8、测量管路；9、柔性电路板；10、C/V转换电路；11、电连接器；12、同轴电缆。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图2所示，本实施例的原位测量的电容层析成像系统，包括测量管路8、柔性电路板9和多个电容极板4；多个电容极板4均匀分布在测量管路8的管壁的圆周方向上；柔性电路板9安装于测量管路8的管壁上且靠近于各电容极板4，各电容极板4通过引线电极3与柔性电路板9相连。
本发明的原位测量的电容层析成像系统，通过在靠近电容极板4的位置处设置柔性电路板9，通过引线电极3连接电容极板4与柔性电路板9，实现电容原位测量，省去了同轴电缆，尽可能的消除了同轴电缆引起的分布电容和杂散电容的影响，充分提高测试精度；
电容极板4与柔性电路板9之间的位置固定且相互靠近，电容极板4和柔性电路板9之间不采用活动(或晃动)的电缆，分布电容和杂散电容较小且稳定，标定一次即可长时间稳定测试；
柔性电路板9整体固定在测量管路8的管壁上，无需外部板卡或者机箱，能够可以减小体积，提高测试可靠性，可适用于各种恶劣环境的工业现场；
由于不需要布置活动的电缆，提高了测试精度，从而可以采用较多数量的电容极板4，从而也能够提高整个系统成像的空间分辨率。
如图2和图3所示，本实施例中，柔性电路板9采用单面柔性电路板，包括信号激励电路、阵列开关控制电路、C/V转换电路10、滤波电路、DAC电路、ADC电路、差分放大电路、FPGA电路和MCU电路，信号激励电路、阵列开关控制电路、C/V转换电路10、滤波电路、差分放大电路、ADC电路、FPGA电路和MCU电路依次相连；各电路均粘贴于柔性电路板9上，柔性电路板9通过胶粘和螺钉整体固定在测量管路8的管壁上。由于将所有的电路均集成在柔性电路板9上，节省活动电缆的同时，也无需配置对应的外部板卡和机箱，进一步减少体积；另外，柔性电路板9上设置有用于与显示屏相连接的电连接器11，用于对成像进行显示。另外，柔性电路板9上C/V转换电路10采用基于充放电原理的微弱电容测量电路，其原理图如4所示：
C/V转换电路包括分布电容Cs1、Cs2和依次相连的运算放大器、交流放大电路、乘法解调电路和低通滤波电路；运算放大器与电阻Rf及电容Cf构成电流检测器，运算放大器的同相输入端用于连接至待测电容Cx的一端，Cx的另一端用于与信号激励电路相连；分布电容Cs1的一端与Cx的另一端相连，Cs1的另一端接地；Cs2的一端与Cx的一端相连，Cs2的另一端接地；分布电容Cs1直接受交流信号激励，流经Cs1的电流并不流过电流检测器，因此Cs1对测量电路无影响；另一分布电容Cs2由于一端接地，另一端处于“虚地”电位，可认为Cs2上不积累电荷，因此它对测量电路也无影响，因此该电路具有抗杂散电容影响的能力。
在被测电容Cx上施加频率为ω、幅度为A的正弦激励信号Vi＝Asin(ωt+α)并产生相应的电流，该电流流过由运算放大器、Rf及Cf构成的电流检测器并产生相应的输出电压Vo1，根据电路理论不难求得：
Figure BDA0002253672180000051
如果参数ω、Rf及Cf的选取满足：ωRfCf>>1，则(1)式可以简化为：
Figure BDA0002253672180000052
由上式知Vo1的幅度正比于被测电容Cx，Vo1经进一步放大后得到Vo2，
Figure BDA0002253672180000053
由于被测电容Cx包含在Vo2的幅度信号中，因此必须对Vo2进行解调，解调的过程实际上是用Vo2与频率为ω、幅度为B的参考信号Vf＝Bsin(ωt+β)进行乘法运算，乘法器的输出为Vo3：
Figure BDA0002253672180000054
当α＝β，
Figure BDA0002253672180000055
将该信号进行低通滤波后即可得到正比于被测电容Cx的直流输出VDC。
在进行工作时，FPGA电路产生选择信号至阵列开关控制电路，选择对应的电容极板4作为激励端，其它电容极板4作为测量端，测量信号经阵列开关控制电路输入至C/V转换电路10，将电容信号转换为电压信号，再经滤波电路进行滤波后，经差分放大电路放大后，再经ADC电路进行模数转换后，输入至FPGA电路，FPGA电路进行处理得到信号的幅度和相位，然后发送至MCU电路，MCU电路进行成图相关算法运算，通过电连接器11发送至对应的显示屏上进行显示。
本实施例中，测量管路8通常采用有机玻璃或聚四氟乙烯或陶瓷等绝缘材质制成，根据流量及耐压要求，可设计成任意内径和管壁厚度，优选的管路内径为50mm，管壁厚度为5mm，材质为有机玻璃。另外，在测量管路8的外部罩设有电磁屏蔽罩(图中未示出)，进一步提高抗外部电磁干扰的能力，进一步保障系统的稳定运行。
本实施例中，电容极板4采用铜箔或者不锈钢片，铜箔或者不锈钢片厚度通常在10um～100um之间，由于其厚度会影响电容容值的大小，考虑到C/V转换电路10的测量精度，厚度尽量不超过100um，固定方式通常采用胶粘、捆扎及螺钉等方式。若管路材料为金属材料，电容极板4只能固定在内管壁，通过引线电极3实现电容极板4与C/V转换电路10电气连接，引线电极3通过螺钉方式固定，若管道为非金属材料，电容极板4可固定在内管壁，也可固定在外管壁，电容极板4数量跟空间分辨率存在一定的对应关系，优选采用铜箔作为电容极板4，极板数量为24个，空间分辨率可达到5％以上。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种原位测量的电容层析成像系统，其特征在于，包括测量管路(8)、柔性电路板(9)和多个电容极板(4)；多个所述电容极板(4)圆周分布在所述测量管路(8)的管壁上；所述柔性电路板(9)安装于所述测量管路(8)的管壁上且靠近于各所述电容极板(4)，各所述电容极板(4)通过引线电极(3)与所述柔性电路板(9)相连。
2.根据权利要求1所述的原位测量的电容层析成像系统，其特征在于，所述柔性电路板(9)包括依次相连的信号激励电路、阵列开关控制电路、C/V转换电路、滤波电路、差分放大电路、ADC电路、FPGA电路和MCU电路。
3.根据权利要求2所述的原位测量的电容层析成像系统，其特征在于，所述C/V转换电路包括分布电容Cs1、Cs2和依次相连的运算放大器、交流放大电路和乘法解调电路，所述运算放大器的同相输入端用于连接至电容极板(4)中的电容Cx的一端，Cx的另一端用于与信号激励电路相连；分布电容Cs1的一端与Cx的另一端相连，Cs1的另一端接地；Cs2的一端与Cx的一端相连，Cs2的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的原位测量的电容层析成像系统，其特征在于，所述乘法解调电路的输出端连接有低通滤波电路，用于对乘法解调电路的输出信号进行低通滤波。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的原位测量的电容层析成像系统，其特征在于，所述柔性电路板(9)通过胶粘方式或紧固件整体固定在测量管路(8)的管壁上。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的原位测量的电容层析成像系统，其特征在于，所述柔性电路板(9)上设置有用于与显示屏相连接的电连接器(11)。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的原位测量的电容层析成像系统，其特征在于，所述测量管路(8)为有机玻璃或聚四氟乙烯或陶瓷材质制成的管路。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的原位测量的电容层析成像系统，其特征在于，所述电容极板(4)为铜箔或不锈钢片制成的电容极板，厚度在10um-100um之间。
9.根据权利要求8所述的原位测量的电容层析成像系统，其特征在于，所述电容极板(4)通过胶粘方式或紧固件或捆扎方式整体固定在测量管路(8)的管壁上。
10.根据权利要求1至4中任意一项所述的原位测量的电容层析成像系统，其特征在于，所述测量管路(8)的外层罩设有金属屏蔽罩。
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