一種電容傳感器及測量系統技術方案

本發明專利技術公開了一種電容傳感器及測量系統。電容傳感器包括軟管、多個線圈單元和多股傳感器數據線；所述軟管為絕緣材質；多個線圈單元間隔地固定設置在所述軟管上；各個線圈單元均為導電材質、螺旋狀繞制的線圈；各股傳感器數據線的一端一一對應連接各個線圈單元，另一端用于連接外部的數據采集系統。測量系統，包括傳感器和數據采集系統；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在測量系統所測量的管道上，所述電容傳感器的傳感器數據線連接所述數據采集系統。本發明專利技術的電容傳感器及測量系統，電容傳感器用于測量系統三維成像時，采樣速率高，圖像重建效果較好。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及傳感器器件，特別是涉及一種電容傳感器及測量系統。
技術介紹
氣-液、氣-固多相流是石油、化工、煤炭工業中常見的流動介質，其主要包含液態烴、天然氣、氧氣、礦化水或煤炭等。氣-液、氣-固的三維在線流態分布測量一直是油氣工業中的重要環節，其對工業過程的優化控制具有重要意義。具體測量場景，例如有：化工、煤炭領域的循環流化床中氣體與固體介質燃燒反應過程中的流態分布，食品、制藥鍍膜過程中的循環流化床氣-固分布、石油開采過程中油-氣-水多相流態的氣-液分布的可視化測量。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等效點電常數分布之間的電磁場變化關系進行流場的圖像重建，得到被測場域內介質的分布，實現可視化。依據可視化結果，可以計算出流體的氣液比、氣固比。目前，現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的外圍再設置一層屏蔽層400，管道300內部流通的是被測量的流體介質900。如僅設置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對流體分布的三維成像(大多數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，可用于實現三維成像。然而，該結構的電容傳感器用于測量系統成像時，存在系統的采樣速率低，圖像重建效果差的問題。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是：彌補上述現有技術的不足，提出一種電容傳感器
及測量系統，電容傳感器用于測量系統三維成像時，采樣速率高，圖像重建效果較好。本專利技術的技術問題通過以下的技術方案予以解決：一種電容傳感器，包括軟管、多個線圈單元和多股傳感器數據線；所述軟管為絕緣材質；多個線圈單元間隔地固定設置在所述軟管上；各個線圈單元均為導電材質、螺旋狀繞制的線圈；各股傳感器數據線的一端一一對應連接各個線圈單元，另一端用于連接外部的數據采集系統。優選的技術方案中，所述線圈單元的材質為金屬。進一步優選的技術方案中，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固定在所述軟管上。所述線圈單元為金屬彈簧。所述線圈單元中的線圈的螺旋圈數為不少于5圈。所述軟管為非金屬的絕緣材質。一種測量系統，包括傳感器和數據采集系統；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在測量系統所測量的管道上，所述電容傳感器的傳感器數據線連接所述數據采集系統。所述管道中流動的介質為氣體和液體的混合物，或者為氣體和固體的混合物。本專利技術與現有技術對比的有益效果是：本專利技術的電容傳感器，沿一個軟管上間隔設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。通過螺旋狀設計，電極層數呈旋轉樓梯狀累加，故而能夠近似逼近現有結構中多個(圈)電極的三維測量效果，呈現流體的三維成像。本專利技術利用少量電極(12-16個)，就可實現對一段長度的管道內的氣-液、氣-固流體介質的三維圖像重建，并等效現有方案中在管道同一截面及一段長度內設置多個電極的成像效果。由于測量成像時，涉及的電極數較少，因此系統的采樣速率高。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。本專利技術的電容傳感器用于測量系統中時，可實現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管道，因此不受被測流
體管道口徑大小限制，可適應性的套設在待測的流體管道上。電容傳感器可由人員根據實際應用需求，靈活設置軟管口徑和線圈單元的數量，設置自由靈活。【附圖說明】圖1是現有技術中的電容傳感器的截面結構示意圖；圖2是本專利技術具體實施方式的電容傳感器的立體結構示意圖；圖3是本專利技術具體實施方式的電容傳感器沿縱軸方向的剖面示意圖；圖4是本專利技術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；圖5是本專利技術具體實施方式的電容傳感器套設在測量管道上的狀態示意圖。【具體實施方式】下面結合具體實施方式并對照附圖對本專利技術做進一步詳細說明。本專利技術的構思是，由于現有的電容傳感器中沿圓周方向設置多個片狀電極，同時沿軸向方向設置多圈，這樣，一方面導致電極的總數較多，從而降低了系統的采樣速率。另一方面，電極總數較多，電容測量運算量較大，也會導致電容敏感場(SENSITIVITY-MAP)的奇異值增大，從而影響ECT的圖像重建效果。為此，本專利技術改進電容傳感器中電極的結構及其排列布置狀態，由單個片狀電極改進為螺旋狀繞制排列的導電線圈；由多個電極沿圓周方向排列一圈，沿軸向設置多圈改進為沿軸向間隔設置多個螺旋線圈，最終實現三維圖像重建，且是在較少電極數的情形下實現三維圖像重建，從而解決現有方案中采樣速率和圖像重建效果方面的問題。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和多股傳感器數據線5。軟管為絕緣材質，具體地，可為非金屬的絕緣材質，例如軟質橡膠管。多個線圈單元間隔地固定設置在軟管1上。各個線圈單元2均為導電材質、螺旋狀繞制的線圈。各股傳感器數據線500的一端一一對應連接各個線圈單元2，另一端用于連接外部的數據采集系統。圖3中所示，各股傳感器數據線5的另一端匯集在一起，從軟管1的同一端引出。具體地，線圈單元2可為金屬線圈。優選地，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，能夠很好地應對當軟管在縱向拉伸時所產生的應力及形變。具體地，彈性體可隨軟管1沿縱向(管道內流體介質流動的方向)拉伸或壓縮時產生形變及應力。當軟管1拉伸時，螺旋狀彈性體(電極)
隨之被拉伸變長，當軟管1壓縮時，螺旋狀彈性體(電極)隨之被壓縮。其產生的形變因周長的不變，不會對測量時的等效電容值產生誤差影響，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。本具體實施方式中，還提供一種測量系統，包括數據采集系統和如上所述的電容傳感器。電容傳感器套設在測量系統所測量的管道上，電容傳感器的傳感器數據線連接數據采集系統。如圖5所示，將電容傳感器套設在測量系統所測量的管道7上。管道7中流動的介質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流化床中管道。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所在的管道區域，未示意出間隔一段距離本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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據線；所述軟管為絕緣材質；多個線圈單元間隔地固定設置在所述軟管上；各個線圈單元均為導電材質、螺旋狀繞制的線圈；各股傳感器數據線的一端一一對應連接各個線圈單元，另一端用于連接外部的數據采集系統。

【技術特征摘要】
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據線；所述軟管為絕緣材質；多個線圈單元間隔地固定設置在所述軟管上；各個線圈單元均為導電材質、螺旋狀繞制的線圈；各股傳感器數據線的一端一一對應連接各個線圈單元，另一端用于連接外部的數據采集系統。2.根據權利要求1所述的電容傳感器，其特征在于：所述線圈單元的材質為金屬。3.根據權利要求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固定在所述軟管上。4.根據權利要求1所述的電容傳感器，其特征在于：...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李軼，
申請(專利權)人：清華大學深圳研究生院，
類型：發明
國別省市：廣東;44