專利名稱：電容層析成像電容測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及測量電變量，尤其涉及一種電容層析成像電容測量系統。
目前的電容層析成像系統的結構及其不足之處電容層析成像(ElectricalCapacitance Tomography，簡記ECT)技術是從80年代中期開始發展起來的一種多相流參數檢測技術。其工作原理如
圖1所示。它通過電容傳感獲得管截面上介質的介電常數分布而獲得介質分布的圖像。它主要由電容傳感器、電容數據采集系統和圖像重建微機部分組成。傳感器有均勻分布在絕緣管道外壁上的多個(一般為12)電極構成，這些電極間可形成電容(對于12電極，有66個獨立電容)，當管道內多相介質的空間分布發生變化時，這些電容也會發生變化；數據采集系統則將這些電容轉化為數字量并傳送給計算機；計算機則依據一定的圖像重建算法完成圖像重建工作。
在目前的系統中，傳感器內無檢測電路，檢測電極通過屏蔽電纜的芯線連接至電容數據采集系統，屏蔽電纜的屏蔽層接地。在這種測量系統中，由于屏蔽電纜的芯線與屏蔽層間會形成電容，當屏蔽電纜發生移動時，該電容會發生變化。該電容的變化量雖然很小，但相對于本系統的被測電容來講仍然是相當大的。該系統在現場應用時若該電纜的位置發生移動會導致較大的測量誤差。這使得該系統難以應用于實際的工業環境。此外，即使電纜的位置不發生移動，該電容的存在也會導致測量速度的降低。該電纜的存在是該系統難以工業實用化的主要障礙之一。
此外，適合應用于電容層析成像技術的電容測量方法主要有電荷轉移法和交流法兩種。這兩種電路從本質上講都是對電容進行連續的充放電，充放電形成的電流的大小代表了電容大小。而該充放電形成的電流是脈動的，因而必須加以濾波。而濾波器的時間常數大，則濾波效果好，但電容測量時間長。反之，電容測量時間短，但噪聲大。時間常數的選擇往往處于矛盾中。目前數據采集速度最快為100幅/秒。
本發明的目的是提供一種可抑制傳感器外部電纜移動對測量結果干擾、高速度、低噪聲的電容層析成像電容測量系統。
為了達到上述目的，本發明采取下列措施電容層析成像電容測量系統，它由電容傳感器、電容數據采集系統和圖像重建微機組成，電容傳感器包括絕緣管道，在絕緣管道外壁上均勻分布多個敏感電極，敏感電極外設有屏蔽罩，在屏蔽罩內壁與多個敏感電極間隔之間設有徑向電極，所說電容傳感器徑向電極上固定有長條數據采集電容/電壓轉換器電路板，并通過排線連接；長條數據采集電容/電壓轉換器電路板的電路為譯碼器的輸出連接控制激勵信號和電容/電壓轉換器，模塊地址由撥號開關設置，電容/電壓轉換器的輸出經譯碼器控制的電子開關送出。
本發明的優點是1)減小了引線與地間形成的電容。將電容/電壓轉換電路置于屏蔽罩下，大大縮短了引線的長度。此外引線采用非屏蔽線相當于增大了引線與地間的距離，可進一步減小引線與地間形成的電容，從而可提高測量精度。
2)外部引線的抗干擾能力大大增強。外部排線上傳遞的是通道控制信號以及代表電容測量結果的電壓信號，移動它不會對測量結果產生影響，從而使得系統的可靠性增強3)可以減小系統體積，并可簡化維修工作。將電容/電壓轉換電路置于屏蔽罩下，使得外部部分的電路大大簡化。此外由于各電容/電壓轉換電路相同，若某線路板損壞，則用后備板更換之即可；4)輸出電壓所須時間主要是對被測電容的充放電過程中運放的穩定時間，總共約10μS。速度遠高于電荷轉移法和交流法的電容測量電路。
5)電路中測量結束后電壓送出時，該電壓上并無原理性的噪聲，此時輸出不需要濾波器。而基于電荷轉移原理和交流法的電容測量電路中都存在原理性的噪聲，需要濾波器來濾波后才能進行后續的電壓測量工作。
下面結合附圖對本發明作詳細說明。
圖1是電容層析成像系統示意圖；圖2是電容數據采集傳感器結構示意圖；圖3是數據采集電容/電壓轉換器的方框電原理圖；圖4是數據采集電容/電壓轉換器的電原理圖；圖5是電容測量電路的時序示意圖。
圖2中，1徑向電極，2絕緣管道，3敏感電極，4屏蔽罩，5電容/電壓轉換電路模塊。該系統的改進之處在于將數據采集系統中的電容/電壓轉換電路板設計為長條形，它們置于傳感器的屏蔽罩下，固定在徑向電極上。每個電極對應的測量電路都固定在與它最近的徑向電極上。這些測量電路通過排線連接起來，并連接到傳感器外部的數據采集系統上。該排線上傳遞的是通道控制信號以及代表電容測量結果的電壓信號，該信號幅值較大，傳輸過程中無需屏蔽線。
圖3中由傳感器外部的測量板傳來的控制信號和由撥號開關設置的模塊地址連接到譯碼器，譯碼器的輸出連接到控制激勵信號源和電容/電壓轉換器，傳感電極連接到控制激勵信號源和電容電壓轉換器。電容/電壓轉換器的輸出經譯碼器控制的電子開關送出。
電極通過導線連接到固定在徑向電極上的電容/電壓轉換電路上。該引線上雖然傳遞的是較弱的信號，但由于它處于接地的屏蔽罩下，因而也無需屏蔽。
圖4中被測電容Cx一端接激勵信號源Vi一端接運放U1的反相輸入端。電容Cf與電子開關S1并聯后一端接運放U1的反相輸入端一端接該運放的輸出。運放U1的同相端接地。電容C1和C2的一端接地，另一端分別于電子開關S2、S3的一端相連后分別連至緩沖器U2、U3的輸入端。電子開關S2、S3的另一端與運放U1的輸出相連。緩沖器U2、U3的輸出分別連至儀表放大器U4的正和負輸入端，儀表放大器的輸出為測量電路的輸出。
Cx為被測電容，Cas、Cbs為電容的兩電極與地間形成的寄生電容。S1、S2、S3為電子開關。U1為高輸入電阻的運算放大器(如TL081)，U2、U3為運放構成的緩沖器，其輸入輸出放大倍數為1。U4為儀表放大器(如AD620)。Vi為激勵信號源，它只輸出高低兩個電平。U1、Cf、S1構成電荷放大器。S2、U2和S3、U3分別構成采樣保持器(S/H)。開始工作時，Vi為高電平，S1閉合，采樣保持器都處于跟隨狀態。由于S1閉合，U1輸出為0V。在t＝t1時刻，S1斷開，在理想情況下，U1輸出仍保持為0V不變，但由于電荷注入效應，Cf上存有電荷，使得U1的輸出V1降低(有的電子開關也可能使其升高)，設該電壓為VL。在t2時刻，U1輸出已穩定，并且V2已跟隨上了V1的變化，S3斷開，將電壓VL保持在U2的輸出端。隨后在t3時刻，激勵電壓降低，該電壓對被測電容充電，注入電荷量為Q＝ΔVi*Cx該電荷流經運放的虛地端后存儲在Cf上，此時U1的輸出為VH＝VL-Q/Cf該電壓在t4時刻被保持于V3端，則儀表放大器U4的輸出為V4＝VH-VL＝-ΔVi*Cx/Cf即，其輸出電壓與Cx成正比。
被測電容Cx的兩電極與地之間也會分別形成雜散電容Cas和Cbs，，檢測電路應能夠抑制它們的存在對測量結果的影響。電容Cas與激勵源Vi相連，它的存在不會影響通過被測電容的電流。Cbs的兩端處于虛短路狀態。其存在也不會對輸出產生影響。
權利要求
1.一種電容層析成像電容測量系統，它由電容傳感器、電容數據采集系統組成，電容傳感器包括絕緣管道[2]，在絕緣管道外壁上均勻分布多個敏感電極[3]，敏感電極外設有屏蔽罩[4]，在屏蔽罩內壁與多個敏感電極間隔之間設有徑向電極[1]，其特征在于所說電容傳感器徑向電極上固定有長條數據采集電容/電壓轉換器電路板[5]，并通過排線連接；長條數據采集電容/電壓轉換器電路板[5]的電路為由傳感器外部的測量板傳來的控制信號和由撥號開關設置的模塊地址連接到譯碼器，譯碼器的輸出連接到控制激勵信號源和電容/電壓轉換器，傳感電極連接到控制激勵信號源和電容電壓轉換器。電容/電壓轉換器的輸出經譯碼器控制的電子開關送出。
2.根據權利要求1所述的一種電容層析成像電容測量系統，其特征在于所說的長條數據采集電容/電壓轉換器電路板[5]的具體電路為被測電容Cx一端接激勵信號源Vi一端接運放U1的反相輸入端。電容Cf與電子開關S1并聯后一端接運放U1的反相輸入端一端接該運放的輸出。運放U1的同相端接地。電容C1和C2的一端接地，另一端分別于電子開關S2、S3的一端相連后分別連至緩沖器U2、U3的輸入端。電子開關S2、S3的另一端與運放U1的輸出相連。緩沖器U2、U3的輸出分別連至儀表放大器U4的正和負輸入端，儀表放大器的輸出為測量電路的輸出。
全文摘要
本發明公開了一種電容層析成像電容測量系統。它由電容傳感器、電容數據采集系統組成。電容傳感器徑向電極上固定有長條形數據采集電容/電壓轉換器電路板,電路為:譯碼器的輸出連接控制激勵信號和電容/電壓轉換器,電容/電壓轉換器的輸出經譯碼器控制的電子開關送出。本發明減小了引線與地間形成的電容。提高測量精度。外部引線的抗干擾能力增強。使得系統的可靠性增強;電容測量速度高,輸出信號中無原理性噪聲。
文檔編號G01N27/22GK1378080SQ0111251
公開日2002年11月6日 申請日期2001年3月29日 優先權日2001年3月29日
發明者王保良, 黃志堯, 李海青 申請人:浙江大學