一种高温电容层析成像传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了高温电容层析成像传感器及其制备方法，该传感器能够应用于300℃高温环境。传感器包括耐高温的阵列分布测量电极、轴端屏蔽电极、绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线，其中阵列分布电极包括N个测量电极；信号传输线包括高温段和常温段两部分并且包括缆芯、绝缘层和屏蔽丝网。本发明专利技术改进了传统传感器不耐高温的缺陷，解决了高温环境下电极布置困难的问题，并用耐高温的绝缘材料将电极与外屏蔽罩隔离并固定，通过高温段信号传输线将测量电极信号引出，对于研究高温环境下的气固两相分布、流态化特性以及相关反应监测等提供了有效手段，拓展了电容层析成像技术的应用领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感器设计领域，尤其涉及一种应用于高温环境下的电容层析成像传感器及其制备方法。
技术介绍
电容层析成像(ECT)技术的发展开始于20世纪80年代，是将医学断层成像和现代测量技术相结合的一种过程成像技术，其基本工作原理是在被测对象内组分或浓度发生变化时，会引起介电常数的变化，最终导致电容传感器测得的电容值发生变化。电容层析成像技术主要采用多电极阵列式电容传感器，测量能够反映混合物介电常数分布的多对电容值。然后利用图像重构算法，实现被测区域内混合物浓度和组分分布的二维可视化。一套完整的ECT系统，主要包括电容传感器系统、数据采集与处理系统和计算机成像系统三个部分。经过30多年的发展，研究人员对ECT的设计、算法和应用开展了大量的研究工作，ECT技术日渐成熟，并被广泛用于多相流体系的测量研究。目前ECT主要用于固体相浓度测量、流型识别测量和相关速度测量等，并且ECT实验也大都在常温、常压的冷模装置中进行，进行热态研究的较少。这主要是因为高温下ECT电极布置比较困难，根据ECT测量原理，ECT电极需要紧贴于测量物体壁面，要达到这个目的首先要解决高温电极片的选材和制作，电极材料要耐高温、抗氧化且薄厚要适中，便于N个相同尺寸阵列测量电极片的制作和粘贴；其次是解决电极的粘贴问题，传统的ECT电极采用的是紫铜箔胶带，可以直接使用，不用考虑粘合剂的问题。但高温环境则必须选择合适的高温胶，高温胶种类很多，但并不是都能用于电极的粘贴，况且黄铜材质的电极片又是很难粘贴的。而且，粘合剂的选择是一方面，另一方面粘贴工艺也是个难点，考虑到高温胶的固化时间较长，粘贴过程中电极容易错位、起皮，按传统的粘贴方式，很难控制电极片和电极间距的均匀性和一致性，同时电极片不仅要粘贴的牢固而且要保证没有气泡混入；然后是高温信号传输线的制作和连接，传统的双屏蔽信号传输线耐不了高温，需要选择适合的材料制作耐高温的双屏蔽信号传输线，并用高温焊锡进行连接；最后是整个传感器的固定和安装，选用耐高温的玻璃丝布隔离外屏蔽罩和测量电极，同时达到固定和保护整个传感器的目的。由于介电常数与温度存在复杂的关联影响，后续使用过程中还需要对算法做适当调整。但制作出耐高温的ECT传感器是实现ECT高温使用的第一步也是最关键的一步。目前，关于电容层析成像技术的研究主要集中在图像重建算法的优化和信号采集设备的改进，对传感器进行研究的很少，国内华北电力大学的申请CN103604843A提出了一种适用于液下环境的电容层析成像传感器，拓宽了ECT的使用范围，但也仅限于冷态环境。中国科学院工程热物理研究所的申请CN104655692A提出了一种电容层析成像传感器可以应用于锅炉。目前关于高温ECT传感器的相关专利报道很少，而本领域对于可以在300℃高温环境使用的ECT传感器存在需要。
技术实现思路
为此，一方面，本专利技术提供了一种应用于300℃高温环境下的电容层析成像传感器，所述传感器包括耐300高温的阵列分布测量电极、轴端屏蔽电极、绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线，其中所述阵列分布测量电极包括N个测量电极，N取值为8～16的整数；所述信号传输线由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成并且包括常温段部分和耐300℃的高温段部分；并且其中所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩相连，并经所述信号传输线的屏蔽丝网引出，再通过电容层析成像系统的信号采集设备的连接地线接地；所述绝缘隔离层将所述阵列分布测量电极及所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩隔离开，并固定整个传感器；所述信号传输线的高温段部分的缆芯的一端与所述阵列分布测量电极相连，并且另一端通过所述信号传输线的常温段部分连接所述电容层析成像系统的信号采集设备，所述信号采集设备采集的数据传送至计算机进行图像重建。在一个优选实施方案中，所述阵列分布测量电极由厚度为0.01mm～0.1mm的黄铜片制成。在一个优选实施方案中，所述阵列分布测量电极和所述轴端屏蔽电极用作为粘合剂的耐300℃高温的室温硫化有机硅橡胶固定在流化床绝缘管道的外壁上。在一个优选实施方案中，所述绝缘隔离层由耐300℃高温的玻璃丝布制成；在一个优选实施方案中，所述外屏蔽罩由厚度为0.4mm～0.6mm的黄铜片制成；在一个优选实施方案中，所述传感器固定安装于耐300℃高温的流化床绝缘管道的外壁，并且所述流化床绝缘管道由石英玻璃管或陶瓷管制成。在一个优选实施方案中，N为8、12或16。在一个优选实施方案中，所述阵列分布测量电极采用定位镂空整体套粘方式固定在绝缘管道的外壁上。在另一方面，本专利技术提供了一种制备上述传感器的方法，所述方法包括：采用腐蚀和镂空的方式用黄铜片制备阵列分布测量电极；采用定位镂空整体套粘方式将所述阵列分布测量电极粘贴在耐300℃高温的流化床绝缘管道的外壁上；采用传统的双屏蔽信号线制备信号传输线的常温段部分，并且采用云母玻璃丝绕包铜导线制备信号传输线的高温段部分，并且将所述信号传输线的高温段部分的缆芯的一端与所述阵列分布测量电极相连，另一端通过所述信号传输线的常温段部分连接电容层析成像系统的信号采集设备；采用高温焊锡焊接的方式进行所述测量电极、轴端屏蔽电极、耐高温绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线之间的连接；和用耐300℃高温的玻璃丝布绕包进行所述传感器的外屏蔽罩的固定和保护。本专利技术的有益效果包括但不限于：(a)改进了传统电容层析成像传感器不耐高温的缺陷；(b)通过选用合适的材料，优化制作工艺，解决了高温环境下电极布置难的问题；(c)能够将电极固定在绝缘管道外壁上，并用耐高温的绝缘材料将电极与外屏蔽罩隔离并固定；(d)通过高温段信号传输线将测量电极信号引出，一端与测量电极相连另一端与常温段信号传输线相接，最终通过常温段信号传输线连接信号采集设备，组成整套的电容层析成像系统，从而可以将其用于300℃温度范围的热态实验；(e)对于研究高温环境下的气固两相分布、流态化特性以及相关反应监测等提供了有效的检测手段，有效地拓展了电容层析成像技术的应用领域。附图说明图1为包括根据本专利技术的耐300℃高温电容层析成像传感器的电容层析成像系统的示意图；图2为根据本专利技术一个实施方案的耐高温电容层析成像传感器的立体结构示意图；图3为图2所示的耐高温电容层析成像传感器的B-B’剖视图；图4为图2所示的耐高温电容层析成像传感器的A-A’剖视图。附图标记说明：1绝缘管道2外屏蔽罩3耐高温绝缘隔离层4轴端屏蔽电极5耐高温阵列分布测量电极6信号传输线7电容层析成像传感器8电容层析成像系统的数据采集设备9电容层析成像系统的记录设备(计算机成像和显示设备)。具体实施方式针对高温流态化过程测量的必要性和局限性，本专利技术设计了一种应用于高温环境下的电容层析成像传感器，其可以在300℃温度范围内反应传感器测量区域内的多相介质的分布，并实现二维可视化。具体地，本专利技术提供一种应用于高温环境下的电容层析成像传感器，所述传感器包括耐300℃高温的阵列分布测量电极、轴端屏蔽电极、耐高温绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输电缆线；所述耐300℃高温阵列分布电极包括N个(8～16个)相同尺寸或大小的测量电极；所述信号传输线包括缆芯、绝缘层和屏蔽丝网并且具有耐300℃高温段和常温段两部分，其中，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于300℃高温环境下的电容层析成像传感器，所述传感器包括耐300℃高温的阵列分布测量电极、轴端屏蔽电极、绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线，其中所述阵列分布测量电极包括N个测量电极，其中N的取值为8～16的整数；所述信号传输线由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成并包括常温段部分和耐300℃的高温段部分；并且其中所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩相连，并经所述信号传输线的屏蔽丝网引出，再通过电容层析成像系统的信号采集设备的连接地线接地；所述绝缘隔离层将所述阵列分布测量电极及所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩隔离开，并固定整个传感器；所述信号传输线的高温段部分的缆芯的一端与所述阵列分布测量电极相连，并且另一端通过所述信号传输线的常温段部分连接所述电容层析成像系统的信号采集设备，所述信号采集设备将采集的数据传送至计算机进行图像重建。

【技术特征摘要】
1.一种应用于300℃高温环境下的电容层析成像传感器，所述传感器包括耐300℃高温的阵列分布测量电极、轴端屏蔽电极、绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线，其中所述阵列分布测量电极包括N个测量电极，其中N的取值为8～16的整数；所述信号传输线由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成并包括常温段部分和耐300℃的高温段部分；并且其中所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩相连，并经所述信号传输线的屏蔽丝网引出，再通过电容层析成像系统的信号采集设备的连接地线接地；所述绝缘隔离层将所述阵列分布测量电极及所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩隔离开，并固定整个传感器；所述信号传输线的高温段部分的缆芯的一端与所述阵列分布测量电极相连，并且另一端通过所述信号传输线的常温段部分连接所述电容层析成像系统的信号采集设备，所述信号采集设备将采集的数据传送至计算机进行图像重建。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述阵列分布测量电极由厚度为0.01mm～0.1mm的黄铜片制成。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述阵列分布测量电极和所述轴端屏蔽电极用作为粘合剂的耐300℃高温的室温硫化有机硅橡胶固定在流化床绝缘管道的外壁上。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述绝缘隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶茂，罗琴，孟霜鹤，张涛，刘中民，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21