CN112986342B - 一种高温三维电容层析成像传感器及其成像装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高温三维电容层析成像传感器及其成像装置，所述成像传感器包括绝缘管道、测量电极和第一信号传输线。绝缘管道为中空结构，供流体流动；测量电极设置在绝缘管道的外壁上，采集电容数据；测量电极包括M行N列的电极片，每行电极片错位排列；其中，M≥2，N≥4，M和N取自然数；第一信号传输线的个数为M*N个，第一信号传输线与电极片一一相连，用于输出电容数据；传感器应用于室温至800℃的环境下。本发明通过调整相邻电极片的间距，使相邻行中电极片可以互补嵌合，实现错位排列，减小了电极片的层间距，提高层间电极电容值，有效提高了ECT传感器三维成像质量。

Description

一种高温三维电容层析成像传感器及其成像装置

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种高温三维电容层析成像传感器及其成像装置。

背景技术

电容层析成像(ECT)的基本原理是基于被测对象包括多相介质，各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，当测量电极所在环境介质状态发生变化时，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，即可获得所测位置的介质分布情况。

现有技术中，通常应用电容层析成像传感器对流化床内部的流化状态进行检测，而对于高温流化床则需使用高温电容层析成像传感器进行检测，现有的高温电容层析成像传感器多是二维外置电极高温ECT传感器，能够简单地对高温流化床内部流化状态进行检测，但是成像质量低，不能实时对高温流化床内部流化状态进行三维在线观察，影响生产效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高温三维电容层析成像传感器，能够实时在线测量高温流化床内部流化状态的状态。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高温三维电容层析成像传感器，所述传感器包括：绝缘管道、测量电极和第一信号传输线；

所述绝缘管道为中空结构，用于供流体流动；

所述测量电极设置在所述绝缘管道的外壁上，用于采集电容数据；

所述测量电极包括M行N列的电极片，每行电极片错位排列；

其中，M≥2，N≥4，M和N取自然数；

所述第一信号传输线的个数为M*N个，所述第一信号传输线与所述电极片一一相连，用于输出所述电容数据；

所述传感器应用于室温至800℃的环境下。

作为本发明再进一步的方案：每行中各相邻的所述电极片之间设有间隙，所述间隙宽度容纳所述相邻行的电极片的一端，相邻两行电极片互相错位嵌合排列。

作为本发明再进一步的方案：所述电极片为弧形的瓦状电极，其展开形状为菱形、六边形、圆形、椭圆形或傅里叶函数波形中的任一种；

优选的，所述弧形的瓦状电极采用导体圆管通过程控激光切割技术加工。

作为本发明再进一步的方案：所述电极片的间隙中设置有柔性绝缘材料。

作为本发明再进一步的方案：所述传感器还包括绝缘层；

所述绝缘层设置在所述测量电极的外表面，所述绝缘层将所述测量电极上连接的第一信号传输线隔离在所述绝缘层的外侧。

作为本发明再进一步的方案：所述每个第一信号传输线包括金属丝和套设在金属丝外的绝缘套管；

所述金属丝预先设置在所述电极片上，用于传输电容数据；

所述绝缘套管用于保护和隔离所述金属丝；

优选的，所述每个第一信号传输线还包括屏蔽丝网，所述屏蔽丝网用于屏蔽信号。

作为本发明再进一步的方案：所述传感器还包括屏蔽固定层；

所述屏蔽固定层设置在所述绝缘层的外侧，所述屏蔽固定层的轴向两端长于所述测量电极，且所述屏蔽固定层与所述第一信号传输线的屏蔽丝网电连接。

作为本发明再进一步的方案：所述传感器还包括多个紧固卡子；

所述多个紧固卡子设置在所述屏蔽固定层的外侧，用于将所述测量电极、绝缘层和第一信号传输线固定在所述绝缘管道上，并将所述屏蔽固定层轴向两端长出所述测量电极的区域卡紧，屏蔽所述绝缘管道轴端的信号。

作为本发明再进一步的方案：所述传感器还包括支撑层和外屏蔽罩；

所述支撑层设置在所述屏蔽固定层和紧固卡子的外侧，用于支撑所述外屏蔽罩；

所述外屏蔽罩设置在所述支撑层的外侧，所述外屏蔽罩分别与所述屏蔽固定层、所述第一信号传输线的屏蔽丝网电连接。

本发明还提供一种应用上述任一种高温三维电容层析传感器的高温三维电容层析成像装置，所述装置还包括信号采集系统和成像显示系统；

所述信号采集系统与所述高温三维电容层析成像传感器通过信号传输线电连接，用于采集所述高温三维电容层析成像传感器获取的电容数据；

所述成像显示系统与所述信号采集系统电连接，用于处理所述高温三维电容层析成像传感器获取的电容数据，并获得高温三维成像。

本发明的有益效果包括但不限于：

(1)本发明提供的高温三维电容层析成像传感器，包括绝缘管道、测量电极和第一信号传输线。绝缘管道为中空结构，供流体流动；测量电极设置在绝缘管道的外壁上，采集电容数据；测量电极包括M行N列的电极片，每行电极片错位排列；其中，M≥2，N≥4，M和N取自然数；第一信号传输线的个数为M*N个，第一信号传输线与电极片一一相连，用于输出电容数据；传感器应用于室温至800℃的环境下。本发明通过调整相邻电极片的间距，使相邻行中电极片可以互补嵌合，实现错位排列，减小了电极片的层间距，提高层间电极电容值，有效提高了ECT传感器三维成像质量。

(2)进一步地，本发明测量电极采用耐高温的导体圆管，导体圆管的内径与绝缘管道的外径一致，通过程控激光切割技术加工出的横向断面为弧形的瓦状电极，可极大改善成像边界条件，有利于空间高温立体准确成像。

(3)进一步的，本发明采用预先在测量电极的电极片上连接信号传输线的金属丝线芯的方法，保证高温下电信号畅通。进一步的，本发明外屏蔽罩接地线采用焊接方式连接，保证了信号的稳定。

(4)进一步的，本发明采用屏蔽固定层以及紧固卡子覆盖测量电极而且直接连接第一信号传输线的屏蔽丝网，起到信号的初级屏蔽作用；其轴向两端用紧固卡子固定在测量电极的轴端进一步屏蔽了轴端的电磁信号干扰，同时简化了高温三维ECT传感器信号传输线的连接方式。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高温三维电容层析成像传感器的结构示意图；

图2为图1所示的高温三维电容层析成像传感器的纵截面示意图(A-A’方向视图)；

图3为图1所示的高温三维电容层析成像传感器的横截面示意图(B-B’方向视图)；

图4为本发明实施例提供的测量电极示意图(以菱形电极片4行排列为例)；

图5为本发明实施例提供的采用耐高温的金属导体管通过激光切割工艺制成的阵列式分布电极中一个单电极示意图(以展开为菱形电极、M列4行测量电极为例，其不同的位置焊接金属丝)；

图6为本发明实施例提供的紧固卡子示意图；

图7为本发明实施例提供的高温三维电容层析成像装置的结构示意图；

图中：1-绝缘管道；2-测量电极；3-绝缘层；4-屏蔽固定层；5-紧固卡子；6-支撑层；7-外屏蔽罩；8-第一信号传输线；9-第二信号传输线；10-信号采集系统；11-成像显示系统。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

如图1、图2和图3所示，一种高温三维电容层析成像传感器，包括：绝缘管道1、测量电极2和第一信号传输线；

绝缘管道1为中空结构，用于供流体流动；

测量电极2设置在绝缘管道1的外壁上，用于采集电容数据；

测量电极2包括M行N列的电极片，每行电极片错位排列；

其中，M≥2，N≥4，M和N取自然数；

第一信号传输线的个数为M*N个，第一信号传输线与M*N个电极片一一相连，用于输出电容数据；

本发明传感器应用于室温至800℃的环境下。

进一步的，每行中各相邻的电极片之间设有间隙，间隙宽度容纳相邻行的电极片的一端，相邻两行电极片互相错位嵌合排列。

如图4所示，优选的，相邻两行中，下行电极片的中心点，正对上行电极片中两两相邻电极片的间隙中心点；相应地；上行电极片的中心点，正对下行电极片中两两相邻电极片的间隙中心点。

优选地，测量电极2中电极片的形状相同。

如图5所示，进一步的，电极片为弧形的瓦状电极，其展开形状为菱形、六边形、圆形、椭圆形或傅里叶函数波形中的任一种。

优选地，测量电极2的展开形状为菱形、六边形、圆形中的任意一种。

优选的，测量电极2为耐高温的导体圆管，内径与绝缘管道1的外径一致，通过程控激光切割技术将圆管加工成横向断面为弧形的瓦状电极，其展开形状为菱形、六边形、圆形、椭圆形或傅里叶函数波形中的任一种。

进一步的，电极片的间隙中设置有耐高温柔性绝缘材料。

进一步的，传感器还包括绝缘层3；

绝缘层3设置在测量电极2的外表面，绝缘层3将测量电极2上连接的第一信号传输线8隔离在绝缘层3的外侧。

进一步的，绝缘层3采用柔性耐高温绝缘材料带缠绕而成，绝缘层3设置在测量电极2和柔性绝缘材料的外表面，且使测量电极2上的第一信号传输线8留在绝缘层3的外侧，绝缘层3完全覆盖测量电极2，以确保测量电极2与外界的绝缘。

进一步的，每个第一信号传输线8包括金属丝和套设在金属丝外的绝缘套管；

金属丝预先设置在电极片上，用于传输电容数据；

绝缘套管用于保护和隔离金属丝；

优选的，每个第一信号传输线8还包括屏蔽丝网，用于屏蔽信号。

其中，金属丝优选不锈钢丝。

优选的，焊点位置的选择要保证所有第一信号传输线8合理排列在绝缘层3的外侧。

进一步的，传感器还包括屏蔽固定层4；

屏蔽固定层4设置在绝缘层3的外侧，屏蔽固定层4的轴向两端长于测量电极2，且屏蔽固定层4与第一信号传输线8的屏蔽丝网电连接，用于屏蔽信号干扰和固定屏蔽固定层4内部的结构。

具体的，屏蔽固定层4的材料为耐高温金属薄膜。

进一步的，传感器还包括多个紧固卡子5；

多个紧固卡子5设置在屏蔽固定层4的外侧，用于将测量电极2、绝缘层3和第一信号传输线8固定在绝缘管道1上，并将屏蔽固定层4轴向两端长出测量电极2的区域卡紧，屏蔽绝缘管道1轴端的信号。

优选的，如图6所示，紧固卡子5由带状不锈钢打孔剪切围弯制成。一端贴紧绝缘管道1、一端贴紧第一信号传输线8的屏蔽丝网，起到轴端信号的屏蔽作用。

进一步的，传感器还包括支撑层6和外屏蔽罩7；

支撑层6设置在屏蔽固定层4和紧固卡子5的外侧，用于支撑外屏蔽罩7；

外屏蔽罩7设置在支撑层6的外侧，外屏蔽罩7分别与屏蔽固定层4、第一信号传输线8的屏蔽丝网电连接。

优选的，外屏蔽罩7上还固定连接有接地线，保证了信号的稳定。

优选的，固定连接方式为焊接。

优选的，支撑层6的材料为柔性耐高温绝缘材料。

进一步的，传感器还包括第二信号传输线9；

第二信号传输线9连接第一信号传输线8，将传输至第一信号传输线8的电容数据在常温下通过第二信号传输线9输出。

进一步的，第二信号传输线9包括第二信号传输线芯、绝缘套管以及屏蔽丝网；

绝缘套管套设在第二信号传输线芯外，屏蔽丝网套设在绝缘套管的外侧。

本发明提供的高温三维电容层析成像传感器，包括绝缘管道1、测量电极2和第一信号传输线。绝缘管道1为中空结构，供流体流动；测量电极2设置在绝缘管道1的外壁上，采集电容数据；测量电极2包括M行N列的电极片，每行电极片错位排列；其中，M≥2，N≥4，M和N取自然数；第一信号传输线的个数为M*N个，第一信号传输线与电极片一一相连，用于输出电容数据；传感器应用于室温至800℃的环境下。本发明通过调整相邻电极片的间距，使相邻行中电极片可以互补嵌合，实现错位排列，减小了电极片的层间距，提高层间电极电容值，有效提高了ECT传感器三维成像质量。

下面为本发明提供的高温三维电容层析成像传感器的一个具体实施例：

本实施例中绝缘管道1为石英柱管，其长度为500mm、外径为65mm、内径60mm。

电极片以菱形电极片为例，采用耐高温不锈钢圆管(内径65mm、外径69mm)通过程控激光切割技术加工出的横向断面为弧形的瓦状电极，其展开形状为菱形的电极，以M列N行电极片排列为例，电极片选取如图5中a、b、c、d的位置预先焊接直径1mm耐高温不锈钢丝做第一信号传输线8的线芯。

单个电极阵列式分布电极为M×N个大小相同的电极片(其中N行的取值为2以上的整数，M列取值为4～16的整数)，由于ECT信号采集系统10通道数所限，本实施例中取M＝4、6或8，N＝4、6或8。相邻两排电极采用错位排列粘贴的方式设置。

预先在绝缘管道1上画出测量电极2的精准位置，用502瞬干胶将测量电极2贴于位置上，待测量电极2初步定位后，电极片间形成的网格形空间用柔性耐高温石英条填充。

采用柔性耐高温石英带紧密均匀缠绕在测量电极2以及网格间石英条外面，完全覆盖测量电极2形成绝缘层3，注意缠绕时将测量电极2上的耐高温金属丝留在绝缘层3外侧。

将测量电极2上焊接的不锈钢丝外面套设内径1.5mm、外径3mm的白刚玉管，白刚玉管外套不锈钢网形成第一信号传输线8，使M×N根第一信号传输线8均匀排布于绝缘层3的外表面。

采用厚度为0.05mm的不锈钢箔片作为屏蔽固定层4，屏蔽固定层4覆盖于绝缘层3以及第一信号传输线8的外面且两端长于测量电极2排列区域，两端各长出不少于4cm，且使屏蔽固定层4与第一信号传输线8的屏蔽丝网保持良好电连接。

紧固卡子5由厚度为1mm带状不锈钢打孔剪切围弯制成，如图6所示。紧固卡子5固定测量电极2、绝缘层3以及第一信号传输线8，并将屏蔽固定层4两端长出测量电极2排列区域的屏蔽固定层4用紧固卡子5紧固，一端贴紧绝缘管道1、一端贴紧第一信号传输线8的屏蔽丝网，起到轴端信号的屏蔽作用。

在屏蔽固定层4与紧固卡子5的外侧缠绕石英带作为支撑层6，用来支撑外屏蔽罩。

支撑层6的外侧设置外屏蔽罩7，外屏蔽罩7用厚度为0.5mm的不锈钢板卷制成筒状焊接而成，筒体的外侧上端焊接直径1mm的不锈钢丝，筒内径略大于支撑层6的直径，轴向长度大于屏蔽固定层4，外屏蔽罩7上的不锈钢丝并分别与屏蔽固定层4和第一信号传输线8的屏蔽丝网电连接。

本实施例中，测量电极2可以为4×4阵列，采用面积为836.66mm²的90°角展开为正菱形、圆形、正六边形的电极片；测量电极2也可以为6×4阵列，采用面积为215.68mm²的60°角展开为菱形、一对对角为90°，其它角度为135°角展开为六边形的电极片。电极片的大小可根据绝缘管道1的周长、两排电极片的层间距做多种设计，不局限于以上参数设计。

实施例2：

如图7所示，一种高温三维电容层析成像装置，包括信号采集系统10、成像显示系统11和高温三维电容层析成像传感器；

信号采集系统10与高温三维电容层析成像传感器通过信号传输线电连接，采集高温三维电容层析成像传感器获取的电容数据；

成像显示系统11与信号采集系统10电连接，处理高温三维电容层析成像传感器获取的电容数据，并获得高温三维成像。

进一步的，高温三维电容层析成像传感器中，第一信号传输线8的屏蔽丝网与第二信号传输线9的屏蔽丝网连接，第二信号传输线9的屏蔽丝网与信号采集系统10的地线端连接。

本发明提供的高温三维电容层析成像装置，包括高温三维电容层析成像传感器、信号采集系统10和成像显示系统11。高温三维电容层析成像传感器采集流体的电容数据，并将其传输给信号采集系统10，信号采集系统10将该电容数据传输给成像显示系统11，成像显示系统11处理该电容数据，并获得高温三维成像。本发明提供的高温三维电容层析成像装置，通过不同列电极片间所产生的电容值数据，实现高温三维采样，所得电容数据经信号采集模块与成像显示模块处理后，即可生成高温下待测物质的三维立体图像。

以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种高温三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述传感器包括：绝缘管道、测量电极和第一信号传输线；

所述绝缘管道为中空结构，用于供流体流动；

所述测量电极设置在所述绝缘管道的外壁上，用于采集电容数据；

所述测量电极包括M行N列的电极片，每行电极片错位排列；所述电极片为弧形的瓦状电极，其展开形状为菱形、六边形、圆形或椭圆形中的任一种；

每行中各相邻的所述电极片之间设有间隙，所述间隙的宽度容纳相邻行的电极片的一端，相邻两行电极片互相错位嵌合排列；

相邻两行中，下行电极片的中心点，正对上行电极片中两两相邻电极片的间隙中心点；上行电极片的中心点，正对下行电极片中两两相邻电极片的间隙中心点；

其中，M≥2，N≥4，M和N取自然数；

所述第一信号传输线的个数为M*N个，所述第一信号传输线与所述电极片一一相连，用于输出所述电容数据；

所述传感器应用于室温至800℃的环境下。

2.根据权利要求1所述的高温三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述弧形的瓦状电极采用导体圆管通过程控激光切割技术加工。

3.根据权利要求1所述的高温三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述电极片的间隙中设置有柔性绝缘材料。

4.根据权利要求1所述的高温三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述传感器还包括绝缘层；

所述绝缘层设置在所述测量电极的外表面，所述绝缘层将所述测量电极上连接的第一信号传输线隔离在所述绝缘层的外侧。

5.根据权利要求4所述的高温三维电容层析成像传感器，其特征在于，每个所述第一信号传输线包括金属丝和套设在金属丝外的绝缘套管；

所述金属丝预先设置在所述电极片上，用于传输电容数据；

所述绝缘套管用于保护和隔离所述金属丝。

6.根据权利要求1所述的高温三维电容层析成像传感器，其特征在于，每个所述第一信号传输线还包括屏蔽丝网，所述屏蔽丝网用于屏蔽信号。

7.根据权利要求5所述的高温三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述传感器还包括屏蔽固定层；

所述屏蔽固定层设置在所述绝缘层的外侧，所述屏蔽固定层的轴向两端长于所述测量电极，且所述屏蔽固定层与所述第一信号传输线的屏蔽丝网电连接。

8.根据权利要求7所述的高温三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述传感器还包括多个紧固卡子；

所述多个紧固卡子设置在所述屏蔽固定层的外侧，用于将所述测量电极、绝缘层和第一信号传输线固定在所述绝缘管道上，并将所述屏蔽固定层轴向两端长出所述测量电极的区域卡紧，屏蔽所述绝缘管道轴端的信号。

9.根据权利要求8所述的高温三维电容层析成像传感器，其特征在于，所述传感器还包括支撑层和外屏蔽罩；

所述支撑层设置在所述屏蔽固定层和紧固卡子的外侧，用于支撑所述外屏蔽罩；

所述外屏蔽罩设置在所述支撑层的外侧，所述外屏蔽罩分别与所述屏蔽固定层、所述第一信号传输线的屏蔽丝网电连接。

10.一种高温三维电容层析成像装置，其特征在于，包括信号采集系统、成像显示系统和如权利要求1~9任一项所述的高温三维电容层析成像传感器；

所述信号采集系统与所述高温三维电容层析成像传感器通过信号传输线电连接，用于采集所述高温三维电容层析成像传感器获取的电容数据；

所述成像显示系统与所述信号采集系统电连接，用于处理所述高温三维电容层析成像传感器获取的电容数据，并获得高温三维成像。

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