一種電容傳感器及測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電容傳感器及測量系統(tǒng)。電容傳感器包括軟管、多個線圈單元和多股傳感器數(shù)據(jù)線；所述軟管為絕緣材質(zhì)；多個線圈單元間隔地固定設(shè)置在所述軟管上；各個線圈單元均為導(dǎo)電材質(zhì)、螺旋狀繞制的線圈；各股傳感器數(shù)據(jù)線的一端一一對應(yīng)連接各個線圈單元，另一端用于連接外部的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測量系統(tǒng)，包括傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述傳感器為如上所述的電容傳感器，所述電容傳感器套設(shè)在測量系統(tǒng)所測量的管道上，所述電容傳感器的傳感器數(shù)據(jù)線連接所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本發(fā)明的電容傳感器及測量系統(tǒng)，電容傳感器用于測量系統(tǒng)三維成像時，采樣速率高，圖像重建效果較好。
【專利說明】一種電容傳感器及測量系統(tǒng) 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器器件，特別是涉及一種電容傳感器及測量系統(tǒng)。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 氣-液、氣-固多相流是石油、化工、煤炭工業(yè)中常見的流動介質(zhì)，其主要包含液態(tài) 烴、天然氣、氧氣、礦化水或煤炭等。氣-液、氣-固的三維在線流態(tài)分布測量一直是油氣工業(yè) 中的重要環(huán)節(jié)，其對工業(yè)過程的優(yōu)化控制具有重要意義。具體測量場景，例如有:化工、煤炭 領(lǐng)域的循環(huán)流化床中氣體與固體介質(zhì)燃燒反應(yīng)過程中的流態(tài)分布，食品、制藥鍍膜過程中 的循環(huán)流化床氣-固分布、石油開米過程中油-氣-水多相流態(tài)的氣-液分布的可視化測量。
[0003] 電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography)是氣-液、氣-固多相流測 量的重要方法。其依賴布置于被測場域邊界的陣列電極獲取一系列的電容測量值，并利用 電容測量值與被測場域內(nèi)等效點電常數(shù)分布之間的電磁場變化關(guān)系進(jìn)行流場的圖像重建， 得到被測場域內(nèi)介質(zhì)的分布，實現(xiàn)可視化。依據(jù)可視化結(jié)果，可以計算出流體的氣液比、氣 固比。目前，現(xiàn)有的電容成像傳感器的截面圖如圖1所示，沿管道300的圓周方向上分別粘貼 固定多個片狀電極100,例如8個或16個電極。圖中所示為設(shè)置12個電極①~?的情形。相鄰 兩個電極之間等效為一個電容，例如第一電極與第二電極之間等效為電容C12。在管道300 的外圍再設(shè)置一層屏蔽層400,管道300內(nèi)部流通的是被測量的流體介質(zhì)900。如僅設(shè)置1圈， 只能獲得沿截面方向上(X-Y方向）的切片流體測量信息(CROSS-SECTIONAL AREA)，無法獲 得管道縱軸方向（Z方向）上的信息，這樣無法很好地實現(xiàn)對流體分布的三維成像(大多數(shù)是 二位切面成像測量）。為此，一般是在管道的縱軸方向上增加設(shè)置多圈電極，即從1圈12個電 極增加為3圈36個，或者4圈48個，依此類推。這樣，提取三維方向上的信息后，可用于實現(xiàn)三 維成像。然而，該結(jié)構(gòu)的電容傳感器用于測量系統(tǒng)成像時，存在系統(tǒng)的采樣速率低，圖像重 建效果差的問題。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：彌補上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種電容傳感器 及測量系統(tǒng)，電容傳感器用于測量系統(tǒng)三維成像時，采樣速率高，圖像重建效果較好。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決：
[0006] -種電容傳感器，包括軟管、多個線圈單元和多股傳感器數(shù)據(jù)線;所述軟管為絕緣 材質(zhì)；多個線圈單元間隔地固定設(shè)置在所述軟管上;各個線圈單元均為導(dǎo)電材質(zhì)、螺旋狀繞 制的線圈；各股傳感器數(shù)據(jù)線的一端一一對應(yīng)連接各個線圈單元，另一端用于連接外部的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0007] 優(yōu)選的技術(shù)方案中，
[0008] 所述線圈單元的材質(zhì)為金屬。
[0009] 進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案中，
[0010] 所述線圈單元為螺旋狀、具有彈性的線圈，所述線圈的兩端通過卡環(huán)固定在所述 軟管上。
[0011] 所述線圈單元為金屬彈簧。
[0012] 所述線圈單元中的線圈的螺旋圈數(shù)為不少于5圈。
[0013] 所述軟管為非金屬的絕緣材質(zhì)。
[0014] -種測量系統(tǒng)，包括傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);所述傳感器為如上所述的電容傳感 器，所述電容傳感器套設(shè)在測量系統(tǒng)所測量的管道上，所述電容傳感器的傳感器數(shù)據(jù)線連 接所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0015] 所述管道中流動的介質(zhì)為氣體和液體的混合物，或者為氣體和固體的混合物。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是：
[0017] 本發(fā)明的電容傳感器，沿一個軟管上間隔設(shè)置多個螺旋狀的線圈，各個線圈單元 等效為一個電極，從而可在線圈（即電極)總數(shù)較少的情形下，基于在縱軸方向上螺旋排列 有電極的位移，從而能夠獲取流體的三維信息。通過螺旋狀設(shè)計，電極層數(shù)呈旋轉(zhuǎn)樓梯狀累 加，故而能夠近似逼近現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中多個（圈）電極的三維測量效果，呈現(xiàn)流體的三維成像。本 發(fā)明利用少量電極（12-16個），就可實現(xiàn)對一段長度的管道內(nèi)的氣-液、氣-固流體介質(zhì)的三 維圖像重建，并等效現(xiàn)有方案中在管道同一截面及一段長度內(nèi)設(shè)置多個電極的成像效果。 由于測量成像時，涉及的電極數(shù)較少，因此系統(tǒng)的采樣速率高。同時，電容測量運算量較低， 則電容敏感場(SENSITIVITY-MAP)的奇異值較小，ECT的圖像重建效果較好。本發(fā)明的電容 傳感器用于測量系統(tǒng)中時，可實現(xiàn)傳感器與被測管道的自如分離，且傳感器中的承載主體 是軟質(zhì)管道，因此不受被測流體管道口徑大小限制，可適應(yīng)性的套設(shè)在待測的流體管道上。 電容傳感器可由人員根據(jù)實際應(yīng)用需求，靈活設(shè)置軟管口徑和線圈單元的數(shù)量，設(shè)置自由 靈活。 【【附圖說明】】
[0018] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的電容傳感器的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明【具體實施方式】的電容傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明【具體實施方式】的電容傳感器沿縱軸方向的剖面示意圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明【具體實施方式】的電容傳感器中單個線圈單元的剖面示意圖；
[0022] 圖5是本發(fā)明【具體實施方式】的電容傳感器套設(shè)在測量管道上的狀態(tài)示意圖。 【【具體實施方式】】
[0023] 下面結(jié)合【具體實施方式】并對照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024] 本發(fā)明的構(gòu)思是，由于現(xiàn)有的電容傳感器中沿圓周方向設(shè)置多個片狀電極，同時 沿軸向方向設(shè)置多圈，這樣，一方面導(dǎo)致電極的總數(shù)較多，從而降低了系統(tǒng)的采樣速率。另 一方面，電極總數(shù)較多，電容測量運算量較大，也會導(dǎo)致電容敏感場(SENSITIVITY-MAP)的 奇異值增大，從而影響ECT的圖像重建效果。為此，本發(fā)明改進(jìn)電容傳感器中電極的結(jié)構(gòu)及 其排列布置狀態(tài)，由單個片狀電極改進(jìn)為螺旋狀繞制排列的導(dǎo)電線圈；由多個電極沿圓周 方向排列一圈，沿軸向設(shè)置多圈改進(jìn)為沿軸向間隔設(shè)置多個螺旋線圈，最終實現(xiàn)三維圖像 重建，且是在較少電極數(shù)的情形下實現(xiàn)三維圖像重建，從而解決現(xiàn)有方案中采樣速率和圖 像重建效果方面的問題。
[0025] 如圖2~4所示，本【具體實施方式】的電容傳感器包括軟管1、多個線圈單元2和多股 傳感器數(shù)據(jù)線5。軟管為絕緣材質(zhì)，具體地，可為非金屬的絕緣材質(zhì)，例如軟質(zhì)橡膠管。多個 線圈單元間隔地固定設(shè)置在軟管1上。各個線圈單元2均為導(dǎo)電材質(zhì)、螺旋狀繞制的線圈。各 股傳感器數(shù)據(jù)線500的一端一一對應(yīng)連接各個線圈單元2,另一端用于連接外部的數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)。圖3中所示，各股傳感器數(shù)據(jù)線5的另一端匯集在一起，從軟管1的同一端引出。
[0026] 具體地，線圈單元2可為金屬線圈。優(yōu)選地，線圈單元2為螺旋狀的彈性體，例如金 屬彈簧。如圖4所示，彈性體201的兩端通過兩個卡環(huán)202、203固定在軟管1上。這樣，每一個 線圈單元(也即彈性體），作為一個電極，能夠很好地應(yīng)對當(dāng)軟管在縱向拉伸時所產(chǎn)生的應(yīng) 力及形變。具體地，彈性體可隨軟管1沿縱向（管道內(nèi)流體介質(zhì)流動的方向）拉伸或壓縮時產(chǎn) 生形變及應(yīng)力。當(dāng)軟管1拉伸時，螺旋狀彈性體（電極)隨之被拉伸變長，當(dāng)軟管1壓縮時，螺 旋狀彈性體（電極)隨之被壓縮。其產(chǎn)生的形變因周長的不變，不會對測量時的等效電容值 產(chǎn)生誤差影響，同時也能很好地兼顧解決柔性軟管伸縮所帶來的布置問題。
[0027] 本【具體實施方式】中，還提供一種測量系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和如上所述的電容 傳感器。電容傳感器套設(shè)在測量系統(tǒng)所測量的管道上，電容傳感器的傳感器數(shù)據(jù)線連接數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)。
[0028] 如圖5所示，將電容傳感器套設(shè)在測量系統(tǒng)所測量的管道7上。管道7中流動的介質(zhì) 可為氣體和液體的混合物，或者為氣體和固體的混合物，例如管道可為石油管道，煤炭開采 運輸管道，化工、食品、制藥鍍膜過程中的循環(huán)流化床中管道。
[0029] 具體地，電容傳感器的軟管1套在測量管道7上，螺旋線圈單元2和軟管1是一體的， 因此螺旋線圈單元2也隨機間隔分布纏繞于測量管道7外壁。圖5中所示僅示意了一個線圈 單元2所在的管道區(qū)域，未示意出間隔一段距離處的線圈單元及相應(yīng)的管道區(qū)域。軟管1內(nèi) 部的傳感器數(shù)據(jù)線連接測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測量時，電容傳感器中，軟管1上布置有 線圈單元2,即為傳感器的電極，每一個線圈單元2作為一個獨立電極。相鄰兩個線圈單元2 分別作為兩個獨立電極(例如，相當(dāng)于傳統(tǒng)方案圖1中的電極①、②），其中一個作為激勵電 極，另一個作為測量電極，等效為一個電容值。當(dāng)在軟管1上布置有多個線圈單元(電極），通 過激勵其中一個，測量剩余的電極，可獲得多個等效電容值，從而構(gòu)建三維圖像。
[0030] 進(jìn)一步優(yōu)選地，各個線圈單元2的螺旋圈數(shù)為不少于5圈。這樣，相對較多的圈數(shù)， 可確保整個螺旋線圈的拉伸延展性。此外，較多的螺旋圈數(shù)，相當(dāng)于等效增加電極總長，即 增加了等效電容的測量值，從而可提高測量信噪比。
[0031 ]本【具體實施方式】的電容傳感器依靠少量的螺旋線圈，也即少量的電極，例如12~ 16個，即可實現(xiàn)一段長度上的管道內(nèi)的流動介質(zhì)的三維圖像重建。由于測量成像時，涉及的 電極數(shù)較少，因此系統(tǒng)的采樣速率高。同時，電容測量運算量較低，則電容敏感場 (SENSITIVITY-MAP)的奇異值較小，ECT的圖像重建效果較好。本【具體實施方式】的電容傳感 器可應(yīng)用于石油、化工過程的多相流測量中。
[0032]本【具體實施方式】的ECT的電容傳感器的電極分布在軟質(zhì)管道上，一體式設(shè)計。軟管 纏繞在流體管道外壁，線圈單元間隔分布，各線圈單元均呈螺旋狀分布。第一，采用螺旋式 分布，可實現(xiàn)僅利用少量電極，近似逼近現(xiàn)有方案中多圈ECT電極分布的測量及三維成像效 果。第二，本【具體實施方式】實現(xiàn)基于軟管的電極可自如拆卸，軟管可套設(shè)在不同口徑的其它 流體管段上，用于流體介質(zhì)測量。第三，軟管可在縱向（流體方向）隨意伸縮，可根據(jù)測量需 要，實現(xiàn)電極間距離的自如改變，從而控制三維圖像重建中ECT敏感場的分布以及傳感步長 (sensing penetration depth)。
[0033]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出若干替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為 屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種電容傳感器，其特征在于:包括軟管、多個線圈單元和多股傳感器數(shù)據(jù)線;所述 軟管為絕緣材質(zhì)；多個線圈單元間隔地固定設(shè)置在所述軟管上;各個線圈單元均為導(dǎo)電材 質(zhì)、螺旋狀繞制的線圈；各股傳感器數(shù)據(jù)線的一端一一對應(yīng)連接各個線圈單元，另一端用于 連接外部的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于:所述線圈單元的材質(zhì)為金屬。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于:所述線圈單元為螺旋狀、具有彈性 的線圈，所述線圈的兩端通過卡環(huán)固定在所述軟管上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于:所述線圈單元為金屬彈簧。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于:所述線圈單元中的線圈的螺旋圈數(shù) 為不少于5圈。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于:所述軟管為非金屬的絕緣材質(zhì)。7. -種測量系統(tǒng)，包括傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);其特征在于:所述傳感器為如權(quán)利要求 1~6任一項所述的電容傳感器，所述電容傳感器套設(shè)在測量系統(tǒng)所測量的管道上，所述電 容傳感器的傳感器數(shù)據(jù)線連接所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量系統(tǒng)，其特征在于:所述管道中流動的介質(zhì)為氣體和液體 的混合物，或者為氣體和固體的混合物。
【文檔編號】G01R27/26GK106018500SQ201610621968
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月1日
【發(fā)明人】李軼
【申請人】清華大學(xué)深圳研究生院