CN1378080A - 电容层析成像电容测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容层析成像电容测量系统。它由电容传感器、电容数据采集系统组成。电容传感器径向电极上固定有长条形数据采集电容/电压转换器电路板,电路为:译码器的输出连接控制激励信号和电容/电压转换器,电容/电压转换器的输出经译码器控制的电子开关送出。本发明减小了引线与地间形成的电容。提高测量精度。外部引线的抗干扰能力增强。使得系统的可靠性增强;电容测量速度高,输出信号中无原理性噪声。
Description
本发明涉及测量电变量，尤其涉及一种电容层析成像电容测量系统。
目前的电容层析成像系统的结构及其不足之处：电容层析成像(ElectricalCapacitance Tomography，简记ECT)技术是从80年代中期开始发展起来的一种多相流参数检测技术。其工作原理如图1所示。它通过电容传感获得管截面上介质的介电常数分布而获得介质分布的图像。它主要由电容传感器、电容数据采集系统和图像重建微机部分组成。传感器有均匀分布在绝缘管道外壁上的多个(一般为12)电极构成，这些电极间可形成电容(对于12电极，有66个独立电容)，当管道内多相介质的空间分布发生变化时，这些电容也会发生变化；数据采集系统则将这些电容转化为数字量并传送给计算机；计算机则依据一定的图像重建算法完成图像重建工作。
在目前的系统中，传感器内无检测电路，检测电极通过屏蔽电缆的芯线连接至电容数据采集系统，屏蔽电缆的屏蔽层接地。在这种测量系统中，由于屏蔽电缆的芯线与屏蔽层间会形成电容，当屏蔽电缆发生移动时，该电容会发生变化。该电容的变化量虽然很小，但相对于本系统的被测电容来讲仍然是相当大的。该系统在现场应用时若该电缆的位置发生移动会导致较大的测量误差。这使得该系统难以应用于实际的工业环境。此外，即使电缆的位置不发生移动，该电容的存在也会导致测量速度的降低。该电缆的存在是该系统难以工业实用化的主要障碍之一。
此外，适合应用于电容层析成像技术的电容测量方法主要有电荷转移法和交流法两种。这两种电路从本质上讲都是对电容进行连续的充放电，充放电形成的电流的大小代表了电容大小。而该充放电形成的电流是脉动的，因而必须加以滤波。而滤波器的时间常数大，则滤波效果好，但电容测量时间长。反之，电容测量时间短，但噪声大。时间常数的选择往往处于矛盾中。目前数据采集速度最快为100幅/秒。
本发明的目的是提供一种可抑制传感器外部电缆移动对测量结果干扰、高速度、低噪声的电容层析成像电容测量系统。
为了达到上述目的，本发明采取下列措施：
电容层析成像电容测量系统，它由电容传感器、电容数据采集系统和图像重建微机组成，电容传感器包括绝缘管道，在绝缘管道外壁上均匀分布多个敏感电极，敏感电极外设有屏蔽罩，在屏蔽罩内壁与多个敏感电极间隔之间设有径向电极，所说电容传感器径向电极上固定有长条数据采集电容/电压转换器电路板，并通过排线连接；长条数据采集电容/电压转换器电路板的电路为：译码器的输出连接控制激励信号和电容/电压转换器，模块地址由拨号开关设置，电容/电压转换器的输出经译码器控制的电子开关送出。
本发明的优点是：
1)减小了引线与地间形成的电容。将电容/电压转换电路置于屏蔽罩下，大大缩短了引线的长度。此外引线采用非屏蔽线相当于增大了引线与地间的距离，可进一步减小引线与地间形成的电容，从而可提高测量精度。
2)外部引线的抗干扰能力大大增强。外部排线上传递的是通道控制信号以及代表电容测量结果的电压信号，移动它不会对测量结果产生影响，从而使得系统的可靠性增强
3)可以减小系统体积，并可简化维修工作。将电容/电压转换电路置于屏蔽罩下，使得外部部分的电路大大简化。此外由于各电容/电压转换电路相同，若某线路板损坏，则用后备板更换之即可；
4)输出电压所须时间主要是对被测电容的充放电过程中运放的稳定时间，总共约10μS。速度远高于电荷转移法和交流法的电容测量电路。
5)电路中测量结束后电压送出时，该电压上并无原理性的噪声，此时输出不需要滤波器。而基于电荷转移原理和交流法的电容测量电路中都存在原理性的噪声，需要滤波器来滤波后才能进行后续的电压测量工作。
下面结合附图对本发明作详细说明。
图1是电容层析成像系统示意图；
图2是电容数据采集传感器结构示意图；
图3是数据采集电容/电压转换器的方框电原理图；
图4是数据采集电容/电压转换器的电原理图；
图5是电容测量电路的时序示意图。
图2中，1：径向电极，2：绝缘管道，3：敏感电极，4：屏蔽罩，5：电容/电压转换电路模块。该系统的改进之处在于将数据采集系统中的电容/电压转换电路板设计为长条形，它们置于传感器的屏蔽罩下，固定在径向电极上。每个电极对应的测量电路都固定在与它最近的径向电极上。这些测量电路通过排线连接起来，并连接到传感器外部的数据采集系统上。该排线上传递的是通道控制信号以及代表电容测量结果的电压信号，该信号幅值较大，传输过程中无需屏蔽线。
图3中由传感器外部的测量板传来的控制信号和由拨号开关设置的模块地址连接到译码器，译码器的输出连接到控制激励信号源和电容/电压转换器，传感电极连接到控制激励信号源和电容电压转换器。电容/电压转换器的输出经译码器控制的电子开关送出。
电极通过导线连接到固定在径向电极上的电容/电压转换电路上。该引线上虽然传递的是较弱的信号，但由于它处于接地的屏蔽罩下，因而也无需屏蔽。
图4中被测电容Cx一端接激励信号源Vi一端接运放U1的反相输入端。电容Cf与电子开关S1并联后一端接运放U1的反相输入端一端接该运放的输出。运放U1的同相端接地。电容C1和C2的一端接地，另一端分别于电子开关S2、S3的一端相连后分别连至缓冲器U2、U3的输入端。电子开关S2、S3的另一端与运放U1的输出相连。缓冲器U2、U3的输出分别连至仪表放大器U4的正和负输入端，仪表放大器的输出为测量电路的输出。
Cx为被测电容，Cas、Cbs为电容的两电极与地间形成的寄生电容。S1、S2、S3为电子开关。U1为高输入电阻的运算放大器(如TL081)，U2、U3为运放构成的缓冲器，其输入输出放大倍数为1。U4为仪表放大器(如AD620)。Vi为激励信号源，它只输出高低两个电平。U1、Cf、S1构成电荷放大器。S2、U2和S3、U3分别构成采样保持器(S/H)。开始工作时，Vi为高电平，S1闭合，采样保持器都处于跟随状态。由于S1闭合，U1输出为0V。在t＝t1时刻，S1断开，在理想情况下，U1输出仍保持为0V不变，但由于电荷注入效应，Cf上存有电荷，使得U1的输出V1降低(有的电子开关也可能使其升高)，设该电压为VL。在t2时刻，U1输出已稳定，并且V2已跟随上了V1的变化，S3断开，将电压VL保持在U2的输出端。随后在t3时刻，激励电压降低，该电压对被测电容充电，注入电荷量为：
Q＝ΔVi *Cx该电荷流经运放的虚地端后存储在Cf上，此时U1的输出为：
VH＝VL-Q/Cf该电压在t4时刻被保持于V3端，则仪表放大器U4的输出为
V4＝VH-VL＝-ΔVi *Cx/Cf即，其输出电压与Cx成正比。
被测电容Cx的两电极与地之间也会分别形成杂散电容Cas和Cbs，，检测电路应能够抑制它们的存在对测量结果的影响。电容Cas与激励源Vi相连，它的存在不会影响通过被测电容的电流。Cbs的两端处于虚短路状态。其存在也不会对输出产生影响。
Claims (2)
1.一种电容层析成像电容测量系统，它由电容传感器、电容数据采集系统组成，电容传感器包括绝缘管道[2]，在绝缘管道外壁上均匀分布多个敏感电极[3]，敏感电极外设有屏蔽罩[4]，在屏蔽罩内壁与多个敏感电极间隔之间设有径向电极[1]，其特征在于所说电容传感器径向电极上固定有长条数据采集电容/电压转换器电路板[5]，并通过排线连接；长条数据采集电容/电压转换器电路板[5]的电路为：由传感器外部的测量板传来的控制信号和由拨号开关设置的模块地址连接到译码器，译码器的输出连接到控制激励信号源和电容/电压转换器，传感电极连接到控制激励信号源和电容电压转换器。电容/电压转换器的输出经译码器控制的电子开关送出。
2.根据权利要求1所述的一种电容层析成像电容测量系统，其特征在于所说的长条数据采集电容/电压转换器电路板[5]的具体电路为：被测电容Cx一端接激励信号源Vi一端接运放U1的反相输入端。电容Cf与电子开关S1并联后一端接运放U1的反相输入端一端接该运放的输出。运放U1的同相端接地。电容C1和C2的一端接地，另一端分别于电子开关S2、S3的一端相连后分别连至缓冲器U2、U3的输入端。电子开关S2、S3的另一端与运放U1的输出相连。缓冲器U2、U3的输出分别连至仪表放大器U4的正和负输入端，仪表放大器的输出为测量电路的输出。
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