具有內置導體環的電阻層析成像傳感器的制造方法
【專利說明】
[0001]技術領域本發明涉及一種過程成像裝置，特別是一種具有內置導體環的電阻層析成像傳感器。
[0002]【背景技術】電學層析成像(Electrical Tomography，簡稱ET)技術，是近年來迅速發展起來的一種檢測技術，是國內國際競相研發的熱點技術之一，其具有結構簡單、成本低廉、實時性高、無核輻射等優點，在工業生產和醫學監護等領域中得到了廣泛的研究和應用。電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT)技術就是應用十分廣泛的電學層析成像技術之一，它適用于被測場域內為連續相導體的檢測，在地質勘探、工業過程與環境監測等方面有著廣泛的應用。傳統的ERT傳感器通常將陣列電極(多為8，12，16個)環繞固定在被測場域邊界，通過在特定電極上施加電流激勵信號，測量其他電極上的電壓信號，獲取一系列的電壓測量值，然后經計算機對數據進行處理，根據電壓測量值與被測場域內介質分布之間的關系，運用一定的算法進行圖像的重建，得到被測場域內介質分布圖像。然而ERT技術采用的是電學傳感器，即軟場傳感器，在被測場域內形成的電場是不均勻的，它的敏感場分布對于場域內被測對象的特性分布變化十分敏感，這就使得ERT技術的敏感場易變而且分布不均勻。主要表現在:越靠近被測場域中心，敏感度越小，并在被測場域中心部位達到最小值。因此ERT成像的空間分辨率相對較低。另外，由于軟場效應，使得圖像重建時求解逆問題存在嚴重的病態性，從而影響求解算法的快速性及準確性。
[0003 ]為了解決上述問題，研究人員提出一些解決方法:
[0004]國內外的諸多學者致力于成像算法的研究，旨在更準確的重現被測場域內的介質分布，改善成像系統的空間分布率，雖然算法的不斷改進對提高成像系統的空間分辨率起到了一定的作用，但由于依然采用的是傳統傳感器，并未從根源上改變軟場效應，其效果是有限的。還有學者提出增加電極數目，使場域內的等位區細化，采用多層傳感器，以及優化傳感器幾何尺寸等方式，旨在獲取被測場域在邊界上的更多投影，這些方法得到了一定的效果，但會帶來機械加工精度方面的問題，以及理論上的局限性，當電極數目增加到一定數量后，圖像的質量很難進一步提高。也有學者提出增設被測場域內部電極的方法，例如申請號為CN201110319799.7的“用于絕緣管道內流體過程參數檢測的內外復合式陣列傳感器”，以改善靈敏場的不均勻性，進而提高被測場域內的空間分辨率，得到了很好的效果，但內部電極在被測場域內的分布位置集中且固定，一般分布在被測場域的中心部位。這種位置上限制，不能很好的改善被測場域內各個區域的空間分辨率，而且會對被測場域形成很大的干擾，影響場域內物質的分布。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對上述現有技術的不足，提出了一種可以提高被測場域內電場的均勻性的電阻層析成像傳感器。本發明利用內置的具有較強導電性的導體環，使等勢線更加平直，提高靈敏場的均勻性，大大改善場域內中心區域的空間分辨率，同時減弱圖像重建時求解逆問題的病態性，進一步提高重建圖像的分辨率。本發明的技術方案如下:
[0006]—種具有內置導體環的電阻層析成像傳感器，被測場域為管道內部，所述的電阻層析成像傳感器包括均勻排布在管道內壁的外部電極陣列，管道為絕緣管道，外部電極陣列固定附著在內部導體環上，并與內部導體環處在同一橫截面，內部導體環的導電性強于管道內部的介質，同時弱于外部電極。
[0007]本發明的有益效果是:與傳統的基于電學敏感場的ERT傳感器相比，本發明通過在絕緣管道內壁即被測場域邊緣嵌入一強導電性的導體環，使被測場域內電場更加均勻，從而從根源上改善靈敏場分布的不均勻性，提高場域內部尤其是中心區域的靈敏度，同時改善逆問題求解時的病態性，提高成像系統的空間分辨率。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明的具有內置導體環的ERT傳感器俯視圖；
[0009]圖2為本發明的傳感器縱向剖面視圖；
[0010]圖3為圖2的A-A向剖面視圖；
[0011]圖4為圖2的B區域的局部放大圖；
[0012]圖5為導體環結構示意圖；
[0013]圖6采用傳統ERT傳感器(沒有導體環)被測場域內等勢線仿真圖；
[0014]圖7本發明的傳感器被測場域內等勢線仿真圖；
[0015]圖中標號說明:
[0016]1、絕緣管道
[0017]2、外部電極
[0018]3、導體環
[0019]4、外部電極密封圈
[0020]5、外部電極墊圈
[0021]6、外部電極螺母
[0022]7、外部電極接線柱
[0023]8、外部電極引線
【具體實施方式】
[0024]結合附圖及實施例對本發明的具有內置導體環的電阻層析成像傳感器結構加以說明，本說明呈現的并非是可被制造或利用的唯一形式，對其他可實現相同功能的實施例也應包括在本發明的范圍內。
[0025]本發明的具有內置導體環的電阻層析成像傳感器，由外部電極陣列和內部導體環組成。如圖1、圖3所示的實施例，外部電極陣列由16個外部電極2組成，外部電極2按照圖3所示的圓周均布的方式附著于內部導體環，并安裝在絕緣管道I的內壁上，內部導體環為一環狀導體，按照圖3所示嵌在絕緣管道壁內部。本實施例中所述的外部電極2，其形狀為矩形；其材料為電化學特性穩定的導體材料制作，可以選用鈦合金、不銹鋼、氯化銀等，按照圖4所示的方式，由外部電極密封圈4、外部電極墊圈5以及外部電極螺母6安裝在絕緣管道I的內壁上，通過焊接在其背向絕緣管道內部一側的外電極接線柱7和外電極引線8與信號采集電路相連。
[0026]本實例中所述的內部導體環3，其形狀為圓環形，應具有較強的導電性能，為保證其相對于被測場域內介質的強導電性，也應采用電化學特性穩定的導體材料制作，內部導體環的導電性應當強于管道內部的介質，同時弱于外部電極，按照如圖3所示的方式，嵌在絕緣管道內壁，并與外部電極陣列處在同一截面。
[0027]本實例以用于工業上的絕緣管道內部多相流體參數的檢測裝置為例，本實施例中所述的絕緣管道I的內徑為150_，外部電極2的數目經優化選取后設定為16個，每個電極長寬尺寸被設置為30mm X 20mm，在實際應用中，可以根據具體情況適當調整。內部導體環的外圓直徑需根據絕緣管道的內徑確定，本實例中導電環外圓直徑為150_，因為導電環的環寬不必太大，內圓直徑為140mm，導體環的厚度應與長方形電極的長相同，設為30mm，如圖2所示。在實際應用中，可以根據實際情況適當的增加或減少外部電極的數目，電極尺寸也可以根據具體情況適當調整，根據絕緣管道的內徑大小適當增大或減小導電環的內外徑。例如:絕緣管道直徑為50mm時，外部電極2的長寬尺寸可調整為1mmX 5mm，導體環的環寬可調整為3mm。由于本發明中采用了內置的導體環設計，會對被測場域內造成一定的干擾，若考慮減小擾動，可根據具體情況減小導體環的環寬。
[0028]仿真圖6采用傳統ERT傳感器(沒有導體環)，僅有16個電極均勻分布在場域圓周，電極的電導率設置為5.99e7s/m，場域內電導率設置為l.0s/m，加入激勵電流后，場域等勢線分布如圖6所示。仿真圖7采用本發明的ERT傳感器，電極及場域內電導率設置同上，導電環電導率設置為5.0e4s/m，加入相同的電流激勵，場域內等勢線分布如圖7所示，明顯可見，加入導電環后的等勢線分布更加密集，更加平直，提高了電場均勻性。
[0029]在實際測量中，外部電極陣列的每個電極均可以用作電流輸入、接地或電壓測量，測量到的數據可以用于重構絕緣管道內部測量截面處的電阻率分布信息;也可以作為分布式傳感器陣列，結合相關測速、多傳感器數據融合等信息處理方法，直接得到關于絕緣管道內部被測流體的過程參數。
[0030]與傳統的ERT傳感器相比，該傳感器具有以下優勢:首先，在激勵電流相同的條件下，本發明的傳感器通過分布于被測場域邊緣的，比場域內介質導電性強的導體環，改善了場域內電場的不均勻性，提高了敏感場的均勻度，改善了電學敏感場的軟場特性，有利于提高測量系統的空間分辨率;其次，由于敏感場的均勻度提高，有效改善了圖像重建時求解逆問題時的病態性，提高圖像重建算法的準確性，進而提高檢測精度;最后，由于導體環的加入，在激勵電流相同的條件下，使得場域內電壓變化更快，等勢線更平直，減小場域內不同電導率的物質分布對場域內電壓的影響。
[0031]本發明的具有內置導體環的ERT傳感器，其應用場合較為廣泛，可以用于工業過程的檢測，例如絕緣管道內部多相流過程參數測量，也可以用于結晶過程、地質勘探、環境檢測等。
[0032]以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，并不局限于此，附圖中所示的也只是本發明的實施方案之一，如有本領域的普通技術人員在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與本發明相類似的結構形式或實施例，均應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種具有內置導體環的電阻層析成像傳感器，被測場域為管道內部，所述的電阻層析成像傳感器包括均勻排布在管道內壁的外部電極陣列，其特征在于，管道為絕緣管道，夕卜部電極陣列固定附著在內部導體環上，并與內部導體環處在同一橫截面，內部導體環的導電性強于管道內部的介質，同時弱于外部電極。
【專利摘要】本發明涉及一種具有內置導體環的電阻層析成像傳感器，被測場域為管道內部，所述的電阻層析成像傳感器包括均勻排布在管道內壁的外部電極陣列，外部電極陣列固定附著在內部導體環上，并與內部導體環處在同一橫截面，內部導體環的導電性強于管道內部的介質。本發明使被測場域內電場更加均勻，從而從根源上改善靈敏場分布的不均勻性，提高場域內部尤其是中心區域的靈敏度。
【IPC分類】G01N27/06, G01V3/00, G01N27/04
【公開號】CN105675658
【申請號】CN201610019096
【發明人】岳士弘, 王亞茹
【申請人】天津大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月13日