专利名称：基于电容传感器的过程层析成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及成像装置，尤其涉及基于电容传感器的过程层析成像装置。
在工业生产及科学实验中，广泛存在着多相流动现象。在多相流动体系中，存在着许多空间分布参数，如油/气两相混相输送过程中的各相介质的空间分布、流体流动中的速度场等。在参数检测手段落后的时期，人们仅仅可检测到一个时间或空间上的平均参数，并用这一个值来描述过程对象的对应参数。这使得许多工业设备的设计和运行往往假设对象参数在时间和空间上是均匀分布的。在某些情况下，借助于某些先进的仪器可以获得微观上某点的数据(如瞬时温度、速度、组分等)，但设备投资巨大，从经济角度来讲是不合理的。过程层析成象技术就是在这种背景下产生的。该技术的出现提供了一种低成本、非侵入的参数检测手段，目前的研究已显示出该技术在解决多相流参数测量问题中的巨大潜力。电容层析成象(Electrical capacitance tomography，简记ECT)技术是利用多相介质往往具有不同的介电常数，通过电容传感测量获得介电常数分布而获得介质分布的图象。一个12电极的典型ECT系统如
图1所不。
该系统主要由电容传感器、电容数据采集系统和微型计算机三大部分组成。电容传感器主要由绝缘管道、管道外壁上均匀粘贴的电极和屏蔽电极三部分组成。传感器将两相流体的分布转化为传感器的输出电容；数据采集系统则测量这些电容并转化为数字量并传送给计算机；微型计算机则依据一定的图象重建算法完成图象重建工作。
从80年代中期开始，以英国的曼彻斯特大学理工学院(University ofManchester Institute of Science and Technology，简记UMIST)M.S.Beck教授为首的一个研究小组开始了一项应用8电极阵列式电容传感器对油气两相流和气固两相流进行成象的研究计划。1988年，他们研制成功了8电极电容层析成象系统(Huang，1989；Xie，1989a)，并于1990年进一步改进成为12电极的电容层析成像系统。该系统采用了基于电荷转移原理的电容数据采集系统，并配备了Transputer阵列式处理器来对数据进行并行处理以提高系统的实时性。并且在流体实验装置上对油气两相流进行了成象实验(Xie，1992b)。同时，美国能源部摩根城研究中心设计了16电极电容层析成象系统用于研究流化床中的空隙率分布(Fasching，1991；Halow，1992)。
本实用新型的目的是提供一种基于电容传感器的过程层析成像装置。
为了达到上述目的本实用新型采取下列措施一种基于电容传感器的过程层析成像装置，它包括传感器的电极引线与电容数据采集系统的输入端相连，电容数据采集系统的通讯端口与微型计算机的通讯端口相连，其特征在于所说的电容数据采集系统为模块1～模块3的输入端接至单片机的控制输出端，模块1～模块3的输出接至仪表放大器的输入端，数/模转换器的输入端接至单片机的输出控制端，仪表放大器的输出端与数/模转换器的输出端相减后连接至增益可编程放大器的输入端，增益可编程放大器的输出端与数模转换器的模拟量输入端相连接，数模转换器的输入和输出端与单片机相连，单片机的串口与通讯模块相连；所说的电容测量模块为译码器接受单片机发送的控制信号并将它们转换成多个相应C/V转换器的控制信号，C/V转换器将传感器上检测电极之间的电容转换成电压，电子开关在译码器的控制下将所需电压信号送出；所说的C/V转换器为被测电容两电极分别与四个电子开关相连，其中两电子开关分别与两电容、电阻和运算放大器构成的电流检测电路相连。
本实用新型的优点1.电容测量电路的模块化电路中12电极的激励/检测系统电路规模较大，是系统的线路板中的主要部分。本系统中将电极激励与检测系统以4路为一组，设计成系统扩展板的形式，该扩展板接收主板上的控制信号(如决定检测/激励状态、电压输出通道选择等)，并在主板的控制之下将相应的信号输出到主板上去。采用该方案主要有如下特点1)减小系统体积。由于电极/激励检测系统电路规模大，若将该部分与主板合为一体必然导致电路板尺寸较大，仪表体积无法压缩。
2)提高可维修性。由于扩展板部分要通过连线与仪表外部的传感器部分相连，是系统中容易损坏的部分。本系统中采用扩展板结构，若某扩展板损坏，则用后备板更换之即可(扩展板之间是完全相同的)。
3)电极数目可容易地增减。模块化结构使得电极数目减时只须调整扩展板数量即可。2.传感器与测量系统的一体化结构由于本系统采用了模块化结构，压缩了线路板的面积，使得本仪表体积较小(18cm×11cm×13cm)，这使得数据采集系统可与传感器采用一体化结构。这样一方面缩短了电极与电容测量系统的连线长度，从而可减少杂散电容，另一方面一体化结构使得由于电极电缆移动对电容测量产生的影响减少到最小。3.数据采集系统微机化目前国内外研制的系统中数据采集系统的所有控制信号完全由PC机来控制实现。由于采集一帧图象所需电容时电子线路的动作很多，因而需要大量的数据传输。UMIST设计的系统为此采用了光纤来传输信号，成本较高。其它的一些系统中采用了并行接口卡来实现控制信号的实现，但这种系统要求微机必须在距传感器很近的地方，无法实现信号的远距离传输，因而对于控制室距现场较远的场所不能适用。本系统中采用了单片机，PC机只须发出有关的数据采集命令，具体的数据采集过程由单片机完成。数据采集系统与PC机的通讯内容主要是电容测量结果，因而可在较低通讯速度下实现较高的数据采集速度。4.通讯系统的模块化数据采集通讯电路采用了模块化结构，根据使用中通讯距离的不同更换相应的模块即可满足要求。
以下结合附图作详细说明图1是基于电容传感器的过程层析成像装置方框图；图2是电容数据采集系统方框图；图3是电容测量模块方框图；图4是传感器径向剖视图；图5是C/V转换器电路原理图；图6是C/V转换器电荷转移时序图。
基于电容传感器的过程层析成像装置的传感器具有绝缘管道[1]，在绝缘管道外对称同心设有多个检测电极[3]和屏蔽罩[4]在屏蔽罩上设有径向电极[2]，径向电极端部位于两检测电极间隙处，每个检测电极通过引线与电容数据采集系统中的电路相连。所说的电容测量模块为译码器接受单片机发送的控制信号并将它们转换成多个相应有C/V转换器的控制信号，C/V转换器将传感器上检测电极之间的电容转换成电压，电子开关在译码器的控制下将所需电压信号送出。所说的C/V转换器为被测电容CX两电极分别与电子开关S1、S2和S3、S4相连，电子开关S3、S4与电容Cin、Cf电阻Rf和运算放大器构成的电流检测电路[5]、[6]相连。
通讯模块收发单片机串行口的信号，将它的信号转换成远传信号或将收到的信号转换为串行口可接受的信号。为适应不同现场对数据传输速度和距离的需要，该仪表以RS232、RS422和光纤来满足不同传输速度和距离的需要。RS232适合于近距离，低速通讯，它只占用PC机的一个串口；RS422的通讯距离远，速度快，它要求PC机要配有RS232/RS485转换器；光纤适合较长距离，高速通讯，它要求PC机要配有光纤通讯接口卡。采用不同通讯接口时只须更换仪表内的通讯模块，其余部分无须改动。
PC机与单片机间的通讯以帧应答的方式实现。数据采集系统实现的可接受命令有设定平衡电压、设定PGA增益、设定仪表配置数据、读指定电极3间的电容值、读平衡电压、读PGA增益、读仪表配置数据、读电荷注入效应值、读单帧电容值、进入连续电容测量状态、进入单帧电容测量状态、自检(检查仪表配置数据是否出错)，仪表复位(单片机复位)、读版本信息、读设计者信息、写指定的单片机内部寄存器、读指定的单片机内部寄存器。
权利要求1.一种基于电容传感器的过程层析成像装置，它包括传感器的电极引线与电容数据采集系统的输入端相连，电容数据采集系统的通讯端口与微型计算机的通讯端口相连，其特征在于所说的电容数据采集系统为模块1～模块3的输入端接至单片机的控制输出端，模块1～模块3的输出接至仪表放大器的输入端，数/模转换器的输入端接至单片机的输出控制端，仪表放大器的输出端与数/模转换器的输出端相减后连接至增益可编程放大器的输入端，增益可编程放大器的输出端与数模转换器的模拟量输入端相连接，数模转换器的输入和输出端与单片机相连，单片机的串口与通讯模块相连；所说的电容测量模块为译码器接受单片机发送的控制信号并将它们转换成多个相应C/V转换器的控制信号，C/V转换器将传感器上检测电极之间的电容转换成电压，电子开关在译码器的控制下将所需电压信号送出；所说的C/V转换器为被测电容CX两电极分别与电子开关S1、S2和S3、S4相连，电子开关S3、S4分别与电容Cin、Cf电阻Rf和运算放大器构成的电流检测电路[5]、[6]相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的过程层析成像装置，其特征在于所说的传感器具有绝缘管道[1]，在绝缘管道外对称同心设有多个检测电极[3]和屏蔽罩[4]，在屏蔽罩上设有径向电极[2]，径向电极端部位于两检测电极间隙处，每个检测电极通过引线与电容数据采集系统中的电路相连。
专利摘要本实用新型公开了一种基于电容传感器的过程层析成像装置,它包括电容传感器的电极引线与电容数据采集系统的输入端相连,电容数据采集系统的通讯端口与微型计算机的通讯端口相连;传感器将两相流体的分布转化为输出电容,电容数据采集系统则测量这些电容并转化为数字量再转送给微机,微机依据一定的图象重建算法完成图象重建工作。本实用新型实现电容测量电路模块化,传感器与测量系统的一体化,数据采集系统的微机化,通讯系统的模块化。
文档编号G01N27/22GK2411482SQ9920950
公开日2000年12月20日 申请日期1999年4月23日 优先权日1999年4月23日
发明者王保良, 黄志尧, 陈珙, 李海青 申请人:浙江大学