具有內(nèi)置導(dǎo)體環(huán)的電阻層析成像傳感器的制造方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種過程成像裝置，特別是一種具有內(nèi)置導(dǎo)體環(huán)的電阻層析成像傳感器。
[0002]【背景技術(shù)】電學(xué)層析成像(Electrical Tomography，簡稱ET)技術(shù)，是近年來迅速發(fā)展起來的一種檢測技術(shù)，是國內(nèi)國際競相研發(fā)的熱點(diǎn)技術(shù)之一，其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、實(shí)時(shí)性高、無核輻射等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT)技術(shù)就是應(yīng)用十分廣泛的電學(xué)層析成像技術(shù)之一，它適用于被測場域內(nèi)為連續(xù)相導(dǎo)體的檢測，在地質(zhì)勘探、工業(yè)過程與環(huán)境監(jiān)測等方面有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的ERT傳感器通常將陣列電極(多為8，12，16個(gè))環(huán)繞固定在被測場域邊界，通過在特定電極上施加電流激勵(lì)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(jīng)計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)電壓測量值與被測場域內(nèi)介質(zhì)分布之間的關(guān)系，運(yùn)用一定的算法進(jìn)行圖像的重建，得到被測場域內(nèi)介質(zhì)分布圖像。然而ERT技術(shù)采用的是電學(xué)傳感器，即軟場傳感器，在被測場域內(nèi)形成的電場是不均勻的，它的敏感場分布對于場域內(nèi)被測對象的特性分布變化十分敏感，這就使得ERT技術(shù)的敏感場易變而且分布不均勻。主要表現(xiàn)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(dá)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(yīng)，使得圖像重建時(shí)求解逆問題存在嚴(yán)重的病態(tài)性，從而影響求解算法的快速性及準(zhǔn)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(nèi)外的諸多學(xué)者致力于成像算法的研究，旨在更準(zhǔn)確的重現(xiàn)被測場域內(nèi)的介質(zhì)分布，改善成像系統(tǒng)的空間分布率，雖然算法的不斷改進(jìn)對提高成像系統(tǒng)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(tǒng)傳感器，并未從根源上改變軟場效應(yīng)，其效果是有限的。還有學(xué)者提出增加電極數(shù)目，使場域內(nèi)的等位區(qū)細(xì)化，采用多層傳感器，以及優(yōu)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(jī)械加工精度方面的問題，以及理論上的局限性，當(dāng)電極數(shù)目增加到一定數(shù)量后，圖像的質(zhì)量很難進(jìn)一步提高。也有學(xué)者提出增設(shè)被測場域內(nèi)部電極的方法，例如申請?zhí)枮镃N201110319799.7的“用于絕緣管道內(nèi)流體過程參數(shù)檢測的內(nèi)外復(fù)合式陣列傳感器”，以改善靈敏場的不均勻性，進(jìn)而提高被測場域內(nèi)的空間分辨率，得到了很好的效果，但內(nèi)部電極在被測場域內(nèi)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(nèi)各個(gè)區(qū)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(nèi)物質(zhì)的分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種可以提高被測場域內(nèi)電場的均勻性的電阻層析成像傳感器。本發(fā)明利用內(nèi)置的具有較強(qiáng)導(dǎo)電性的導(dǎo)體環(huán)，使等勢線更加平直，提高靈敏場的均勻性，大大改善場域內(nèi)中心區(qū)域的空間分辨率，同時(shí)減弱圖像重建時(shí)求解逆問題的病態(tài)性，進(jìn)一步提高重建圖像的分辨率。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種具有內(nèi)置導(dǎo)體環(huán)的電阻層析成像傳感器，被測場域?yàn)楣艿纼?nèi)部，所述的電阻層析成像傳感器包括均勻排布在管道內(nèi)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(nèi)部導(dǎo)體環(huán)上，并與內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)處在同一橫截面，內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)的導(dǎo)電性強(qiáng)于管道內(nèi)部的介質(zhì)，同時(shí)弱于外部電極。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:與傳統(tǒng)的基于電學(xué)敏感場的ERT傳感器相比，本發(fā)明通過在絕緣管道內(nèi)壁即被測場域邊緣嵌入一強(qiáng)導(dǎo)電性的導(dǎo)體環(huán)，使被測場域內(nèi)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(nèi)部尤其是中心區(qū)域的靈敏度，同時(shí)改善逆問題求解時(shí)的病態(tài)性，提高成像系統(tǒng)的空間分辨率。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明的具有內(nèi)置導(dǎo)體環(huán)的ERT傳感器俯視圖；
[0009]圖2為本發(fā)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(qū)域的局部放大圖；
[0012]圖5為導(dǎo)體環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖6采用傳統(tǒng)ERT傳感器(沒有導(dǎo)體環(huán))被測場域內(nèi)等勢線仿真圖；
[0014]圖7本發(fā)明的傳感器被測場域內(nèi)等勢線仿真圖；
[0015]圖中標(biāo)號說明:
[0016]1、絕緣管道
[0017]2、外部電極
[0018]3、導(dǎo)體環(huán)
[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(shí)施方式】
[0024]結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的具有內(nèi)置導(dǎo)體環(huán)的電阻層析成像傳感器結(jié)構(gòu)加以說明，本說明呈現(xiàn)的并非是可被制造或利用的唯一形式，對其他可實(shí)現(xiàn)相同功能的實(shí)施例也應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0025]本發(fā)明的具有內(nèi)置導(dǎo)體環(huán)的電阻層析成像傳感器，由外部電極陣列和內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)組成。如圖1、圖3所示的實(shí)施例，外部電極陣列由16個(gè)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(nèi)部導(dǎo)體環(huán)，并安裝在絕緣管道I的內(nèi)壁上，內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)為一環(huán)狀導(dǎo)體，按照圖3所示嵌在絕緣管道壁內(nèi)部。本實(shí)施例中所述的外部電極2，其形狀為矩形；其材料為電化學(xué)特性穩(wěn)定的導(dǎo)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(nèi)壁上，通過焊接在其背向絕緣管道內(nèi)部一側(cè)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(shí)例中所述的內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)3，其形狀為圓環(huán)形，應(yīng)具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性能，為保證其相對于被測場域內(nèi)介質(zhì)的強(qiáng)導(dǎo)電性，也應(yīng)采用電化學(xué)特性穩(wěn)定的導(dǎo)體材料制作，內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)的導(dǎo)電性應(yīng)當(dāng)強(qiáng)于管道內(nèi)部的介質(zhì)，同時(shí)弱于外部電極，按照如圖3所示的方式，嵌在絕緣管道內(nèi)壁，并與外部電極陣列處在同一截面。
[0027]本實(shí)例以用于工業(yè)上的絕緣管道內(nèi)部多相流體參數(shù)的檢測裝置為例，本實(shí)施例中所述的絕緣管道I的內(nèi)徑為150_，外部電極2的數(shù)目經(jīng)優(yōu)化選取后設(shè)定為16個(gè)，每個(gè)電極長寬尺寸被設(shè)置為30mm X 20mm，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)整。內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)的外圓直徑需根據(jù)絕緣管道的內(nèi)徑確定，本實(shí)例中導(dǎo)電環(huán)外圓直徑為150_，因?yàn)閷?dǎo)電環(huán)的環(huán)寬不必太大，內(nèi)圓直徑為140mm，導(dǎo)體環(huán)的厚度應(yīng)與長方形電極的長相同，設(shè)為30mm，如圖2所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)脑黾踊驕p少外部電極的數(shù)目，電極尺寸也可以根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)整，根據(jù)絕緣管道的內(nèi)徑大小適當(dāng)增大或減小導(dǎo)電環(huán)的內(nèi)外徑。例如:絕緣管道直徑為50mm時(shí)，外部電極2的長寬尺寸可調(diào)整為1mmX 5mm，導(dǎo)體環(huán)的環(huán)寬可調(diào)整為3mm。由于本發(fā)明中采用了內(nèi)置的導(dǎo)體環(huán)設(shè)計(jì)，會對被測場域內(nèi)造成一定的干擾，若考慮減小擾動，可根據(jù)具體情況減小導(dǎo)體環(huán)的環(huán)寬。
[0028]仿真圖6采用傳統(tǒng)ERT傳感器(沒有導(dǎo)體環(huán))，僅有16個(gè)電極均勻分布在場域圓周，電極的電導(dǎo)率設(shè)置為5.99e7s/m，場域內(nèi)電導(dǎo)率設(shè)置為l.0s/m，加入激勵(lì)電流后，場域等勢線分布如圖6所示。仿真圖7采用本發(fā)明的ERT傳感器，電極及場域內(nèi)電導(dǎo)率設(shè)置同上，導(dǎo)電環(huán)電導(dǎo)率設(shè)置為5.0e4s/m，加入相同的電流激勵(lì)，場域內(nèi)等勢線分布如圖7所示，明顯可見，加入導(dǎo)電環(huán)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(shí)際測量中，外部電極陣列的每個(gè)電極均可以用作電流輸入、接地或電壓測量，測量到的數(shù)據(jù)可以用于重構(gòu)絕緣管道內(nèi)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(jié)合相關(guān)測速、多傳感器數(shù)據(jù)融合等信息處理方法，直接得到關(guān)于絕緣管道內(nèi)部被測流體的過程參數(shù)。
[0030]與傳統(tǒng)的ERT傳感器相比，該傳感器具有以下優(yōu)勢:首先，在激勵(lì)電流相同的條件下，本發(fā)明的傳感器通過分布于被測場域邊緣的，比場域內(nèi)介質(zhì)導(dǎo)電性強(qiáng)的導(dǎo)體環(huán)，改善了場域內(nèi)電場的不均勻性，提高了敏感場的均勻度，改善了電學(xué)敏感場的軟場特性，有利于提高測量系統(tǒng)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(shí)求解逆問題時(shí)的病態(tài)性，提高圖像重建算法的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高檢測精度;最后，由于導(dǎo)體環(huán)的加入，在激勵(lì)電流相同的條件下，使得場域內(nèi)電壓變化更快，等勢線更平直，減小場域內(nèi)不同電導(dǎo)率的物質(zhì)分布對場域內(nèi)電壓的影響。
[0031]本發(fā)明的具有內(nèi)置導(dǎo)體環(huán)的ERT傳感器，其應(yīng)用場合較為廣泛，可以用于工業(yè)過程的檢測，例如絕緣管道內(nèi)部多相流過程參數(shù)測量，也可以用于結(jié)晶過程、地質(zhì)勘探、環(huán)境檢測等。
[0032]以上示意性的對本發(fā)明及其實(shí)施方式進(jìn)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(fā)明的實(shí)施方案之一，如有本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與本發(fā)明相類似的結(jié)構(gòu)形式或?qū)嵤├?，均?yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有內(nèi)置導(dǎo)體環(huán)的電阻層析成像傳感器，被測場域?yàn)楣艿纼?nèi)部，所述的電阻層析成像傳感器包括均勻排布在管道內(nèi)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(nèi)部導(dǎo)體環(huán)上，并與內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)處在同一橫截面，內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)的導(dǎo)電性強(qiáng)于管道內(nèi)部的介質(zhì)，同時(shí)弱于外部電極。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有內(nèi)置導(dǎo)體環(huán)的電阻層析成像傳感器，被測場域?yàn)楣艿纼?nèi)部，所述的電阻層析成像傳感器包括均勻排布在管道內(nèi)壁的外部電極陣列，外部電極陣列固定附著在內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)上，并與內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)處在同一橫截面，內(nèi)部導(dǎo)體環(huán)的導(dǎo)電性強(qiáng)于管道內(nèi)部的介質(zhì)。本發(fā)明使被測場域內(nèi)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(nèi)部尤其是中心區(qū)域的靈敏度。
【IPC分類】G01N27/06, G01V3/00, G01N27/04
【公開號】CN105675658
【申請?zhí)枴緾N201610019096
【發(fā)明人】岳士弘, 王亞茹
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月13日