專利名稱：基于電容傳感器的過程層析成像裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及成像裝置，尤其涉及基于電容傳感器的過程層析成像裝置。
在工業生產及科學實驗中，廣泛存在著多相流動現象。在多相流動體系中，存在著許多空間分布參數，如油/氣兩相混相輸送過程中的各相介質的空間分布、流體流動中的速度場等。在參數檢測手段落后的時期，人們僅僅可檢測到一個時間或空間上的平均參數，并用這一個值來描述過程對象的對應參數。這使得許多工業設備的設計和運行往往假設對象參數在時間和空間上是均勻分布的。在某些情況下，借助于某些先進的儀器可以獲得微觀上某點的數據(如瞬時溫度、速度、組分等)，但設備投資巨大，從經濟角度來講是不合理的。過程層析成象技術就是在這種背景下產生的。該技術的出現提供了一種低成本、非侵入的參數檢測手段，目前的研究已顯示出該技術在解決多相流參數測量問題中的巨大潛力。電容層析成象(Electrical capacitance tomography，簡記ECT)技術是利用多相介質往往具有不同的介電常數，通過電容傳感測量獲得介電常數分布而獲得介質分布的圖象。一個12電極的典型ECT系統如
圖1所不。
該系統主要由電容傳感器、電容數據采集系統和微型計算機三大部分組成。電容傳感器主要由絕緣管道、管道外壁上均勻粘貼的電極和屏蔽電極三部分組成。傳感器將兩相流體的分布轉化為傳感器的輸出電容；數據采集系統則測量這些電容并轉化為數字量并傳送給計算機；微型計算機則依據一定的圖象重建算法完成圖象重建工作。
從80年代中期開始，以英國的曼徹斯特大學理工學院(University ofManchester Institute of Science and Technology，簡記UMIST)M.S.Beck教授為首的一個研究小組開始了一項應用8電極陣列式電容傳感器對油氣兩相流和氣固兩相流進行成象的研究計劃。1988年，他們研制成功了8電極電容層析成象系統(Huang，1989；Xie，1989a)，并于1990年進一步改進成為12電極的電容層析成像系統。該系統采用了基于電荷轉移原理的電容數據采集系統，并配備了Transputer陣列式處理器來對數據進行并行處理以提高系統的實時性。并且在流體實驗裝置上對油氣兩相流進行了成象實驗(Xie，1992b)。同時，美國能源部摩根城研究中心設計了16電極電容層析成象系統用于研究流化床中的空隙率分布(Fasching，1991；Halow，1992)。
本實用新型的目的是提供一種基于電容傳感器的過程層析成像裝置。
為了達到上述目的本實用新型采取下列措施一種基于電容傳感器的過程層析成像裝置，它包括傳感器的電極引線與電容數據采集系統的輸入端相連，電容數據采集系統的通訊端口與微型計算機的通訊端口相連，其特征在于所說的電容數據采集系統為模塊1～模塊3的輸入端接至單片機的控制輸出端，模塊1～模塊3的輸出接至儀表放大器的輸入端，數/模轉換器的輸入端接至單片機的輸出控制端，儀表放大器的輸出端與數/模轉換器的輸出端相減后連接至增益可編程放大器的輸入端，增益可編程放大器的輸出端與數模轉換器的模擬量輸入端相連接，數模轉換器的輸入和輸出端與單片機相連，單片機的串口與通訊模塊相連；所說的電容測量模塊為譯碼器接受單片機發送的控制信號并將它們轉換成多個相應C/V轉換器的控制信號，C/V轉換器將傳感器上檢測電極之間的電容轉換成電壓，電子開關在譯碼器的控制下將所需電壓信號送出；所說的C/V轉換器為被測電容兩電極分別與四個電子開關相連，其中兩電子開關分別與兩電容、電阻和運算放大器構成的電流檢測電路相連。
本實用新型的優點1.電容測量電路的模塊化電路中12電極的激勵/檢測系統電路規模較大，是系統的線路板中的主要部分。本系統中將電極激勵與檢測系統以4路為一組，設計成系統擴展板的形式，該擴展板接收主板上的控制信號(如決定檢測/激勵狀態、電壓輸出通道選擇等)，并在主板的控制之下將相應的信號輸出到主板上去。采用該方案主要有如下特點1)減小系統體積。由于電極/激勵檢測系統電路規模大，若將該部分與主板合為一體必然導致電路板尺寸較大，儀表體積無法壓縮。
2)提高可維修性。由于擴展板部分要通過連線與儀表外部的傳感器部分相連，是系統中容易損壞的部分。本系統中采用擴展板結構，若某擴展板損壞，則用后備板更換之即可(擴展板之間是完全相同的)。
3)電極數目可容易地增減。模塊化結構使得電極數目減時只須調整擴展板數量即可。2.傳感器與測量系統的一體化結構由于本系統采用了模塊化結構，壓縮了線路板的面積，使得本儀表體積較小(18cm×11cm×13cm)，這使得數據采集系統可與傳感器采用一體化結構。這樣一方面縮短了電極與電容測量系統的連線長度，從而可減少雜散電容，另一方面一體化結構使得由于電極電纜移動對電容測量產生的影響減少到最小。3.數據采集系統微機化目前國內外研制的系統中數據采集系統的所有控制信號完全由PC機來控制實現。由于采集一幀圖象所需電容時電子線路的動作很多，因而需要大量的數據傳輸。UMIST設計的系統為此采用了光纖來傳輸信號，成本較高。其它的一些系統中采用了并行接口卡來實現控制信號的實現，但這種系統要求微機必須在距傳感器很近的地方，無法實現信號的遠距離傳輸，因而對于控制室距現場較遠的場所不能適用。本系統中采用了單片機，PC機只須發出有關的數據采集命令，具體的數據采集過程由單片機完成。數據采集系統與PC機的通訊內容主要是電容測量結果，因而可在較低通訊速度下實現較高的數據采集速度。4.通訊系統的模塊化數據采集通訊電路采用了模塊化結構，根據使用中通訊距離的不同更換相應的模塊即可滿足要求。
以下結合附圖作詳細說明圖1是基于電容傳感器的過程層析成像裝置方框圖；圖2是電容數據采集系統方框圖；圖3是電容測量模塊方框圖；圖4是傳感器徑向剖視圖；圖5是C/V轉換器電路原理圖；圖6是C/V轉換器電荷轉移時序圖。
基于電容傳感器的過程層析成像裝置的傳感器具有絕緣管道[1]，在絕緣管道外對稱同心設有多個檢測電極[3]和屏蔽罩[4]在屏蔽罩上設有徑向電極[2]，徑向電極端部位于兩檢測電極間隙處，每個檢測電極通過引線與電容數據采集系統中的電路相連。所說的電容測量模塊為譯碼器接受單片機發送的控制信號并將它們轉換成多個相應有C/V轉換器的控制信號，C/V轉換器將傳感器上檢測電極之間的電容轉換成電壓，電子開關在譯碼器的控制下將所需電壓信號送出。所說的C/V轉換器為被測電容CX兩電極分別與電子開關S1、S2和S3、S4相連，電子開關S3、S4與電容Cin、Cf電阻Rf和運算放大器構成的電流檢測電路[5]、[6]相連。
通訊模塊收發單片機串行口的信號，將它的信號轉換成遠傳信號或將收到的信號轉換為串行口可接受的信號。為適應不同現場對數據傳輸速度和距離的需要，該儀表以RS232、RS422和光纖來滿足不同傳輸速度和距離的需要。RS232適合于近距離，低速通訊，它只占用PC機的一個串口；RS422的通訊距離遠，速度快，它要求PC機要配有RS232/RS485轉換器；光纖適合較長距離，高速通訊，它要求PC機要配有光纖通訊接口卡。采用不同通訊接口時只須更換儀表內的通訊模塊，其余部分無須改動。
PC機與單片機間的通訊以幀應答的方式實現。數據采集系統實現的可接受命令有設定平衡電壓、設定PGA增益、設定儀表配置數據、讀指定電極3間的電容值、讀平衡電壓、讀PGA增益、讀儀表配置數據、讀電荷注入效應值、讀單幀電容值、進入連續電容測量狀態、進入單幀電容測量狀態、自檢(檢查儀表配置數據是否出錯)，儀表復位(單片機復位)、讀版本信息、讀設計者信息、寫指定的單片機內部寄存器、讀指定的單片機內部寄存器。
權利要求1.一種基于電容傳感器的過程層析成像裝置，它包括傳感器的電極引線與電容數據采集系統的輸入端相連，電容數據采集系統的通訊端口與微型計算機的通訊端口相連，其特征在于所說的電容數據采集系統為模塊1～模塊3的輸入端接至單片機的控制輸出端，模塊1～模塊3的輸出接至儀表放大器的輸入端，數/模轉換器的輸入端接至單片機的輸出控制端，儀表放大器的輸出端與數/模轉換器的輸出端相減后連接至增益可編程放大器的輸入端，增益可編程放大器的輸出端與數模轉換器的模擬量輸入端相連接，數模轉換器的輸入和輸出端與單片機相連，單片機的串口與通訊模塊相連；所說的電容測量模塊為譯碼器接受單片機發送的控制信號并將它們轉換成多個相應C/V轉換器的控制信號，C/V轉換器將傳感器上檢測電極之間的電容轉換成電壓，電子開關在譯碼器的控制下將所需電壓信號送出；所說的C/V轉換器為被測電容CX兩電極分別與電子開關S1、S2和S3、S4相連，電子開關S3、S4分別與電容Cin、Cf電阻Rf和運算放大器構成的電流檢測電路[5]、[6]相連。
2.根據權利要求1所述的一種基于電容傳感器的過程層析成像裝置，其特征在于所說的傳感器具有絕緣管道[1]，在絕緣管道外對稱同心設有多個檢測電極[3]和屏蔽罩[4]，在屏蔽罩上設有徑向電極[2]，徑向電極端部位于兩檢測電極間隙處，每個檢測電極通過引線與電容數據采集系統中的電路相連。
專利摘要本實用新型公開了一種基于電容傳感器的過程層析成像裝置,它包括電容傳感器的電極引線與電容數據采集系統的輸入端相連,電容數據采集系統的通訊端口與微型計算機的通訊端口相連;傳感器將兩相流體的分布轉化為輸出電容,電容數據采集系統則測量這些電容并轉化為數字量再轉送給微機,微機依據一定的圖象重建算法完成圖象重建工作。本實用新型實現電容測量電路模塊化,傳感器與測量系統的一體化,數據采集系統的微機化,通訊系統的模塊化。
文檔編號G01N27/22GK2411482SQ9920950
公開日2000年12月20日 申請日期1999年4月23日 優先權日1999年4月23日
發明者王保良, 黃志堯, 陳珙, 李海青 申請人:浙江大學