具有内置导体环的电阻层析成像传感器的制造方法
【专利说明】
[0001]技术领域本发明涉及一种过程成像装置，特别是一种具有内置导体环的电阻层析成像传感器。
[0002]【背景技术】电学层析成像(Electrical Tomography，简称ET)技术，是近年来迅速发展起来的一种检测技术，是国内国际竞相研发的热点技术之一，其具有结构简单、成本低廉、实时性高、无核辐射等优点，在工业生产和医学监护等领域中得到了广泛的研究和应用。电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography，简称ERT)技术就是应用十分广泛的电学层析成像技术之一，它适用于被测场域内为连续相导体的检测，在地质勘探、工业过程与环境监测等方面有着广泛的应用。传统的ERT传感器通常将阵列电极(多为8，12，16个)环绕固定在被测场域边界，通过在特定电极上施加电流激励信号，测量其他电极上的电压信号，获取一系列的电压测量值，然后经计算机对数据进行处理，根据电压测量值与被测场域内介质分布之间的关系，运用一定的算法进行图像的重建，得到被测场域内介质分布图像。然而ERT技术采用的是电学传感器，即软场传感器，在被测场域内形成的电场是不均匀的，它的敏感场分布对于场域内被测对象的特性分布变化十分敏感，这就使得ERT技术的敏感场易变而且分布不均匀。主要表现在:越靠近被测场域中心，敏感度越小，并在被测场域中心部位达到最小值。因此ERT成像的空间分辨率相对较低。另外，由于软场效应，使得图像重建时求解逆问题存在严重的病态性，从而影响求解算法的快速性及准确性。
[0003 ]为了解决上述问题，研究人员提出一些解决方法:
[0004]国内外的诸多学者致力于成像算法的研究，旨在更准确的重现被测场域内的介质分布，改善成像系统的空间分布率，虽然算法的不断改进对提高成像系统的空间分辨率起到了一定的作用，但由于依然采用的是传统传感器，并未从根源上改变软场效应，其效果是有限的。还有学者提出增加电极数目，使场域内的等位区细化，采用多层传感器，以及优化传感器几何尺寸等方式，旨在获取被测场域在边界上的更多投影，这些方法得到了一定的效果，但会带来机械加工精度方面的问题，以及理论上的局限性，当电极数目增加到一定数量后，图像的质量很难进一步提高。也有学者提出增设被测场域内部电极的方法，例如申请号为CN201110319799.7的“用于绝缘管道内流体过程参数检测的内外复合式阵列传感器”，以改善灵敏场的不均匀性，进而提高被测场域内的空间分辨率，得到了很好的效果，但内部电极在被测场域内的分布位置集中且固定，一般分布在被测场域的中心部位。这种位置上限制，不能很好的改善被测场域内各个区域的空间分辨率，而且会对被测场域形成很大的干扰，影响场域内物质的分布。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出了一种可以提高被测场域内电场的均匀性的电阻层析成像传感器。本发明利用内置的具有较强导电性的导体环，使等势线更加平直，提高灵敏场的均匀性，大大改善场域内中心区域的空间分辨率，同时减弱图像重建时求解逆问题的病态性，进一步提高重建图像的分辨率。本发明的技术方案如下:
[0006]—种具有内置导体环的电阻层析成像传感器，被测场域为管道内部，所述的电阻层析成像传感器包括均匀排布在管道内壁的外部电极阵列，管道为绝缘管道，外部电极阵列固定附着在内部导体环上，并与内部导体环处在同一横截面，内部导体环的导电性强于管道内部的介质，同时弱于外部电极。
[0007]本发明的有益效果是:与传统的基于电学敏感场的ERT传感器相比，本发明通过在绝缘管道内壁即被测场域边缘嵌入一强导电性的导体环，使被测场域内电场更加均匀，从而从根源上改善灵敏场分布的不均匀性，提高场域内部尤其是中心区域的灵敏度，同时改善逆问题求解时的病态性，提高成像系统的空间分辨率。
【附图说明】
[0008]图1为本发明的具有内置导体环的ERT传感器俯视图；
[0009]图2为本发明的传感器纵向剖面视图；
[0010]图3为图2的A-A向剖面视图；
[0011]图4为图2的B区域的局部放大图；
[0012]图5为导体环结构示意图；
[0013]图6采用传统ERT传感器(没有导体环)被测场域内等势线仿真图；
[0014]图7本发明的传感器被测场域内等势线仿真图；
[0015]图中标号说明:
[0016]1、绝缘管道
[0017]2、外部电极
[0018]3、导体环
[0019]4、外部电极密封圈
[0020]5、外部电极垫圈
[0021]6、外部电极螺母
[0022]7、外部电极接线柱
[0023]8、外部电极引线
【具体实施方式】
[0024]结合附图及实施例对本发明的具有内置导体环的电阻层析成像传感器结构加以说明，本说明呈现的并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。
[0025]本发明的具有内置导体环的电阻层析成像传感器，由外部电极阵列和内部导体环组成。如图1、图3所示的实施例，外部电极阵列由16个外部电极2组成，外部电极2按照图3所示的圆周均布的方式附着于内部导体环，并安装在绝缘管道I的内壁上，内部导体环为一环状导体，按照图3所示嵌在绝缘管道壁内部。本实施例中所述的外部电极2，其形状为矩形；其材料为电化学特性稳定的导体材料制作，可以选用钛合金、不锈钢、氯化银等，按照图4所示的方式，由外部电极密封圈4、外部电极垫圈5以及外部电极螺母6安装在绝缘管道I的内壁上，通过焊接在其背向绝缘管道内部一侧的外电极接线柱7和外电极引线8与信号采集电路相连。
[0026]本实例中所述的内部导体环3，其形状为圆环形，应具有较强的导电性能，为保证其相对于被测场域内介质的强导电性，也应采用电化学特性稳定的导体材料制作，内部导体环的导电性应当强于管道内部的介质，同时弱于外部电极，按照如图3所示的方式，嵌在绝缘管道内壁，并与外部电极阵列处在同一截面。
[0027]本实例以用于工业上的绝缘管道内部多相流体参数的检测装置为例，本实施例中所述的绝缘管道I的内径为150_，外部电极2的数目经优化选取后设定为16个，每个电极长宽尺寸被设置为30mm X 20mm，在实际应用中，可以根据具体情况适当调整。内部导体环的外圆直径需根据绝缘管道的内径确定，本实例中导电环外圆直径为150_，因为导电环的环宽不必太大，内圆直径为140mm，导体环的厚度应与长方形电极的长相同，设为30mm，如图2所示。在实际应用中，可以根据实际情况适当的增加或减少外部电极的数目，电极尺寸也可以根据具体情况适当调整，根据绝缘管道的内径大小适当增大或减小导电环的内外径。例如:绝缘管道直径为50mm时，外部电极2的长宽尺寸可调整为1mmX 5mm，导体环的环宽可调整为3mm。由于本发明中采用了内置的导体环设计，会对被测场域内造成一定的干扰，若考虑减小扰动，可根据具体情况减小导体环的环宽。
[0028]仿真图6采用传统ERT传感器(没有导体环)，仅有16个电极均匀分布在场域圆周，电极的电导率设置为5.99e7s/m，场域内电导率设置为l.0s/m，加入激励电流后，场域等势线分布如图6所示。仿真图7采用本发明的ERT传感器，电极及场域内电导率设置同上，导电环电导率设置为5.0e4s/m，加入相同的电流激励，场域内等势线分布如图7所示，明显可见，加入导电环后的等势线分布更加密集，更加平直，提高了电场均匀性。
[0029]在实际测量中，外部电极阵列的每个电极均可以用作电流输入、接地或电压测量，测量到的数据可以用于重构绝缘管道内部测量截面处的电阻率分布信息;也可以作为分布式传感器阵列，结合相关测速、多传感器数据融合等信息处理方法，直接得到关于绝缘管道内部被测流体的过程参数。
[0030]与传统的ERT传感器相比，该传感器具有以下优势:首先，在激励电流相同的条件下，本发明的传感器通过分布于被测场域边缘的，比场域内介质导电性强的导体环，改善了场域内电场的不均匀性，提高了敏感场的均匀度，改善了电学敏感场的软场特性，有利于提高测量系统的空间分辨率;其次，由于敏感场的均匀度提高，有效改善了图像重建时求解逆问题时的病态性，提高图像重建算法的准确性，进而提高检测精度;最后，由于导体环的加入，在激励电流相同的条件下，使得场域内电压变化更快，等势线更平直，减小场域内不同电导率的物质分布对场域内电压的影响。
[0031]本发明的具有内置导体环的ERT传感器，其应用场合较为广泛，可以用于工业过程的检测，例如绝缘管道内部多相流过程参数测量，也可以用于结晶过程、地质勘探、环境检测等。
[0032]以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，并不局限于此，附图中所示的也只是本发明的实施方案之一，如有本领域的普通技术人员在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与本发明相类似的结构形式或实施例，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种具有内置导体环的电阻层析成像传感器，被测场域为管道内部，所述的电阻层析成像传感器包括均匀排布在管道内壁的外部电极阵列，其特征在于，管道为绝缘管道，夕卜部电极阵列固定附着在内部导体环上，并与内部导体环处在同一横截面，内部导体环的导电性强于管道内部的介质，同时弱于外部电极。
【专利摘要】本发明涉及一种具有内置导体环的电阻层析成像传感器，被测场域为管道内部，所述的电阻层析成像传感器包括均匀排布在管道内壁的外部电极阵列，外部电极阵列固定附着在内部导体环上，并与内部导体环处在同一横截面，内部导体环的导电性强于管道内部的介质。本发明使被测场域内电场更加均匀，从而从根源上改善灵敏场分布的不均匀性，提高场域内部尤其是中心区域的灵敏度。
【IPC分类】G01N27/06, G01V3/00, G01N27/04
【公开号】CN105675658
【申请号】CN201610019096
【发明人】岳士弘, 王亚茹
【申请人】天津大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月13日