一種組合型印制電路板電容層析成像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了傳感器設(shè)計領(lǐng)域的一種組合型印制電路板電容層析成像傳感器。傳感器由一個或多個測量電極模塊組成；測量電極模塊采用三層印制電路板的結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)板、電極陣列板和外板；所述內(nèi)板形成測量通道的內(nèi)壁；所述電極陣列板的中間為非導電的材料的基板；所述外板構(gòu)成傳感器外側(cè)。本發(fā)明提供的傳感器即可按照常規(guī)的方式安裝在非導體壁面的流動通道的外側(cè)，也可以裝配在流動通道的內(nèi)壁，從而不變更原有管道的材料和結(jié)構(gòu)；同時，傳感器具有薄壁的特點，布置在流動通道的內(nèi)壁時對流動的影響可降低至最低。
【專利說明】一種組合型印制電路板電容層析成像傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種組合型印制電路板電容層析成像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]物質(zhì)可以有不同的形態(tài)，例如液態(tài)、氣態(tài)等，或者物態(tài)形態(tài)相同卻具有不同的組分，如油和水等。當兩種或多種具有不同形態(tài)的物，或者實不同組分的物質(zhì)同時在管道內(nèi)流動時，對其某種或多種物質(zhì)在管道截面上的位置分布和濃度分布的測量是工業(yè)應用常見的問題。理想的情況下，不希望傳感器過多地侵入流動區(qū)域內(nèi)部，對流動造成干擾；同時又希望能夠得到完整的截面物質(zhì)分布。但由于物質(zhì)分布的復雜性以及隨各種條件變化，這種測量通常十分困難。
[0003]電容層析成像技術(shù)是隨著計算機技術(shù)和檢測技術(shù)的進步發(fā)展起來的新一代參數(shù)檢測技術(shù)，其英文名稱為Electric Capacitance Tomography,簡稱ECT。類似于為人熟知的醫(yī)學CT，ECT以傳感器件以電極陣列從外部環(huán)繞流動通道的被測截面，通過掃描的方式依次測定所有電極對之間的電容值。被測截面內(nèi)物質(zhì)分布的變化將造成所測電容值的相應變化，ECT則根據(jù)所測的電容值，通過圖像重建的過程重建出被測截面內(nèi)的物質(zhì)分布。與醫(yī)學CT相比，電容層析成像的速度領(lǐng)先數(shù)十倍甚至百倍以上，可以實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)過程的實時測量，并且安全、經(jīng)濟、靈活；與光學測量相比，電容層析成像則不受設(shè)備透光性的影響。
[0004]ECT的測量對象可以是多種多樣的，包括氣-固兩相流、氣-液兩相流、固-液兩相流、具有不同介電系數(shù)的液-液兩相流，以及固-液-氣三相流等多相流。一個常見的應用對象是不同液體的管道中的相分布測量，例如采油工程中管道內(nèi)的油-水兩相流，或油-氣-水三相流中油的截面分布乃至流量測量。由于ECT測量電極可以圍繞測量空間的外圍安裝，所以ECT傳感器本身不會對管道內(nèi)的流動造成影響，是一種非侵入式的測量技術(shù)；同時，ECT還能獲得所測量的截面上的完整的物質(zhì)分布圖。
[0005]由于對管道機械強度的要求、壓力承受能力的要求、密封性的要求、以及制造與安裝等方面的需求，工業(yè)設(shè)備常常使用金屬管道作為兩相流或多相流的輸送管道。盡管傳統(tǒng)的ECT傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)不干擾流動的測量過程，但是，對于工業(yè)過程中常用的金屬管道，傳統(tǒng)的ECT傳感器不能圍繞在金屬管道的外面，因為于金屬管道會產(chǎn)生電磁屏蔽作用而使ECT傳感器無法測量管道內(nèi)的參數(shù)。因此，當前的辦法是在安裝時在傳感器位置上換走原本的金屬管道，換上內(nèi)徑相同的不導電的傳感器框架，以便在其外布置電極。這樣將改變原有的管道材料，并可能會造成管道的連接問題和強度問題。另外，傳感器本身的耐壓能力相對較低，這將降低設(shè)備的壓力承受能力。對于承受一定壓力的大口徑管道，這個問題尤為嚴重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對【背景技術(shù)】中提到的金屬管道系統(tǒng)，無法在不改動原有的金屬管道結(jié)構(gòu)的同時，以不干擾流體流動的方式進行管道截面上相分布測量的問題，本發(fā)明提出了一種組合型印制電路板電容層析成像傳感器。
[0007]—種組合型印制電路板電容層析成像傳感器，其特征在于，所述傳感器包括一個或多個測量電極模塊；
[0008]所述測量電極模塊采用三層印制電路板的結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)板、電極陣列板和外板；所述內(nèi)板形成測量通道的內(nèi)壁；所述電極陣列板的中間為非導電的材料的基板；所述基板朝向測量通道的一面為正面，布置測量電極、測量電極引線、測量電極之間的屏蔽電極以及測量電極兩端的端部屏蔽電極；所述基板的另一面為背面，布置屏蔽電極；所述外板構(gòu)成傳感器外側(cè)；
[0009]其中，所述測量電極之間的屏蔽電極、測量電極兩端的端部屏蔽電極和基板背面的屏蔽電極通過穿過基板的導線連接。
[0010]所述多個測量電極模塊組合時，在相鄰兩個測量電極模塊之間安裝模塊間屏蔽電極，并將模塊間屏蔽電極通過公共導線進行連接。
[0011]所述多個測量電極模塊組合時，所形成的形狀包括閉合形狀和非閉合性狀；所述閉合性狀包括圓形、橢圓形和矩形；所述非閉合形狀包括槽形和半圓形。
[0012]所述基板背面的屏蔽電極采用金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
[0014](I)傳感器能夠在不改變原有流動通道的情況下，把對流動的影響降到最小乃至于可以忽略的程度，從而形成一種能夠不改變原有流動通道，而且不干擾通道內(nèi)流動的層析成像傳感器，由此可以解決常規(guī)的傳感器需要替換部分原有管道的問題。
[0015](2)由于傳感器測量電極表面上極薄的內(nèi)板，內(nèi)板的介電系數(shù)的影響顯著降低，有助于提高傳感器的測量靈敏度，減小誤差，從而獲得優(yōu)良的測量性能。
[0016](3)傳感器整體厚度極小而具有很好的柔韌性，這樣傳感器可以具有各種尺寸并可在一定程度上進行形狀的調(diào)整，從而具有對多種流動通道結(jié)構(gòu)的非常靈活的適應性，使傳感器可以靈活地布置在流動通道的任何位置，除了可以適應矩形管道的壁面，也可以較好地適應圓形的管道壁面。
[0017](4)由分立的模塊組合而成，而各個模塊可以根據(jù)現(xiàn)有的流動通道的尺寸分別設(shè)計，最后將所有模塊在通道里進行組合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明提供的由四個測量電極模塊組合成的傳感器示意圖；其中，(a)為傳感器的正視圖；(b)為傳感器的左側(cè)視圖；
[0019]圖2是本發(fā)明提供的測量電極模塊的電極陣列板面向被測量通道一面的結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖3是本發(fā)明提供的測量電極模塊的電極陣列板背向被測量通道一面的結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖4是本發(fā)明提供的傳感器在流動通道內(nèi)的布置與ECT數(shù)據(jù)采集儀器的連接方式；其中，Ca)為傳感器在流動通道內(nèi)的布置的正視圖；(b)為傳感器在流動通道內(nèi)的布置的中心剖面圖；(C)為(b)中圓圈部分的局部放大圖；
[0022]圖5是本發(fā)明提供的傳感器在管道內(nèi)部和外部的具體布置方式；其中，(a)為傳感器在管道內(nèi)部的具體布置方式圖；(b)為傳感器在管道外部的具體布置方式圖；[0023]其中，1-測量電極模塊；2_電極陣列板；3_測量電極；4_測量電極之間的屏蔽電極；5_測量電極兩端的端部屏蔽電極；6_測量電極引線；7_基板背面屏蔽電極；8_流動通道管壁；9_密封件；10-緊固密封件的管箍；I1-ECT數(shù)據(jù)采集器；12-法蘭盤。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調(diào)的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。
[0025]圖1是本發(fā)明提供的由四個測量電極模塊組合成的傳感器示意圖；其中，(a)為傳感器的正視圖；(b)為傳感器的左側(cè)視圖；正視圖顯示上、右、下、左四塊測量電極模塊1，四個測量電極模塊I組合成框形結(jié)構(gòu)，左側(cè)視圖顯示傳感器的左側(cè)模塊，以及上下模塊。測量電極模塊I采用三層印制電路板的結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)板、電極陣列板和外板；所述內(nèi)板形成測量通道的內(nèi)壁；所述電極陣列板的中間為非導電的材料的基板；所述外板構(gòu)成傳感器外側(cè)。
[0026]圖2是本發(fā)明提供的測量電極模塊的電極陣列板面向被測量通道一面的結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明提供的測量電極模塊的電極陣列板背向被測量通道一面的結(jié)構(gòu)圖。其中，電極陣列板2的中間為非導電的材料的基板；所述基板朝向測量通道的一面為正面，布置測量電極3、測量電極引線6、測量電極之間的屏蔽電極4以及測量電極兩端的端部屏蔽電極5 ;所述基板的另一面為基板背面屏蔽電極7。測量電極之間的屏蔽電極4、測量電極兩端的端部屏蔽電極5和基板背面的屏蔽電極7通過穿過基板的導線連接。
[0027]圖4是本發(fā)明提供的傳感器在流動通道內(nèi)的布置與ECT數(shù)據(jù)采集儀器的連接方式；其中，Ca)為傳感器在流動通道內(nèi)的布置的正視圖；(b)為傳感器在流動通道內(nèi)的布置的中心剖面圖；(C)為(b)中圓圈部分的局部放大圖；傳感器包括上、右、下、左四個測量電極模塊I。四個測量電極模塊I所圍繞的內(nèi)部為流體介質(zhì)流動通道，流動通道管壁8既可以是設(shè)備原有的管壁，也可以是條件允許而改裝的管壁；圖中，顯示測量電極引出線6穿出流動通道管壁8的方法。其中，密封件9是具有一定彈性和強度的絕緣物質(zhì)(如橡膠)，并用緊固密封件的管箍10緊固密封件9，以保證與管道的密合以防止泄漏；傳感器的測量電極的引出線6將連接到ECT數(shù)據(jù)采集器11。
[0028]圖5是本發(fā)明提供的傳感器在管道內(nèi)部和外部的具體布置方式；其中，(a)為傳感器在管道內(nèi)部的具體布置方式圖；(b)為傳感器在管道外部的具體布置方式圖；
[0029]管內(nèi)安裝該傳感器的具體測量過程如下:
[0030](I)先用與流動管道相同或相似的管道作為傳感器的套管。該套管具有與流動管道基本一致的機械強度。將傳感器緊貼套管內(nèi)壁安裝。如果需要，還可以將套管內(nèi)壁稍加擴孔后再安裝傳感器。這樣在傳感器安裝后內(nèi)部整體可以十分平滑，保持和流動管道一致的內(nèi)徑。
[0031](2)將原有流體流動管道截開，通過法蘭盤12安裝已經(jīng)內(nèi)置好傳感器的測量段。傳感器的引線可按圖4所示方法引出套管，并與ECT數(shù)據(jù)采集器11相連。
[0032](3)測量前首先進行對傳感器進行標定。標定過程與傳統(tǒng)標定方法一致，即首先在傳感器內(nèi)沒有粉粒體時測量所有電極對的各個電容值作為空場標定；然后在充滿所選的被測物料時測量各個電容值作為滿場標定。然后記錄所有測量電容并在測量時用于圖像重建。[0033](5)開始設(shè)備的正常運行并用ECT數(shù)據(jù)采集器11采集信號；
[0034](6)根據(jù)測量信號重建管道內(nèi)的物料分布圖像。
[0035]管外安裝該傳感器的具體測量過程如下:
[0036](I)首先選流動通道為不導電材料的一段安裝傳感器。如果原有管道為導電材料，則可以一段不導電材料對其替換。替換段的長度以能夠安裝下ECT傳感器為宜。
[0037](2 )將傳感器包在測量段的外側(cè)，并以管箍將傳感器扎緊。然后將ECT傳感器的電極引線與ECT數(shù)據(jù)采集器11相連接。
[0038](3)測量前首先進行對傳感器進行標定。標定過程與傳統(tǒng)標定方法一致，即首先在傳感器內(nèi)沒有粉粒體時測量所有電極對的各個電容值作為空場標定；然后在充滿所選的被測物料時測量各個電容值作為滿場標定。然后記錄所有測量電容并在測量時用于圖像重建。
[0039](5)開始設(shè)備的正常運行并用ECT數(shù)據(jù)采集器11采集信號；
[0040](6)根據(jù)測量信號重建管道內(nèi)的物料分布圖像。
[0041]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種組合型印制電路板電容層析成像傳感器，其特征在于，所述傳感器包括一個或多個測量電極模塊； 所述測量電極模塊采用三層印制電路板的結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)板、電極陣列板和外板；所述內(nèi)板形成測量通道的內(nèi)壁；所述電極陣列板的中間為非導電的材料的基板；所述基板朝向測量通道的一面為正面，布置測量電極、測量電極引線、測量電極之間的屏蔽電極以及測量電極兩端的端部屏蔽電極；所述基板的另一面為背面，布置屏蔽電極；所述外板構(gòu)成傳感器外側(cè)； 其中，所述測量電極之間的屏蔽電極、測量電極兩端的端部屏蔽電極和基板背面的屏蔽電極通過穿過基板的導線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述多個測量電極模塊組合時，在相鄰兩個測量電極模塊之間安裝模塊間屏蔽電極，并將模塊間屏蔽電極通過公共導線進行連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述多個測量電極模塊組合時，所形成的形狀包括閉合形狀和非閉合性狀；所述閉合性狀包括圓形、橢圓形和矩形；所述非閉合形狀包括槽形和半圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述基板背面的屏蔽電極采用金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G01N27/22GK103439374SQ201310373289
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】劉石, 任思源 申請人:華北電力大學