CN202661433U

CN202661433U - 电极组合式层析成像电容传感器

Info

Publication number: CN202661433U
Application number: CN 201220150181
Authority: CN
Inventors: 陈棣湘; 田武刚; 张琦; 李季; 潘孟春
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2022-04-11

Abstract

本实用新型公开了一种电极组合式层析成像电容传感器，包括具有多个感应电极（11）的电容传感器本体（1）、用于将相邻的至少两个感应电极（11）选通组合成一个大电极并输出的电极组合输出单元（2），感应电极（11）分别与电极组合输出单元（2）相连。本实用新型具有电容容量大、生产成本低、测量及成像速度快、成像质量好、结构简单的优点。

Description

电极组合式层析成像电容传感器

技术领域

本实用新型涉及电容层析成像领域，具体涉及一种用于微小电容的测量和管道截面中介质成像的电极组合式层析成像电容传感器。

背景技术

电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography，ECT）技术是一种基于电容敏感机理并应用于过程检测中的成像技术，自上世纪八十年代中后期提出以来，由于具有非侵入、响应快、无辐射等优点，赢得了广泛关注并取得了很大发展。电容层析成像系统通过检测阵列极板电容变化，反映管道内多相介质介电常数分布，从而构造出管道截面中各相介质的分布图像，能够实现对封闭管道、容器等过程设备内物体运动状态的二、三维可视化监测，并从图像中提取特征参数进而参与过程控制。目前已在气/油和气/固两相流、流化床等方面得到初步应用。

现有技术的电容层析成像系统通常由ECT电容传感器、小电容测量系统和图像重建系统三大部分组成。ECT电容传感器包括N个电极（N通常为8、12或16），现有的电容层析成像方法是依次测量这N个电极相互之间构成的N×(N-1)/2个电容值，采用逆运算和图像重建技术来生成反映管道截面介质分布的图像。在电容层析成像系统中，ECT电容传感器各电极之间的电容通常都小于1pF(10^-12法拉)，由管道和容器内介质介电常数变化引起的电容变化量通常在fF（10^-15法拉）量级，并且容易受到系统内耦合电容和杂散电容的影响，因此对小电容测量系统的设计和实现提出了很高的要求。当前，小电容测量系统一般采用精密相敏解调电路或阻抗分析仪来构成，其生产成本占整个电容层析成像系统成本的80%以上。

Wuqiang Yang对电容层析成像传感器的数学模型进行了系统的分析（Modelling of capacitance tomography sensors, IET Proc.-Sci. Technol., Vol.144, No.5, 1997）；王化祥等人采用有限元法分析了阵列电极结构参数对测量的影响，对电容层析成像系统阵列电极进行了优化设计（电容层析成像系统阵列电极的优化设计，天津大学学报，Vol.36, No.3, 2003）；王雷等人用有限元法对电容层析成像系统的传感器进行了分析，得到了在不同管径下的灵敏场分布（电子测量与仪器学报，Vol.19, No.4, 2005）；王志春对电容层析成像传感器进行了仿真分析，研究了传感器的主要结构参数变化对传感器性能的影响（电容层析成像(ECT)系统阵列传感器的仿真研究，包头钢铁学院学报，第25卷第3期，2006年）。但至今为止，尚未见到关于电极组合式电容层析成像传感器的报道。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种电容容量大、生产成本低、测量及成像速度快、成像质量好、结构简单的电极组合式层析成像电容传感器。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种电极组合式层析成像电容传感器，包括具有多个感应电极的电容传感器本体、用于将相邻的至少两个感应电极选通组合成一个大电极并输出的电极组合输出单元，所述感应电极分别与电极组合输出单元相连。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述电极组合输出单元包括用于选择感应电极输出通路的多个选通开关和用于将相同输出通路的感应电极组合输出的多个输出电极，所述选通开关与感应电极一一对应，所述选通开关具有一个输入通路和至少两个输出通路，且所述选通开关的输入通路与对应的感应电极相连，相邻的至少两个所述选通开关分别通过一个输出通路与同一个输出电极相连。

所述选通开关为单刀三掷数字开关。

所述输出电极的数量与感应电极的数量相同。

所述多个感应电极呈环形布置。

电容传感器本体还包括绝缘管和套设于绝缘管上的屏蔽罩，所述多个感应电极分别均匀粘附固定于所述绝缘管的外壁上或者屏蔽罩的内壁上。

本实用新型具有下述优点：

1、本实用新型包括具有多个感应电极的电容传感器本体、用于将相邻的至少两个感应电极选通组合成一个大电极并输出的电极组合输出单元，通过电极组合输出单元将至少两个感应电极选通组合成一个大电极并输出来增大被测电容的容量，降低了对小电容测量系统的要求，能够解决小电容测量难度大、成本高的问题，能够大幅度地简化电容层析成像系统的设计，降低生产成本，具有非侵入、响应快、无辐射、电容容量大、生产成本低的优点。

2、本实用新型通过电极组合输出单元将至少两个感应电极选通组合成一个大电极并输出，能够利用较少的电极组合根据顺序组合检测多种电容值，电极组合后需要测量的电容值大幅减少，有利于提高电容的测量速度和系统的成像速度，具有测量及成像速度快的优点；而且在组合式能够实现按顺序循环进行选择，使得组合后各感应电极之间的电容同样能够反映出管道内多相介质介电常数的分布，系统的成像质量并不会受到影响，具有成像质量好、结构简单的优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电路原理结构示意图。

图2为本实用新型实施例电极单元的结构示意图。

图例说明：1、电容传感器本体；11、感应电极；12、绝缘管；13、屏蔽罩；2、电极组合输出单元；21、选通开关；22、输出电极。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的电极组合式层析成像电容传感器包括具有多个感应电极11（1A、2A，……，12A）的电容传感器本体1、用于将相邻的至少两个感应电极11选通组合成一个大电极并输出的电极组合输出单元2，感应电极11分别与电极组合输出单元2相连。本实施例将12个感应电极11通过多个选通开关21选通组合成一个大电极来增大被测电容的容量，降低了对小电容测量系统的要求，能够解决小电容测量难度大、成本高的问题，同时使得需要测量的电容数量由66个减少为18个，因此电极组合后需要测量的电容数量大幅减少，有利于提高电容的测量速度和系统的成像速度，具有测量及成像速度快的优点。

本实施例的电极组合输出单元2包括用于选择感应电极11输出通路的多个选通开关21（1B、2B，……，12B）和用于将相同输出通路的感应电极11组合输出的多个输出电极22（1C、2C，……，12C），选通开关21与感应电极11一一对应，选通开关21具有一个输入通路和至少两个输出通路，且选通开关21的输入通路与对应的感应电极11相连，相邻的至少两个选通开关21分别通过一个输出通路与同一个输出电极22相连。本实施例中，输出电极22的数量与感应电极11的数量相同，输出电极22的数量与感应电极11的数量均为12个。本实施例的选通开关21为单刀三掷数字开关，具有一个输入通路和三个输出通路。12个选通开关21（1B、2B，……，12B）能够通过一个控制信号进行控制，相邻的三个选通开关21分别通过一个输出通路分别与同一个输出电极22相连，因此电极组合输出单元2最终是将相邻的三个感应电极11选通组合成一个大电极并输出，从而能够通过控制信号将三个感应电极11按顺序动态地组合为4个大的电极，从而扩大感应电极11的面积来增加电容的容量。

如图1所示，本实施例中感应电极1A与选通开关1B对应，感应电极2A与选通开关2B对应，以此类推，感应电极12A与选通开关12B对应。每一个选通开关21包含三个输出触点，对应三个输出通道，位于上方的#1触点，位于中间的#2触点和位于下方的#3触点。1B的输入通路与1A相连，2B的输入通路与2A相连，以此类推，12B的输入通路与12A相连。相邻的选通开关1B、2B、3B分别通过#1触点与输出电极1C相连，相邻的选通开关2B、3B、4B分别通过#2触点与输出电极2C相连，相邻的选通开关3B、4B、5B分别通过#3触点与输出电极3C相连，相邻的选通开关4B、5B、6B分别通过#1触点与输出电极4C相连，相邻的选通开关5B、6B、7B分别通过#2触点与输出电极5C相连，以此类推，相邻的选通开关12B、1B、2B分别通过#3触点与输出电极12C相连。

如图2所示，本实施例的多个感应电极11呈环形布置。电容传感器本体1还包括绝缘管12和套设于绝缘管12上的屏蔽罩13，本实施例多个感应电极11分别均匀粘附固定于绝缘管12的外壁上，此外也可以将多个感应电极11分别均匀粘附固定于屏蔽罩13的内壁上。感应电极11沿着绝缘管12轴向的长度一般为绝缘管12的直径的1.25倍。

本实施例在应用于电容层析成像时电容的测量分为3个周期进行，具体操作步骤如下：

1）在第1个测量周期，通过控制信号控制12个选通开关21（1B、2B，……，12B）均置于上方的#1触点，此时感应电极1A、2A、3A相当于通过导线连接构成大电极并与输出电极1C相连；感应电极4A、5A、6A通过导线连接构成大电极并与输出电极4C相连；感应电极7A、8A、9A通过导线连接构成大电极并与输出电极7C相连；感应电极10A、11A、12A通过导线连接构成大电极并与输出电极10C相连。然后测量1C、4C、7C、10C这4个输出电极相互之间构成的6个电容的电容值C1～C6。

2）在第2个测量周期，通过控制信号控制12个选通开关21（1B、2B，……，12B）均置于中间的#2触点，此时感应电极2A、3A、4A相当于通过导线连接构成大电极并与输出电极2C相连；感应电极5A、6A、7A相当于通过导线连接构成大电极并与输出电极5C相连；感应电极8A、9A、10A相当于通过导线连接构成大电极并与输出电极8C相连；感应电极11A、12A、1A相当于通过导线连接构成大电极并与输出电极11C相连。然后测量2C、5C、8C、11C这4个输出电极相互之间构成的6个电容的值C7～C12。

3）在第3个测量周期，通过控制信号控制12个选通开关21（1B、2B，……，12B）均置于下方的#3触点，此时感应电极3A、4A、5A相当于通过导线连接构成大电极并与输出电极3C相连；感应电极6A、7A、8A相当于通过导线连接构成大电极并与输出电极6C相连；感应电极9A、10A、11A相当于通过导线连接并与输出电极9C相连；感应电极12A、1A、2A相当于通过导线连接并与输出电极12C相连。然后测量3C、6C、9C、12C这4个输出电极相互之间构成的6个电容的值C13～C18。

4）最终，利用上述C1～C18这18个电容的测量值，采用逆运算和图像重建技术，就可以生成反映管道截面介质分布的图像。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种电极组合式层析成像电容传感器，其特征在于：包括具有多个感应电极（11）的电容传感器本体（1）、用于将相邻的至少两个感应电极（11）选通组合成一个大电极并输出的电极组合输出单元（2），所述感应电极（11）分别与电极组合输出单元（2）相连。

2.根据权利要求1所述的电极组合式层析成像电容传感器，其特征在于：所述电极组合输出单元（2）包括用于选择感应电极（11）输出通路的多个选通开关（21）和用于将相同输出通路的感应电极（11）组合输出的多个输出电极（22），所述选通开关（21）与感应电极（11）一一对应，所述选通开关（21）具有一个输入通路和至少两个输出通路，且所述选通开关（21）的输入通路与对应的感应电极（11）相连，相邻的至少两个所述选通开关（21）分别通过一个输出通路与同一个输出电极（22）相连。

3.根据权利要求2所述的电极组合式层析成像电容传感器，其特征在于：所述选通开关（21）为单刀三掷数字开关。

4.根据权利要求2或3所述的电极组合式层析成像电容传感器，其特征在于：所述输出电极（22）的数量与感应电极（11）的数量相同。

5.根据权利要求4所述的电极组合式层析成像电容传感器，其特征在于：所述多个感应电极（11）呈环形布置。

6.根据权利要求5所述的电极组合式层析成像电容传感器，其特征在于：电容传感器本体（1）还包括绝缘管（12）和套设于绝缘管（12）上的屏蔽罩（13），所述多个感应电极（11）分别均匀粘附固定于所述绝缘管（12）的外壁上或者屏蔽罩（13）的内壁上。