一種基於雙模態層析成像的多相流成像測量裝置和方法

2023-11-06 08:55:32

專利名稱：一種基於雙模態層析成像的多相流成像測量裝置和方法
技術領域：
本發明屬於多相流體成像技術領域，涉及一種基於雙模態(ECT/EMT)層析成像技 術的裝置。
背景技術：
多相流動現象廣泛存在於石油、化工、能源動力等現代工程領域。多相流的測量對 生產過程的監控、故障診斷等具有重要意義。電學層析成像技術(Electrical Tomography, ET)是自上世紀80年代後期出 現的一種新的層析成像技術。它採用非侵入手段，通過斷層成像揭示被測對象內部結構 及參數分布，實現可視化測量。它在工業及生物醫學領域有廣泛的應用前景，可以實現 長期、持續監測。電學層析成像技術主要包括電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography, ERT) > ^WMIiT(Electrical Capacitance Tomography, ECT) >
Mt- (Electrical MagneticTomography，EMT，iii口胃j^Mi/fi^itMiignetic induction tomography, MIT)。William DaiIy(Wi11iam Daily, Abelardo Ramirez, Binley Andrew M, LaBrecque Douglas, Electical Resistance Tomography. The Leading Edge,23(5). pp. 438-442. 2004)、Beck, M S(Beck MS, Byars M, Dyakowski T, Waterfall R, He R, Wang S J, Yang, W Q, Principles and industrialapplications of electrical capacitance tomography. MEAS CONTROL. Vol. 30，no. 7，pp.197-200.1997)、H Griffiths(H Griffiths, Magnetic inductiontomography. Meas. Sci. Technol. 12(2001) 1126-1131.)分別給出 了 ERT、ECT及EMT的測量原理，它們可以分別對導電物質、介電物質和既導電又導磁物質進行測量° Robert Merwa(RobertMerwa, Hermann Scharfetter, Magnetic induction tomography comparison of the image qualityusing different types of receivers. Physiol.Meas.29 (2008)S417-S429. ), A J Peyton (A J Peyton, Z ZYu, G Lyon, S Al-Zeibak, J Ferre-ira, J Velez, F Linhares, A R Borges, H L Xiong, N H Saunders, M S Beck, An overview of electromagnetic inductance tomography !description of three differentsystems. Meas. Sci. Technol. 7 (1996) 261-271.)對線圈的設計也提出了 一些建議。但是這些測量方法也有各自的局限。例如ECT無法正確準確測量導電物質，而 ERT無法測量導磁和介電物質。它們都無法同時實現對導電、導磁和介電物質的測量。

發明內容
針對以上提到的現有多相流測量中電學層析成像技術存在的缺陷和不足，本發明 提供一種雙模態(ECT和EMT)電學層析成像裝置，可以同時測量導電、導磁和介電物質。本發明的目的是這樣實現的—種基於雙模態層析成像的多相流成像測量裝置，用於對流經待測管道的流體進 行多相流成像測量，包括激勵信號發生單元、模擬選通開關、傳感器陣列、信號調理和採集單元和上位計算機；傳感器陣列包括分布在待測管道外部同一個截面上的至少兩個激勵傳 感器及至少兩個接收傳感器，激勵傳感器為平板線圈，接收傳感器包括一個接收板和與其 相連的平板線圈，兩個平板線圈均由線芯為平板形的絕緣平板導線同軸層疊繞制而成，接 收板的寬度大於與其相連的平板線圈；激勵信號發生單元包括兩個激勵信號源，模擬選通 開關用於選通激勵傳感器，兩個激勵信號源輸出的信號經過功率放大後接在被選通的激勵 傳感器的兩端，接收傳感器所感應的信號經由信號調理和採集單元處理後被送入上位計算 機，測量裝置的模態由兩個激勵信號源確定，若兩個激勵信號源輸出相同波形、幅值和相位 的交流信號，則測量裝置用於介電物質的成像測量，若兩個激勵信號源輸出相同波形、幅值 和相反相位的交流信號，則測量裝置用於導電或導磁物質的成像測量；上位機通過模擬選 通開關一次選通一個激勵傳感器，對其施加激勵信號，並控制信號調理和採集單元依次採 集各個接收傳感器感應的信號，根據由兩個激勵信號源所確定的模態，對所採集的數據進 行圖像重建，得到電導率、磁導率或介電常數的分布圖像，從而得到多相流體的分布。作為優選實施方式，本發明的基於雙模態(ECT/EMT)層析成像技術的多相流成像 測量裝置，平板線圈均為矩形結構；平板線圈的長lOmm-lOOmm，寬lOmm-lOOmm，其所採用的 絕緣平板導線的寬度為lmm-20mm，厚度為0. Olmm-lmm，繞線的匝數為1-1000匝；所述的接 收板寬度為lOmm-lOOmm，厚度為0. Olmm-lmm。本發明同時提供一種利用上述系統實現的多相流成像測量方法，包括下列步驟(1)根據被測物質的不同，選擇測量的模態，當被測物質導電或者導磁時，在激勵 傳感器兩端分別加載輸出相同波形、幅值和相反相位的交流信號的兩個激勵信號源，當被 測物質為介電物質時，在激勵傳感器兩端分別加載輸出相同波形、幅值和相位的交流信號 的兩個激勵信號源；(2)通過模擬選通開關一次選通一個激勵傳感器，對其施加激勵信號，由信號調理 和採集單元依次採集各個接收傳感器感應的信號，並將其送入上位計算機；(3)根據由兩個激勵信號源所確定的模態，對所採集的數據進行圖像重建，得到電 導率、磁導率或介電常數的分布圖像，從而得到多相流體的分布。上述的圖像重建過程可以包括下列步驟(1)利用所採集的數據得到靈敏度矩陣S(MXN)，其中M是獨立測量數，N為像素 數，設激勵傳感器個數為m，接收傳感器個數為n，那麼獨立測量數M為mXn ；(2)建立基於靈敏度矩陣的線性化模型，對其歸一化g = S—1入，其 中，、是由各個測量值組成的MX 1階向量矩陣，用ST代替S—1，構建目標函數
布，
是最小平方解的約束，CI即為標準Tikhonov正則因子，取值範圍為le-5到 le-3 ；(3)求取目標函數的最小平方解的近似解# = + 1纊義，其中(STS+a 1廣 為Tikhonov正則化過程，I為單位矩陣；(4)由各個像素上的灰度值進行成像。本發明的測量方法，所採用的像素數N可以為4-1000000之間
本發明的裝置和方法，能夠用在多相流測量中得到流體的導電或導磁參數，進而判斷是何種物質。該發明是對之前電學層析成像技術的擴展和補充，通過對激勵傳感器和 接收傳感器的改進並採用兩種激勵方式，將ECT和EMT的測量原理組合在一起，即能測量導 電導磁物質也能測量介電物質，克服了傳統電學層析成像單一測量的不足，使其更適於工 業和生物醫學中多相流的測量。


圖1是本發明的基於雙模態(ECT/EMT)層析成像技術的多相流成像測量裝置原理 圖；圖2是4個激勵傳感器4個接收傳感器雙模態(ECT/EMT)層析成像裝置示意圖；圖3是單個激勵傳感器和接收傳感器所組成的傳感對的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳述。參見圖1，本發明中的裝置是由激勵信號發生單元、功率放大器、模擬選通開關、激 勵傳感器、接收傳感器、信號調理和採集單元、上位計算機組成。一個激勵傳感器和一個接 收傳感器可組成一個傳感對，且激勵傳感器和接收傳感器不可交換。激勵信號發生單元為 激勵線圈提供不同的激勵方式，可採用直接數字合成(DDS)晶片AD7008，該晶片可以產生 不同幅度和相位的正弦激勵信號。激勵信號的幅度和相位可由計算機設置，通過功率放大 器放大後加到激勵線圈上。上位計算機控制信號調理和採集單元對接收傳感器上感應信號的採集，其中的採 集順序由模擬選通開關控制。通常，對於本發明的雙模態(ECT/EMT)層析成像，若激勵傳感 器個數為m，接收傳感器個數為n，那麼獨立測量數M為mXn。模擬選通開關將功率放大器輸出的信號分配到需要的激勵線圈上，模擬開關的電 流承受值應為IOmA至IA之間。模擬選通開關可以採用MAXIUM公司的大電流開關晶片(如 MAX4656)。圖2為4激勵傳感器4接收傳感器雙模態(ECT/EMT)層析成像裝置示意圖；4個 激勵傳感器和4個接收傳感器分別布置在圓柱形管道的兩側。如圖所示，1及其上方的三個 線圈為4個激勵傳感器，2及其下方的三個線圈表示4個接收傳感器。3為圓柱形管道。圖3為單個激勵傳感器和接收傳感器組成的傳感對結構示意圖。圖中，1為激勵線 圈，2為接收板，3為接收線圈，4和5為兩個電源，用以組成不同的激勵方式。6為低阻抗分 流器。激勵線圈和接收線圈同為矩形結構，都由絕緣平板導線繞制而成，導線的寬度遠 大於其厚度。激勵線圈導線的寬度為lmm-20mm，厚度為O.Olmm-lmm，繞線的匝數為1-1000 匝。接收線圈導線的寬度為lmm-20mm，厚度為O.Olmm-lmm，繞線的匝數為1-1000匝。接收板 寬度為lOmm-lOOmm，厚度為0. Olmm-lmm。線圈為同心結構，長lOmm-lOOmm，寬lOmm-lOOmm。由模擬選通開關選通一個激勵傳感器，對其進行正弦電流激勵，並在兩種工作模 式下，對η個接收傳感器進行數據採集。將所測的數據通過放大和解調送入數據採集板。之 後，對下一個激勵傳感器進行激勵，同樣對所有的η個接受傳感器數據採集。以此類推，可以得到mXn個測量數據。最後對兩種情況下所測的數據分別進行圖像重建。本發明採用Tikhonov正則算 法實現，有關改算法，現有技術多有論述，過程如下(1)利用測量數據得到靈敏度矩陣S(MXN)，其中M是獨立測量數，N為像素數，設 激勵傳感器個數為m，接收傳感器個數為n，那麼獨立測量數M為mXn。(2)為了簡化問題，可用基於靈敏度矩陣的線性化模型，並用歸一化形式λ = Sg 表示，則g = S—1 λ。λ是測量值組成的MXl階向量矩陣，由於S陣往往不是方陣，且是病 態的，故可用St來代替S—1。Tikhonov正則化過程的思想是通過最小化目標函數來求取灰
度值g。目標函數對
。式中，—是灰度值g的估計解，表徵
了物場電學特徵分布。
是最小平方解的約束。α即為標準Tikhonov正則因子， 其與圖像最終平滑度相關，取值範圍為le-5到le-3。(3)由於靈敏度矩陣的欠定性，可求的灰度值的最小平方解的近似解 g = (STS+ Cdy1 Stλ。其中(STS+a I)—1為Tikhonov正則化過程，I為單位矩陣。(4)最後由各個像素上的灰度值可以進行成像。
權利要求
一種基於雙模態層析成像的多相流成像測量裝置，用於對流經待測管道的流體進行多相流成像測量，包括激勵信號發生單元、模擬選通開關、傳感器陣列、信號調理和採集單元和上位計算機；其特徵在於，所述的傳感器陣列包括分布在待測管道外部同一個截面上的至少兩個激勵傳感器及至少兩個接收傳感器，所述的激勵傳感器為平板線圈，所述的接收傳感器包括一個接收板和與其相連的平板線圈，所述的兩個平板線圈均由線芯為平板形的絕緣平板導線同軸層疊繞制而成，接收板的寬度大於與其相連的平板線圈；所述的激勵信號發生單元包括兩個激勵信號源，所述的模擬選通開關用於選通激勵傳感器，兩個激勵信號源輸出的信號經過功率放大後接在被選通的激勵傳感器的兩端，接收傳感器所感應的信號經由信號調理和採集單元處理後被送入上位計算機，測量裝置的模態由兩個激勵信號源確定，若兩個激勵信號源輸出相同波形、幅值和相位的交流信號，則測量裝置用於介電物質的成像測量，若兩個激勵信號源輸出相同波形、幅值和相反相位的交流信號，則測量裝置用於導電或導磁物質的成像測量；上位機通過模擬選通開關一次選通一個激勵傳感器，對其施加激勵信號，並控制信號調理和採集單元依次採集各個接收傳感器感應的信號，根據由兩個激勵信號源所確定的模態，對所採集的數據進行圖像重建，得到電導率、磁導率或介電常數的分布圖像，從而得到多相流體的分布。
2.根據權利要求1所述的基於雙模態層析成像的多相流成像測量裝置，其特徵在於， 所述的平板線圈均為矩形結構。
3.根據權利要求1所述的基於雙模態層析成像的多相流成像測量裝置，其特徵在 於，所述的平板線圈的長lOmm-lOOmm，寬lOmm-lOOmm，其所採用的絕緣平板導線的寬度為 lmm-20mm，厚度為0. Olmm-lmm，繞線的匝數為1-1000匝；所述的接收板寬度為lOmm-lOOmm， 厚度為 0. Olmm-lmm。
4.一種採用權利要求1所述的測量裝置實現的多相流成像測量方法，其特徵在於，包 括下列步驟(1)根據被測物質的不同，選擇測量的模態，當被測物質導電或者導磁時，在激勵傳感 器兩端分別加載輸出相同波形、幅值和相反相位的交流信號的兩個激勵信號源，當被測物 質為介電物質時，在激勵傳感器兩端分別加載輸出相同波形、幅值和相位的交流信號的兩 個激勵信號源；(2)通過模擬選通開關一次選通一個激勵傳感器，對其施加激勵信號，由信號調理和採 集單元依次採集各個接收傳感器感應的信號，並將其送入上位計算機；(3)根據由兩個激勵信號源所確定的模態，對所採集的數據進行圖像重建，得到電導 率、磁導率或介電常數的分布圖像，從而得到多相流體的分布。
5.根據權利要求4所述的多相流成像測量方法，其特徵在於，步驟(3)包括以下步驟(1)利用所採集的數據得到靈敏度矩陣S(MXN)，其中M是獨立測量數，N為像素數，設 激勵傳感器個數為m，接收傳感器個數為n，那麼獨立測量數M為mXn ；(2)建立基於靈敏度矩陣的線性化模型，對其歸一化g= S—1入，其中， 入是由各個測量值組成的MX 1階向量矩陣，用ST代替S—1，構建目標函數g{a) = min+a l(g-g ，式中，_是灰度值g的估計解，表徵物場電學特徵分布，是最小平方解的約束，a即為標準Tikhonov正則因子，取值範圍為le-5到 le-3 ；(3)求取目標函數的最小平方解的近似解+纊/I，其中(SS+air1為 Tikhonov正則化過程，I為單位矩陣；(4)由各個像素上的灰度值進行成像。
6.根據權利5所述的多相流成像測量方法，其特徵在於，所述的像素數N為4-1000000 之間。
全文摘要
本發明屬於電磁傳感器技術領域，涉及一種基於電磁傳感器的線材圓度測量裝置，其電磁傳感器包括由4個相同的線圈兩兩配對構成的2組線圈對，4個線圈分布在一個圓周上，構成每組線圈對的兩個線圈的中軸連線均經過圓心；由上位計算機控制通過多路模擬開關一次選通兩組線圈對中的一對，其兩個線圈，一個與電感測量儀的激勵信號輸出端相連，一個與電感測量儀的測量信號輸入端相連，在無線材存在的空場和有線材存在的滿場情況下分別採集電感測量儀輸出的電感值個電感值導入上位計算機，上位計算機根據採集得到的數據即可判斷線材的圓度。本發明同時提供一種採用上述測量裝置實現的線材圓度測量方法。本發明最大優點是非接觸式測量線材的圓度，並且可以實時測量。
文檔編號G01N27/74GK101871906SQ20101021108
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月28日 優先權日2010年6月28日
發明者尹武良, 趙倩 申請人:天津大學