技术领域
[0001] 本
发明属于传感器设计领域，尤其涉及一种耐高温
信号传输线和一种耐高温电容层析成像传感器。
背景技术
[0002] 电容层析成像(ECT)是
过程层析成像技术中的一种，其基本原理是多相介质具有不同的
介电常数，通过在被测对象外部排布多
电极阵列式电容传感器，当
测量电极所在截面介质浓度发生变化时，会引起等效介电常数的变化，从而导致传感器测得的各电极对之间的电容值发生变化，利用相应的图像重构
算法，即可获得所测截面处的介质分布情况。
[0003] ECT具有发展成熟、无
辐射、成像速度快、成本低廉以及非介入式等优点，近年来被广泛应用于
流化床、石油管线等多相
流体系中的介质浓度分布、流型识别和速度测量研究。由于这些应用多限于冷态实验装置，而
多相流系统特别是气固两相流中的催化反应、燃烧
锅炉等经常需要在高温条件下进行操作，不能直接将ECT冷态实验的结果应用于热态高温体系，因此有必要研制高温电容层析成像传感器并将其应用到高温多相流测量领域。
[0004] ECT应用到高温体系的一个关键难点是高温ECT传感器的制作。这是实现高温ECT应用最为关键的一步。
[0005] 设计高温ECT传感器，有几个关键问题需要解决：
[0006] 第一是材料问题，传感器所贴附容器必须是耐高温的绝缘体；所选择的电极材料须具有良好的耐高温特性和
导电性，并满足较易于加工且价格相对低廉的要求；选用耐高温且绝缘材料必须满足高温环境整个传感器进行电极间隔离、电极层与屏蔽层间绝缘与固定的要求。目前耐600度以上高温信号传输线缆无现成商品可提供(通过实验发现市场所售定制的600度高温信号传输线在600度环境下使用寿命达不到要求)，必须选择合适材料的线芯、高温绝缘管材、屏蔽网材料来专
门自己制作。所有材料的选择都要保证整个传感器在高温环境下有良好的性能和较长的工作寿命。
[0007] 第二是工艺问题，为了达到非侵入式测量的目的，ECT传感器电极片需要通过相应的手段紧贴在所测容器外壁，该技术手段必须在高温下也具有良好的电性能；由于ECT通过测量极其微小的电容值进行成像，因此电极片的形状、大小尺寸和排列必须严格精准，而且为保证电极片均匀且牢固地粘贴在容器外壁且电极片在固定以及以后的工作过程中不错位，电极材料的选择、电极片的制作方法、粘贴与固定工艺的选择都非常重要。
[0008] 第三是信号的免干扰手段，采集到的微弱
电信号需要避免干扰传输到接受设备需要采用有效的屏蔽技术手段，必须选择合适的材料来专门自己制作耐高温双屏蔽信号传输线，并采用合理的技术手段将其与连接ECT信号采集系统的常温段信号传输线相连；同时，电极片与高温信号传输
电缆的连接需要特殊
焊接方式，信号高温传输电缆与常温传输电缆信号之间的连接，接地电缆屏蔽网、轴端屏蔽电极、副屏蔽层与外屏蔽罩之间的连接必须选择合理且行之有效的方法。
[0009] 最后，还应根据高温环境的要求选用耐高温且绝缘的柔性材料对整个传感器进行固定与
支撑。
[0010] 由于高温ECT传感器制作的诸多挑战，目前，国内外关于ECT传感器的研究基本停留在室温环境。国内华北电
力大学的
申请CN103604843A提出了一种适用于液下环境的电容层析成像传感器，拓宽了ECT的使用范围，但仅限于冷态环境。中国科学院工程热物理研究所的申请CN104655692A提供了一种能够方便布置和安装测量电极组和屏蔽电极组的电容层析成像传感器，可以应用于具有大尺度多边形结构的循环流化床锅炉的冷漠研究，并未涉及高温环境。实用新型申请CN204536251U公开了一种热态循环流化床锅
炉床料流化均匀性监测系统，其中所采用的电容阵列传感器由外层屏蔽罩、测量电极阵列、高温绝缘隔
热层、径向屏蔽组件构成，但此种结构将测量电极阵列悬空布置在高温绝缘
隔热层外围，由于高温绝缘隔热层的隔热作用，隔热层外围的
温度大大低于锅炉外表面温度，因此该申请所提供的传感器并非真实工作于循环流化床锅炉的高温环境。发明申请CN106896143A提出了可以应用于600℃高温环境的外置电极式ECT传感器，能满足一部分化工生产过程所需，如气固催化反应，多在400～500℃之间进行。而一些催化反应和催化剂再生温度大于600度，因此，在本领域有必要通过易于实施的工艺设计制作一种可以应用于800℃高温环境下的外置电极式ECT传感器，该温度区域涵盖了所有催化反应以及催化剂再生条件，从而将ECT的应用拓展到该温度范围内的热态研究。
[0011] 由于发明申请CN106896143A所涉及的传感器的使用极限温度为600度，其制作选用的材料与制作工艺不能满足更高温度传感器的要求(其选用的
黄铜材料高温下容易
氧化，高温下非
焊接性接触影响电信号传输性能)。要制作800℃高温环境下ECT传感器必须在材料的选用上(导电与绝缘材料的高温性能必须稳定)、在加工工艺方法上(尤其电极的制作与高温屏蔽线的制作方面)、在传感器的整体组装工艺上(尤其电极与高温传输芯一体化安装方面)必须有所突破。
发明内容
[0012] 根据本申请的一个方面，提供了一种高温信号传输线，其特征在于，所述信号传输线包括缆芯、绝缘层和屏蔽层；其中，
[0013] 所述缆芯的材料选自不锈
钢、
钛合金、镍基合金、钴基合金中的至少一种；
[0014] 所述绝缘层的材料选自刚玉管、
云母管、
石英管中的至少一种；
[0015] 所述屏蔽层选自
不锈钢绕包丝网、镍基合金绕包丝网中的至少一种。
[0016] 优选地，所述缆芯的直径是1～1.5mm；所述绝缘层的内径为1.5～2mm。
[0017] 优选地，所述信号传输线可以耐受800℃的高温。
[0018] 根据本发明的另一个方面，提供外置电极式一种电容层析成像传感器，所述电容层析成像传感器由耐高温的阵列分布电极、两个耐高温的轴端屏蔽电极、耐高温的绝缘层、连接轴端屏蔽电极的耐高温副屏蔽层、耐高温的支撑层、耐高温的外屏蔽罩、耐高温的高温段信号传输线和应用于室温环境下的常温段信号传输线构成；
[0019] 所述阵列分布电极为N个大小相同并且一端焊接合适长度耐高温金属丝断面为弧形的瓦状电极片，其中N的取值为8～16的整数；
[0020] 所述高温段信号传输线为前文所述的高温信号传输线；所述电极片上焊接的金属丝作为高温段信号传输线的缆芯经由所述常温段信号传输线的缆芯与电容层析成像信号采集系统连接，所采集的电容数据经两段信号传输线送至电容层析成像信号采集系统，再由电容层析成像信号采集系统传送到成像计算机完成图像重建；
[0021] 所述外屏蔽罩与所述副屏蔽层连接，所述副屏蔽层的两端分别与所述两个轴端屏蔽电极连接，所述两个轴端屏蔽电极之一与所述高温段信号传输线的屏蔽丝网连接，并经由所述常温段信号传输线的屏蔽丝网与电容层析成像信号采集系统的连接地线接地。
[0022] 优选地，所述电容层析成像传感器通过贴附加机械固定方法安装在横截面为圆形的耐高温的绝缘管道的外壁。
[0023] 优选地，所述耐高温的阵列分布电极，其单个电极为断面为弧形的瓦状，采用耐高温金属导体通过
车削工艺、丝切割工艺精加工制成，保证N个电极尺寸严格一致，且电极的内弧半径与横截面为圆形的耐高温的绝缘管道外径严格一致；电极一端焊接合适长度耐高温金属丝作为高温段信号传输缆芯用；所述电极片通过瞬干胶先期
定位均匀粘在所述耐高温绝缘管道的外壁形成阵列，电极间塞耐高温绝缘材料条隔离定位。
[0024] 优选地，所述轴端屏蔽电极由宽度20～30mm厚度为0.4～0.6mm的耐高温金属材料带焊接成环状制成；轴端屏蔽电极由高温胶套粘在耐高温的绝缘管道的外壁，
位置在所述阵列分布电极的两侧。
[0025] 优选地，所述绝缘层为用耐高温柔性绝缘材料带
覆盖缠绕所述阵列分布电极与绝缘隔离条而形成，并
对电极片与绝缘隔离条
捆扎固定。
[0026] 优选地，所述副屏蔽层由厚度0.02～0.05mm耐高温金属薄皮材料制成，覆盖包裹绝缘层以及轴端屏蔽电极，对内层的电极层进一步捆扎固定，其两端连接轴端屏蔽电极以及高温传输线外屏蔽网完成第一级屏蔽。
[0027] 优选地，所述支撑层通过用耐高温柔性材料带缠绕整个所述电容层析成像传感器而形成，用于支撑和固定所述外屏蔽罩。
[0028] 优选地，所述外屏蔽罩由厚度为0.4～0.6mm的耐高温金属材料带焊接制成筒状，外屏蔽罩覆盖整个传感器。
[0029] 优选地，所述瞬干胶为502胶；所述高温胶为耐1000℃无机
粘合剂。
[0030] 优选地，所述的耐高温金属材料对800℃的高温耐受，所述耐高温金属材料为不锈钢、紫铜、金、
银或铂中的任意一种或多种的组合。
[0031] 优选地，所述电容层析成像传感器可以应用于室温至800℃的高温，所述电容层析成像传感器的各部件均具有耐受800℃高温的效果。
[0032] 本申请能产生的有益效果包括：
[0033] (1)通过选择可以耐受高温的绝缘管道、电极材料及绝缘胶，优选采用耐高温金属导体通过车削工艺、丝切割工艺制成断面为弧形的瓦片状电极，且电极的内弧半径与横截面为圆形的耐800℃高温的绝缘管道外径严格一致；电极片通过绝缘胶先期定位均匀粘在所述耐高温绝缘管道的外壁，电极间塞耐高温绝缘材料条隔离定位。
[0034] (2)根据传统冷态ECT使用的信号传输线不耐高温以及市售定制高温屏蔽线耐不过600度温度的
缺陷，将信号传输线分为高温段和常温段，其中高温段为本发明提供的耐高温信号传输线，由一端预先焊在电极片端点上耐高温金属丝外套细耐高温绝缘材料管、耐高温绝缘材料管外套耐高温金属绕包丝网组成。
[0035] (3)将阵列分布电极用来测量电容，电极与高温段信号传输线缆芯采用焊接工艺使其一体化，从而确保信号传输电缆与测量电极的连接在高温环境下保持通畅。
[0036] (4)高温段信号传输线的外屏蔽网之间、两个轴端屏蔽电极之间、副屏蔽层与外屏蔽罩之间三部分的连接均采用机械
挤压捆扎固定的多点连接方法，无需使用焊接技术，工艺简单且可保证高温下不会出现断路。
[0037] (5)在传感器阵列分布电极与副屏蔽层中间设置耐高温柔性绝缘材料带缠绕而成的绝缘层，绝缘层起阵列分布电极和副屏蔽层之间的绝缘作用和固定阵列分布电极的作用。
[0038] (6)副屏蔽层的作用包括：两个轴端屏蔽电极、高温信号传输线外层屏蔽网与外屏蔽罩的多点连接，屏蔽外界信号对测量信号的干扰，进一步捆扎固定电极。
[0039] (7)传感器支撑层对整个传感器起进一步固定、支撑作用。
[0040] (8)所设计的ECT传感器能够正常应用于常温至800℃高温温度范围内多相流体系二维分布成像，有效拓宽了ECT技术在高温热态领域的应用范围。
附图说明
[0041] 图1为根据本发明一个实施方案的耐高温ECT传感器的结构示意图。
[0042] 图2为根据本发明一个实施方案采用耐高温金属导体通过车削工艺、丝切割工艺制成的阵列式分布电极中一个单电极示意图。
[0043] 图3为图2所示的耐高温ECT传感器的横截面示意图(B-B’方向视图)。
[0044] 图4为图2所示的耐高温ECT传感器的纵截面示意图(A-A’方向视图)。
[0045] 图5为包括本发明的ECT传感器的ECT系统的示意图。
[0046] 部件和附图标记列表：
[0047] 1-绝缘管道；2-绝缘层；3-副屏蔽层；4-支撑层；5-外屏蔽罩；6-阵列式分布电极；7-电极间绝缘隔离条；8-轴端屏蔽电极；9-耐800℃的高温段信号传输线；10-常温段信号传输线；11-ECT信号采集系统；12-ECT计算机成像显示系统。
具体实施方式
[0048] 本发明设计了一种耐高温ECT传感器，该传感器可以在室温至800℃高温环境下正常使用，实现该温度范围内的多相流分布二维
可视化。
[0049] 本发明提供一种应用于室温至800℃高温环境下的ECT传感器，所述传感器由耐800℃高温的阵列分布电极、两个耐800℃高温的轴端屏蔽电极、耐800℃高温的绝缘层、耐
800℃高温的副屏蔽层、耐800℃高温的支撑层、耐800℃高温的外屏蔽罩、耐800℃高温的高温段信号传输线和应用于室温环境下的常温段信号传输线构成；
[0050] 所述耐800℃高温的阵列分布电极为N个大小相同并且一端焊接合适长度耐高温金属丝断面为弧形的瓦状电极片，N的取值为8～16的整数；
[0051] 所述耐800℃高温的高温段信号传输线为自制产品，和应用于室温环境下的常温段信号传输线均为由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成的双屏蔽线；所述耐电极片上焊接的金属丝作为高温段信号传输线的缆芯，经由常温段信号传输线缆芯与ECT信号采集系统连接，所采集的电容数据由
数据采集卡传送到成像计算机完成图像重建；
[0052] 所述耐高温信号线缆芯的材料选自不锈钢、钛合金、镍基合金、钴基合金中的至少一种；
[0053] 所述耐高温信号线绝缘层的材料选自刚玉管、云母管、石英管中的至少一种；
[0054] 所述屏蔽丝网选自不锈钢绕包丝网、镍基合金绕包丝网中的至少一种。
[0055] 所述外屏蔽罩与所述副屏蔽层连接，所述副屏蔽层的两端分别与所述的两个轴端屏蔽电极接触连接，所述两个轴端屏蔽电极之一个与所述高温段信号传输线的屏蔽丝网接触连接，并经由所述常温段信号传输线的屏蔽丝网与ECT信号采集系统的连接地线接地。
[0056] 优选地，所述耐800℃高温的传感器贴附加机械固定方法安装于耐800℃高温的石英管道外壁上，该石英管道的横截面为圆形。
[0057] 优选地，所述耐800℃高温的阵列分布电极的N个电极片用不锈钢棒材通过车削工艺、丝切割工艺精加工制成N个完全一致的断面为弧形的瓦片状的电极，弧形瓦片状电极的弧形内径与石英管的外径严格一致、厚度2mm，弧形瓦片状电极一端采用氩弧焊工艺焊接合适长度直径1mm的不锈钢丝作为信号传输电缆线芯用来测量电容；所述电极片用瞬干胶定位在绝缘管道外壁形成阵列分布，电极间塞石英条隔离固定。
[0058] 所述电极片测量端的长度与ECT信号采集系统的
分辨率有关，一般在2.5～10cm之间；电极片的宽度和各电极片之间的间距则根据传感器所测管道大小及N的数值等确定。
[0059] 优选地，所述轴端屏蔽电极的材料采用宽20mm、厚度为0.5mm不锈
钢带焊接成环状，不锈钢环内径略大于石英管外径。
[0060] 优选地，所述耐800℃高温的轴端屏蔽电极利用高温绝缘胶套粘在阵列分布电极两侧，且距测量端的距离一般在10mm左右，所述高温段信号传输线的屏蔽丝网与一侧的轴端屏蔽电极接触连接。
[0061] 优选地，所述定位电极用瞬干胶为502胶；定位轴端屏蔽电极高温绝缘胶为高温无机粘合剂。
[0062] 优选地，所述耐800℃高温的绝缘层采用宽2.5cm石英
纤维带覆盖缠绕而成，缠绕、挤压、覆盖阵列分布电极与电极间绝缘隔离条。
[0063] 优选地，所述耐800℃高温的副屏蔽层为厚度为0.03mm软不锈钢皮，其包裹覆盖绝缘层、两个轴端屏蔽电极以及部分高温传输线外屏蔽网，两端分别与两个轴端屏蔽电极以及部分高温传输线外屏蔽网密切接触连接。
[0064] 优选地，所述耐800℃高温的支撑层所用材料为石英纤维带，覆盖包裹整个传感器，并调整其厚度对屏蔽罩起固定及支撑作用。
[0065] 优选地，所述耐800℃高温的外屏蔽罩材料为厚度0.5mm的不锈钢带卷筒氩弧焊接而成，外屏蔽罩处于整个传感器的最外层，所述外屏蔽罩与所述副屏蔽层连接。
[0066] 优选地，所述高温段信号传输线由合适长度(长于传感器所处高温区至常温区长度)直径1～1.5mm的不锈钢丝作为缆芯(一端焊接在电极上)、外套内径1.5～2mm毫米的刚玉管作为绝缘层、最外层套不锈钢绕包丝网作为屏蔽层组成；所述常温段信号传输线为传统的冷态信号传输线；两段信号传输线的缆芯和屏蔽丝网分别单独连接，并处理好连接处的绝缘和屏蔽。
[0067] 下面结合附图及优选
实施例作详细说明。应当理解，本发明的保护范围并不局限于这些实施例。
[0068] 图1为根据本发明一个实施方案的ECT传感器的结构示意图；图2为根据本发明一个实施方案提供的阵列式分布电极的其中一个单电极片示意图。所述阵列式分布电极为N个大小相同的电极片，阵列分布电极的N个电极片用不锈钢棒材通过车削工艺、丝切割工艺制成断面为弧形的瓦片状的阵列式分布电极，切割成弧形瓦片状电极的内径与石英管的外径相等、电极长30mm、厚度2mm，弧形瓦片状电极一端采用氩弧焊工艺焊接长46cm直径1mm的不锈钢丝备做信号传输电缆线芯用来测量电容；图3和图4分别为图1所示传感器横截面(B-B’)和纵截面(A-A’)示意图。如图1所示，本发明的ECT传感器贴附于用于测量的绝缘管道1的外壁，该绝缘管道1为石英玻璃圆柱管，其外径为45mm。该ECT传感器包括耐800℃高温的阵列分布电极、耐800℃高温的轴端屏蔽电极8、耐800℃高温的绝缘层2、耐800℃高温的副屏蔽层3、耐800℃高温的支撑层4、耐800℃高温的外屏蔽罩5、以及耐800℃高温的高温段信号传输线9和适用于室温环境的常温段信号传输线10。
[0069] 所述阵列分布电极6用瞬干胶定位在绝缘管道1外壁，电极间塞石英隔离条7初步固定。
[0070] 所述轴端屏蔽电极8的长度优选为20mm，由宽20mm厚度为约0.5mm的薄不锈钢带焊接制成环状。所述轴端屏蔽电极8由1000度高温胶套粘在绝缘管道1的外壁、阵列电极6的两端处，且距阵列电极6的端部边缘的距离为10mm，
[0071] 所述绝缘层2的材料为石英纤维带。所述绝缘层2挤压阵列分布电极和电极间绝缘隔离条，并覆盖缠绕整个阵列分布电极与电极间绝缘隔离条，优选其厚度为5mm。
[0072] 所述副屏蔽层3由厚度0.03mm不锈钢皮制成。所述副屏蔽层3覆盖在绝缘隔离层2与轴端屏蔽电极8外面，两端分别与两个轴端屏蔽电极8以及高温传输线外屏蔽网多点接触，外围用耐高温金属丝固定；耐高温金属丝延伸引出与外屏蔽罩5连接。
[0073] 所述支撑层4的材料为石英纤维带。所述支撑层4缠绕整个ECT传感器并调整合适厚度达到支撑和固定屏蔽罩5的作用。
[0074] 所述外屏蔽罩5由厚度为0.5mm的不锈钢带焊接制成筒状，处于整个传感器最外层，其长度为200mm。
[0075] 所述高温信号传输线9由一端预先焊在电极片6端点上长46cm直径1mm不锈钢丝外套长45cm内径1.5mm外径3mm的刚玉管、刚玉管外套不锈钢绕包丝网组成。
[0076] 图5为包括本发明的ECT传感器的ECT系统的示意图，所述阵列分布电极通过焊接的不锈钢丝作为所述高温段信号传输线9的缆芯通过与之相连的所述常温段信号传输线10的缆芯与ECT信号采集系统11连接，再通过数据采集卡将测量得到的电容数据传送到ECT计算机成像显示系统12中通过相应的算法完成图像重建。所述高温段信号传输线9的屏蔽丝网的一端与处于ECT传感器下端的轴端屏蔽电极8接触连接，另一端经由与之相连的常温段信号传输线10的屏蔽丝网与ECT信号采集系统11的连接地线接地。
[0077] 以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
