一种电容传感器及测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电容传感器及测量系统。电容传感器包括软管、多个线圈单元和多股传感器数据线；所述软管为绝缘材质；多个线圈单元间隔地固定设置在所述软管上；各个线圈单元均为导电材质、螺旋状绕制的线圈；各股传感器数据线的一端一一对应连接各个线圈单元，另一端用于连接外部的数据采集系统。测量系统，包括传感器和数据采集系统；所述传感器为如上所述的电容传感器，所述电容传感器套设在测量系统所测量的管道上，所述电容传感器的传感器数据线连接所述数据采集系统。本发明专利技术的电容传感器及测量系统，电容传感器用于测量系统三维成像时，采样速率高，图像重建效果较好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器器件，特别是涉及一种电容传感器及测量系统。
技术介绍
气-液、气-固多相流是石油、化工、煤炭工业中常见的流动介质，其主要包含液态烃、天然气、氧气、矿化水或煤炭等。气-液、气-固的三维在线流态分布测量一直是油气工业中的重要环节，其对工业过程的优化控制具有重要意义。具体测量场景，例如有：化工、煤炭领域的循环流化床中气体与固体介质燃烧反应过程中的流态分布，食品、制药镀膜过程中的循环流化床气-固分布、石油开采过程中油-气-水多相流态的气-液分布的可视化测量。电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography)是气-液、气-固多相流测量的重要方法。其依赖布置于被测场域边界的阵列电极获取一系列的电容测量值，并利用电容测量值与被测场域内等效点电常数分布之间的电磁场变化关系进行流场的图像重建，得到被测场域内介质的分布，实现可视化。依据可视化结果，可以计算出流体的气液比、气固比。目前，现有的电容成像传感器的截面图如图1所示，沿管道300的圆周方向上分别粘贴固定多个片状电极100，例如8个或16个电极。图中所示为设置12个电极①～的情形。相邻两个电极之间等效为一个电容，例如第一电极与第二电极之间等效为电容C12。在管道300的外围再设置一层屏蔽层400，管道300内部流通的是被测量的流体介质900。如仅设置1圈，只能获得沿截面方向上(X-Y方向)的切片流体测量信息(CROSS-SECTIONAL AREA)，无法获得管道纵轴方向(Z方向)上的信息，这样无法很好地实现对流体分布的三维成像(大多数是二位切面成像测量)。为此，一般是在管道的纵轴方向上增加设置多圈电极，即从1圈12个电极增加为3圈36个，或者4圈48个，依此类推。这样，提取三维方向上的信息后，可用于实现三维成像。然而，该结构的电容传感器用于测量系统成像时，存在系统的采样速率低，图像重建效果差的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种电容传感器
及测量系统，电容传感器用于测量系统三维成像时，采样速率高，图像重建效果较好。本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种电容传感器，包括软管、多个线圈单元和多股传感器数据线；所述软管为绝缘材质；多个线圈单元间隔地固定设置在所述软管上；各个线圈单元均为导电材质、螺旋状绕制的线圈；各股传感器数据线的一端一一对应连接各个线圈单元，另一端用于连接外部的数据采集系统。优选的技术方案中，所述线圈单元的材质为金属。进一步优选的技术方案中，所述线圈单元为螺旋状、具有弹性的线圈，所述线圈的两端通过卡环固定在所述软管上。所述线圈单元为金属弹簧。所述线圈单元中的线圈的螺旋圈数为不少于5圈。所述软管为非金属的绝缘材质。一种测量系统，包括传感器和数据采集系统；所述传感器为如上所述的电容传感器，所述电容传感器套设在测量系统所测量的管道上，所述电容传感器的传感器数据线连接所述数据采集系统。所述管道中流动的介质为气体和液体的混合物，或者为气体和固体的混合物。本专利技术与现有技术对比的有益效果是：本专利技术的电容传感器，沿一个软管上间隔设置多个螺旋状的线圈，各个线圈单元等效为一个电极，从而可在线圈(即电极)总数较少的情形下，基于在纵轴方向上螺旋排列有电极的位移，从而能够获取流体的三维信息。通过螺旋状设计，电极层数呈旋转楼梯状累加，故而能够近似逼近现有结构中多个(圈)电极的三维测量效果，呈现流体的三维成像。本专利技术利用少量电极(12-16个)，就可实现对一段长度的管道内的气-液、气-固流体介质的三维图像重建，并等效现有方案中在管道同一截面及一段长度内设置多个电极的成像效果。由于测量成像时，涉及的电极数较少，因此系统的采样速率高。同时，电容测量运算量较低，则电容敏感场(SENSITIVITY-MAP)的奇异值较小，ECT的图像重建效果较好。本专利技术的电容传感器用于测量系统中时，可实现传感器与被测管道的自如分离，且传感器中的承载主体是软质管道，因此不受被测流
体管道口径大小限制，可适应性的套设在待测的流体管道上。电容传感器可由人员根据实际应用需求，灵活设置软管口径和线圈单元的数量，设置自由灵活。【附图说明】图1是现有技术中的电容传感器的截面结构示意图；图2是本专利技术具体实施方式的电容传感器的立体结构示意图；图3是本专利技术具体实施方式的电容传感器沿纵轴方向的剖面示意图；图4是本专利技术具体实施方式的电容传感器中单个线圈单元的剖面示意图；图5是本专利技术具体实施方式的电容传感器套设在测量管道上的状态示意图。【具体实施方式】下面结合具体实施方式并对照附图对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术的构思是，由于现有的电容传感器中沿圆周方向设置多个片状电极，同时沿轴向方向设置多圈，这样，一方面导致电极的总数较多，从而降低了系统的采样速率。另一方面，电极总数较多，电容测量运算量较大，也会导致电容敏感场(SENSITIVITY-MAP)的奇异值增大，从而影响ECT的图像重建效果。为此，本专利技术改进电容传感器中电极的结构及其排列布置状态，由单个片状电极改进为螺旋状绕制排列的导电线圈；由多个电极沿圆周方向排列一圈，沿轴向设置多圈改进为沿轴向间隔设置多个螺旋线圈，最终实现三维图像重建，且是在较少电极数的情形下实现三维图像重建，从而解决现有方案中采样速率和图像重建效果方面的问题。如图2～4所示，本具体实施方式的电容传感器包括软管1、多个线圈单元2和多股传感器数据线5。软管为绝缘材质，具体地，可为非金属的绝缘材质，例如软质橡胶管。多个线圈单元间隔地固定设置在软管1上。各个线圈单元2均为导电材质、螺旋状绕制的线圈。各股传感器数据线500的一端一一对应连接各个线圈单元2，另一端用于连接外部的数据采集系统。图3中所示，各股传感器数据线5的另一端汇集在一起，从软管1的同一端引出。具体地，线圈单元2可为金属线圈。优选地，线圈单元2为螺旋状的弹性体，例如金属弹簧。如图4所示，弹性体201的两端通过两个卡环202、203固定在软管1上。这样，每一个线圈单元(也即弹性体)，作为一个电极，能够很好地应对当软管在纵向拉伸时所产生的应力及形变。具体地，弹性体可随软管1沿纵向(管道内流体介质流动的方向)拉伸或压缩时产生形变及应力。当软管1拉伸时，螺旋状弹性体(电极)
随之被拉伸变长，当软管1压缩时，螺旋状弹性体(电极)随之被压缩。其产生的形变因周长的不变，不会对测量时的等效电容值产生误差影响，同时也能很好地兼顾解决柔性软管伸缩所带来的布置问题。本具体实施方式中，还提供一种测量系统，包括数据采集系统和如上所述的电容传感器。电容传感器套设在测量系统所测量的管道上，电容传感器的传感器数据线连接数据采集系统。如图5所示，将电容传感器套设在测量系统所测量的管道7上。管道7中流动的介质可为气体和液体的混合物，或者为气体和固体的混合物，例如管道可为石油管道，煤炭开采运输管道，化工、食品、制药镀膜过程中的循环流化床中管道。具体地，电容传感器的软管1套在测量管道7上，螺旋线圈单元2和软管1是一体的，因此螺旋线圈单元2也随机间隔分布缠绕于测量管道7外壁。图5中所示仅示意了一个线圈单元2所在的管道区域，未示意出间隔一段距离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容传感器，其特征在于：包括软管、多个线圈单元和多股传感器数据线；所述软管为绝缘材质；多个线圈单元间隔地固定设置在所述软管上；各个线圈单元均为导电材质、螺旋状绕制的线圈；各股传感器数据线的一端一一对应连接各个线圈单元，另一端用于连接外部的数据采集系统。

【技术特征摘要】
1.一种电容传感器，其特征在于：包括软管、多个线圈单元和多股传感器数据线；所述软管为绝缘材质；多个线圈单元间隔地固定设置在所述软管上；各个线圈单元均为导电材质、螺旋状绕制的线圈；各股传感器数据线的一端一一对应连接各个线圈单元，另一端用于连接外部的数据采集系统。2.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述线圈单元的材质为金属。3.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述线圈单元为螺旋状、具有弹性的线圈，所述线圈的两端通过卡环固定在所述软管上。4.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李轶，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44