一种电容层析传感器检测系统的制作方法

本发明涉及传感器检测系统技术领域，具体涉及一种用于检测管道内混合流体分布状态的电容层析传感器检测系统。

背景技术：

管内的两相流动流体在化工、空分等流体相关工业经常出现，涉及设计优化及运行安全，因此对两相分布的检测有重要意义。电容层析成像(electricalcapacitancetomography，ect)技术，利用场内微元内不同相含量具有不同总介电常数的特点，通过测量多极片两两之间的电容值，利用反演算法对场内每个微元内流体的相分布进行求解成像，是一种非侵入式的测量技术，具有响应速度块、对流场无干扰、可同时获得相含率及相分布数据等优点，目前被广泛研究并在常温流体工业中得到应用。

不同于室内环境流体气液介电常数差别较大，自然环境下流体液-气介电常数比普遍小于1.5，成像结果对于测量噪声极为敏感，对极片的布置精度有着很高的要求，为了保证有较好的成像效果，需要构建良好的电磁屏蔽结构。并且由于金属和非金属在自然环境下的收缩率相差较大，传统的粘合或者将金属烧蚀在非金属表面的极片安装方法，将很容易导致松脱，甚至非金属管道受到金属热应力而产生破裂。另外，非金属管道自然环境下极易发生脆裂。本发明针对于自然环境流体的相含率测量技术需要，综合自然环境流体的本身物性及自然环境下的材料特性，进行发明设计。

浙江大学制冷与自然环境研究所张小斌、陈建业、王宇辰、谢黄骏等人相继对应用于自然环境流体两相流空泡率测量的二极片电容传感器及适用于自然环境流体相分布及空泡率测量的电容层析成像技术进行了理论及实验的研究。陈建业的实验表明，其二极片电容传感器对管内自然环境流体空泡率的测量误差可控制在15％以内，但这种传感器外面包裹两个电极片，没有采取电磁屏蔽结构，与本发明结构差异巨大。谢黄骏对应用于自然环境流体测量的电容层析成像技术进行了理论验证，发现其数值实验的结果较好，但文章没有涉及针对于自然环境流体两相流测量的电容层析成像传感器的具体结构设计。filippov等研究了使用射频传感器测量自然环境流体两相流空泡率，结果表明射频传感器的测量精度可达1.5％，它与本发明使用完全不同的原理和结构。

中国专利cn100412534c公开了一种应该用于微通道的电容层析成像装置，该传感器旨在弥补ect传感器在微尺度下管内两相流的液膜测量的需求。该发明没有环向屏蔽与绝缘垫的紧固结构，电极直接接触流体，与本发明结构上有较大差异。

中国专利cn102364420b公开了一种高精度ect智能传感器，该发明的传感器部分在绝缘管道上进行打孔，电极片直接接触流体，通过螺栓固定电极片，与本发明结构上有较大差异。

中国专利cn104655692b公开了一种利用两层框架固定电极片的ect传感器的结构设计，该发明环向上没有设置屏蔽板，屏蔽结构安装在外框上与极片一一对应，与本发明在结构上有较大差异。

中国专利cn106932446a公开了一种在管内设有内置电极的ect传感器，该发明中，有部分电极片安装在管道内部，适用的管道结构是具有同心结构的管道，与本发明在结构上具有较大差异。

中国专利cn103454318b公开了一种具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，其利用两个同轴不同径的可旋转圆管，将电极安置在旋转圆管上进行多角度的电容值测量，该发明电极采用粘贴的方式固定在圆管壁上且带有可旋转结构，与本发明在结构上有较大差异。

中国专利cn20485537u公开了一种平面电容层析传感器，该发明中电极片采用平面阵列的排布方式，与本发明在结构上具有较大差异。

中国专利cn108152341a公开了一种自然环境流体管内流动电容层析成像装置，该装置，应用于自然环境流体(如液氮(～78k)、液氧(～90k))管内流动流型监测的电容层析成像。装置包括：绝缘管道、电极片、限位套、屏蔽隔板、电磁屏蔽罩、屏蔽环、紧固螺柱。该装置针对于自然环境下材料的收缩设置紧固螺柱维持电极片与绝缘管道的贴合，同时针对自然环境流体液气介电常数接近的特点设计屏蔽结构。本自然环境流体电容层析成像装可方便与系统其他管路连接；可用于从室温到自然环境的较大范围，多次大幅度温度循环不影响测量精度；定位精度高、电磁屏蔽效果好。但该装置结构复杂，体积庞大，测试操作费时费力，不便于安装到任意管径的管道上。

美国专利us8614707b2公开了一种三维实时电容层析成像传感器设计，该专利对电极片的形状结构及极片间的相对位置关系进行了优化设计，没有对电极片的安装方式及装置具体结构进行设计，并且电极片在轴向上也有分布布置，与本发明结构上具有较大的差异。

美国专利us7496450b2公开了一种基于电容层析成像技术的多相流成像监测方法，该专利指明了传感器的分布方式但是没有对传感器的安装结构进行设计，并且没有设计环向方向的屏蔽板，与本专利存在较大差异。

美国专利us8461852b2公开了一种基于电容层析成像技术的对流化床内颗粒分布进行监测的方法，其ect传感器的电极采用埋入管道外壁的方式进行固定，在结构上与本专利结构存在较大差异。

综上所述，根据自然环境环境下各材料的物性特点及自然环境流体气液相介电常数的特点，设计一种专门针对于自然环境流体管内流动的电容层析成像装置是有必要的，该技术拥有非侵入式测量的特点，可以同时获得截面处的相含率及相分布的情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种结构简单、使用便捷、检测效果好，体积小巧，便于装卸，可安装在各种管道的外部或内部，用于检测管道内混合流体分布状态的电容层析传感器检测系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种电容层析传感器检测系统，用于检测管道内混合流体分布状态，所述检测系统中的电容层析传感器为柔性结构体，柔性电容层析传感器包括有附着在聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜一面的若干个测量电极，以及附着在聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜另一面的屏蔽电极，测量电极呈长条状，长条状的测量电极长度方向沿被检测管道的轴向设置，宽度方向沿被检测管道的周边均匀排列，在若干个测量电极的端部设有分别与每个测量电极连接的接插件，接插件通过数据线与信号采集器连接，在测量电极与屏蔽电极的上面均涂覆有柔性绝缘涂层，将一面附着有测量电极另一面附着有屏蔽电极，且在测量电极另与屏蔽电极表面均涂覆有柔性绝缘涂层的聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜包裹在被测量管的表面构成闭合的套管状电容层析传感器，并在接口处用连接件连接。

为了能够将电容层析传感器检测到的信息，通过计算机处理后，再现还原到显示器上，形成管道内部混合流体分布状态的图像信息，优选的技术方案是，所述系统包括设置在管道内部或外部的电容层析传感器，电容层析传感器通过数据线与信号采集器连接，信号采集器与数据采集卡连接，数据采集卡设置在计算机的主板上，计算机对数据采集卡采集到的数据进行处理后，将管道内部混合流体分布状态的图像传送到与计算机连接的显示器上。

为了能够更准确更优化的呈现出，管道内部混合流体分布状态的图像信息，优选的技术方案还有，所述测量电极的数量为6～24个。

为了便于电容层析传感器在被测量管道上的安装与拆卸，优选的技术方案还有，所述聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜在接口处的连接件为磁性塑料软胶条、尼龙粘扣、拉锁、子母按扣中的任意一种。

为了使得电容层析传感器能够反复多次使用，确保其不受造影信号的干扰，并能使其接线方便快捷，优选的技术方案还有，在所述套管状电容层析传感器的两端分别设有柔性塑料边或橡胶边，设置在接口处的连接件被嵌入柔性塑料边内或橡胶边内。

为了能够对电容层析传感器的表面既能起到保护作用，又使其具有柔韧性，且体积小加工制作方便，优选的技术方案还有，所述柔性绝缘涂层为塑料薄膜或为橡胶薄膜。

为了能够确保电容层析传感器的测量精准度，提高电容器的导电率，优选的技术方案还有，所述测量电极为附着在聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜表面的紫铜镀层，或银镀层。

为了能够确保电容层析传感器的测量精准度，提供电容器的导电率，进一步优选的技术方案还有，所述聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜的厚度为0.1mm，所述测量电极与屏蔽电极的厚度为120μm～150μm，长条状测量电极的长度为20～50mm，长条状测量电极的宽度根据公式w＝πd/n-δ计算，其中：w为测量电极宽度，d为被测量管道的外径，n为测量电极数量，δ为测量电极之间间距。

为了能够确保电容层析传感器的测量精准度，避免噪音信号的干扰，优选的技术方案还有，在所述信号采集器上设有接地的连线。

为了能够实现在远端对管道内部混合流体分布状态信息的采集、传输，优选的技术方案还有，所述信号采集器通过无线通信模块，与设置在计算机主板上的无线通信模块，通过无线信号传输，将信号采集器采集到的信号传送给数据采集卡。

本发明的优点和有益效果在于：该用于检测管道内混合流体分布状态的电容层析传感器检测系统具有结构简单、使用便捷、检测效果好，体积小巧，便于装卸，可安装在各种管道的外部或内部等特点。由于该系统中的电容层析传感器被做成柔性电路板的结构形式，使得传感器又软又薄，可直接包裹在被测量管道的外表面，也可以嵌入到管道的内表面，然后再将数据线引出即可。可将电容层析传感器做成很长的柔性带，每次制作电容层析传感器时，只截取需要的长度，在其端部连接上连接件和数据线接插件。这样可以大大降低电容层析传感器的制作成本。

附图说明

图1是本发明容层析传感器检测系统的结构示意图；

图2是本发明容层析传感器检测系统中容层析传感器的轴向剖视展开图；

图3是本发明容层析传感器检测系统中容层析传感器的横截面图。

图中：1、塑料薄膜；2、测量电极；3、屏蔽电极；4、接插件；5、信号采集器；6、柔性绝缘涂层；7、连接件；8、数据采集卡；9、计算机；10、显示器；11、柔性塑料边；12、连线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1～3所示，本发明是一种电容层析传感器检测系统，用于检测管道内混合流体分布状态，所述检测系统中的电容层析传感器为柔性结构体，柔性电容层析传感器包括有附着在聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜1一面的若干个测量电极2，以及附着在聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜1另一面的屏蔽电极3，测量电极2呈长条状，长条状的测量电极2长度方向沿被检测管道的轴向设置，宽度方向沿被检测管道的周边均匀排列，在若干个测量电极2的端部设有分别与每个测量电极2连接的接插件4，接插件4可以为与每一个测量电极连接的接插座或为与每一个测量电极连接的插头，接插件4通过数据线与信号采集器5连接，在测量电极2与屏蔽电极3的上面均涂覆有柔性绝缘涂层6，将一面附着有测量电极2另一面附着有屏蔽电极3，且在测量电极2另与屏蔽电极3表面均涂覆有柔性绝缘涂层6的聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜1包裹在被测量管的外表面构成闭合套管状电容层析传感器，并在接口处用连接件7连接。

为了能够将电容层析传感器检测到的信息，通过计算机处理后，再现还原到显示器上，形成管道内部混合流体分布状态的图像信息，本发明优选的实施方案是，所述系统包括设置在管道内部或外部的电容层析传感器，电容层析传感器通过数据线与信号采集器5连接，信号采集器5与数据采集卡8连接，数据采集卡8设置在计算机9的主板上，计算机9对数据采集卡采集8到的数据进行处理后，管道内部混合流体分布状态的图像传送到与计算机连接的显示器10上。

为了能够更准确更优化的呈现出，管道内部混合流体分布状态的图像信息，本发明优选的实施方案还有，所述测量电极2的数量为6～24个，优选为12个。

为了便于电容层析传感器在被测量管道上的安装与拆卸，本发明优选的实施方案还有，所述聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜1在接口处的连接件7为磁性塑料软胶条、尼龙粘扣、拉锁、子母按扣中的任意一种，优选采用磁性塑料软胶条。

为了使得电容层析传感器能够反复多次使用，确保其不受造影信号的干扰，并能使其接线方便快捷，本发明优选的实施方案还有，在所述套管状电容层析传感器的两端分别设有柔性塑料边11或橡胶边，设置在接口处的连接件7被嵌入柔性塑料边11内或橡胶边内。

为了能够对电容层析传感器的表面既能起到保护作用，又使其具有柔韧性，且体积小加工制作方便，本发明优选的实施方案还有，所述柔性绝缘涂层6为塑料薄膜或为橡胶薄膜，优选采用橡胶薄膜。

为了能够确保电容层析传感器的测量精准度，提供电容器的导电率，本发明优选的实施方案还有，所述测量电极2为附着在聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜1表面的紫铜镀层，或银镀层。

为了能够确保电容层析传感器的测量精准度，提供电容器的导电率，本发明进一步优选的实施方案还有，所述聚酰亚胺或聚酯塑料薄膜1的厚度为0.1mm，所述测量电极2与屏蔽电极3的厚度为120μm～150μm，优选为136μm，长条状测量电极的长度为20～50mm，优选为30mn，长条状测量电极的宽度根据公式w＝πd/n-δ计算，其中：w为测量电极宽度，d为被测量管道的外径，n为测量电极数量，δ为测量电极之间间距。

为了能够确保电容层析传感器的测量精准度，避免噪音信号的干扰，本发明优选的实施方案还有，在所述信号采集器5上设有接地的连线12。

为了能够实现在远端对管道内部混合流体分布状态信息的采集、传输，本发明优选的实施方案还有，所述信号采集器5可通过无线通信模块，与设置在计算机9主板上的无线通信模块，通过无线信号传输，将信号采集器5采集到的信号传送给数据采集卡8。

目前，较多的电容层析成像(electricalcapacitancetomography，简记为ect)信号采集设备具有24个测量通道，能连接24个介电常数分布测量电极。该实例采用12个测量电极的ect传感器。测量电极2和屏蔽电极3的长度可视需要根据传感器长度而定。本实施例中传感器长度为35mm，测量电极2长度为30mm，屏蔽电极3的轴向长度为28mm。测量电极2的宽度根据公式w＝πd/n-δ计算，其中：w为测量电极宽度，d为套管的内管外径，n为测量电极数量，δ为测量电极之间隔离电极宽度。本实施案例中套管的内管外径为16mm，各测量电极宽度为3.7mm，隔离电极宽度为0.5mm。

首先将含12个测量电极2的传感器测量电极阵列、电极间隔离有柔性绝缘涂层6、端部用柔性塑料边11与屏蔽电极3贴附安装于套管式结构的外壁面，信号传输电缆经柔性塑料边11的一端引出。通过电容层析传感器的工作，测量电极2信号通过数据线经柔性塑料边11的一端引出至ect信号采集器5，在计算机9中进行数据处理和图像重建，得到内管道内部汽、液两相的分布图形。

检测中对各电极进行检测时，激励电极的相邻电极增益为低增益，其余为高增益。首先将1号电极作为激励电极，检测其与2至12号传感器之间的电容值；然后以2号电极为激励电极，检测其与3至12传感器之间电容值；以此类推，共检测出66个电容值。激励与检测通过计算机9将控制信号送入信号采集器5，进而控制传感器电极的激励与检测状态。

本发明中pt技术的基本原理是，在被测流动管道上按一定规律排列若干个对多相流体的分散相敏感的传感器，传感器阵列用非接触或非侵入方式来获取被测对象的流动场信息，然后利用快速图像重建算法计算出管道内流体的断面上的分布图像。

电容层析成像技术其测量原理是基于多相流体各分相介质具有不同的介电常数，当各相组分的浓度及其分布发生变化时，会引起多相流混合体介电常数的变化，从而使其测量电容值随之发生变化，电容值的大小反应多相流介质相浓度的大小和分布状况，采用多电极阵列式电容传感器，其各电极之间的相互组合可提供反应多相流体浓度分布的多个电容测量值，以此为投影数据采用一定的图像重建算法，即可重建反映出装置在某一被测量管道区域内多相流介质分布状况的图像。

ect系统的工作机理是。非导电物场内介质分布变化而引起电容值的变化，通过测量电容值的变化来重建物场内的介质分布而实现对多相流参数的检测。通常的ect系统由三个基本部分组成，传感器阵列、数据采集系统、图像重建计算机。在管道外壁或内壁均匀对称设置着铜质电极板，由于多相流各分相介质具有不同的介电常数，当管道内的各相组分浓度及其分布发生变化时，会引起多相流混合体等价介电常数的变化，从而使极板间的测量电容值也发生变化。数据采集系统测量任一对极板间的电容值，获得不同观测角度下的投影数据被送入图像重建计算机。这些测量值反映了管道内介电常数的分布情况，采用相应的图像重建算法，就可重建被测物场的介质分布图，如图1所示。

电容数据采集系统包括多通道的数据采集控制，电容/电压(c/v)转换，a/d转换及通讯接口等。其中c/v转换电路的设计是最关键和最困难的，系统采集成像的数据并传输给计算机，成像的准确性很大程度上依赖于该系统的准确性。

数据采集系统中的多通道数据采集控制由多通道扫描电路完成，该电路的作用是根据计算机指令的要求，地择相应的两个电极作为测量电板，测量其电容值，同时使其他闲置电极接地。电容数据采集系统的a/d转换及通讯接口的作用是完成a/d转换，并负责对原始数据的模拟滤波和预处理，及与计算机进行通讯。

由于电容传感器极极间的电容值很小，在该12电极的系统中，电容值的数量级是0.03pf级，最大值和最小值相差近百倍。测量如此微小且相差倍数又较大的电容是比较困难的，这对数据采集系统尤其是对电容/电压转换部分提出了较高的要求，这也是电容层析成像技术发展过程中的主要难题之一。

电容层析成像系统的电容数据采集电路必须满足以下要求：

1、动态范围大，测量范围足够宽；

2、低漂移，良好的稳定性；

3、线性度好，测量灵敏度高；

4、较强的抗杂散电容的能力，能够消除漏电导的影响。

成像系统采用的是pc机，主要负责对外围接口电路发出指令来控制数据采集系统采集数据，并从数据采集系统接收数据，然后采用相应的算法进行图像重建和图像显示。由于应用的环境不同，对图像重建的要求也备不相同，在实时检测中，对图像重建的速度要求较高，重建的速度不低于25帧每秒；在非实时检测中对速度的要求较低，但对精度的要求则要高一些。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。