CN101025404A - Ect/ert双模态成像系统交叉式复合阵列传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器，该传感器设置于被测对象的管道上，包括有电极数量一致的ECT电极阵列和ERT电极阵列并均匀、交叉地设置在被测管道截面的内/外壁上，ECT电极阵列和ERT电极阵列中的电极数为8～64个，在每两个ECT电极之间设置ERT电极；在所述ERT电极的外部设置有屏蔽罩。有益效果是在使用该传感器时，可获取被测流体在同一时间、同一位置的流场信息，同时可获得更多方向上的测量信息，有利于提高双模态系统图像重建的质量。当ECT电极阵列工作时，不涉及模拟电子开关的关断状态，ERT电极作为屏蔽电极不会干扰ECT电极阵列的工作，反而可减小被测电容的动态范围，有利于ECT系统的测量，反之亦然。

Description

ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器

技术领域

本发明涉及一种电学成像技术，特别是一种应用于ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器。

背景技术

过程成像(Process Tomography，PT)技术是近年来发展起来的多相流参数检测技术，可非接触或非侵入式的获取被测对象的状态信息，具有可视化的特点。目前PT技术主要有光学成像、射线成像、核磁共振成像、超声成像和电学成像等。其中，电容层析成像(Electrical CapacitanceTomography，ECT)与电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography，ERT)技术是二十世纪八十年代发展起来的过程成像技术，是最为成熟的两种电学成像技术，以其成本低廉、装置简单、无辐射以及实时可视等特点，引起了各国众多研究机构的关注。

ECT与ERT系统均以现代电磁场理论为依据，具有相似的物理模型，通过测量边界电压/电流，求解逆问题获得被测对象内部的介电常数或电阻率(或电导率)分布。

ECT和ERT应用范围不同，具有一定的互补性。ECT主要测量非导电介质为连续相的对象，当导电介质(如水)超过一定比例时会导致测量电路饱和，因而适合测量油/气、气/固等流型；而ERT测量以导电介质为连续相的对象，当导电介质减少时，其测量电路也会失效，因而主要用于测量水含量较多的油/水、汽/水等流型。此外，ECT与ERT硬件系统具有相似的结构，使二者的融合具有先天性的优势。如何合理的融合ECT和ERT技术的特点构建一套ECT/ERT双模态系统，达到拓展测量范围的目的，具有十分重要的意义。ECT/ERT双模态系统电极阵列结构是双模态系统设计的关键，直接影响系统的可行性以及性能。

目前，国际上已报道的ECT/ERT双模态系统为ITS公司的M3000系统。其中，ECT与ERT的电极阵列安装在流体管道轴向相隔一定距离的两个截面上。如此，二者的敏感场互不影响，硬件实现也比较简单。但是，由于二者的电极阵列位于不同位置，其测量结果不能反映同一时间、同一位置的流场分布信息，不利于ECT与ERT测量数据的融合。

专利申请号为200510122587.4的“ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器”中设计了一种双模态系统复合阵列传感器，包括电极数量一致的ECT与ERT电极阵列，所述ECT电极阵列和ERT电极阵列中的电极分别通过密封绝缘垫圈和固定螺母以圆周均布方式、位置相对的设置在被测流体管道的同一截面处的外、内壁上，故可同时获取被测流体在同一时间、同一位置的流场分布信息，从而使现有ECT与ERT技术的互补成为现实。

相对于ECT或ERT单模态系统，双模态系统电极阵列结构的设计更加复杂。双模态系统的复合阵列传感器不仅需要考虑两个模态之间敏感场的相互影响，而且还需要考虑其硬件实现。在上述专利(ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，申请号：200510122587.4)中，一个突出问题是传感器电路中模拟电子开关的关断性能很难达到令人满意的效果。因为，ECT的似稳场假设条件是敏感场内无电荷分布。当ECT电极工作时，ERT电极处于断开状态，但由于模拟电子开关关断时仍有微小的泄漏电流(nA级)，破坏了ECT敏感场内无电荷分布的假设，且该泄漏电流将对ECT系统的测量造成较大误差。此外，该电流并不稳定，无法通过标定手段消除其影响。因此，这套复合阵列传感器对硬件系统的要求较高，模拟电子开关的关断性能将直接影响系统的信噪比。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器，ECT与ERT电极阵列均匀、交叉地设置在被测管道同一截面的圆周上，通过选择合理的激励、测量策略，双模态系统的测量精度不再依赖于模拟电子开关的性能；ECT与ERT电极阵列不仅不会破坏彼此的灵敏场分布，反而将有利于测量；相同电极数目情况下，虽然测量数据并未增加，但其数据从更多角度上反映了被测对象的介质分布，从而有利于提高双模态系统重建图像的质量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器，该传感器设置于被测对象的管道上，其中：该传感器包括有电极数量一致的ECT电极阵列和ERT电极阵列，ECT电极阵列和ERT电极阵列均匀、交叉地设置在被测管道截面的内/外壁上，ECT电极阵列和ERT电极阵列中的电极数分别为8～64个，在每两个ECT电极之间设置ERT电极；在所述ERT电极的外部设置有屏蔽罩，所述ERT电极与外屏蔽罩不导通；当ECT电极阵列工作时，使ERT电极处于与地导通的状态，则ERT电极成为ECT电极阵列的径向屏蔽电极；当ERT电极阵列工作时，使ECT电极处于高阻状态，虽然ECT电极会产生微小的泄漏电流，但不致影响ERT系统的测量精度，另外将ECT电极设置在被测管道外壁上或将设置于内壁上的ECT电极覆以绝缘涂层，以进一步减弱ECT电极对ERT敏感场的影响；当ERT电极阵列工作时，也能够使ECT电极处于接地状态，则ECT电极成为ERT电极阵列的径向屏蔽电极。

所述ECT电极阵列和ERT电极阵列中的电极为矩形金属片，以不锈钢、钛合金或铜制成。

本发明的有益效果是由于在使用ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器时，将其两套电极阵列同时安装于被测流体管道的同一截面位置，故可获取被测流体在同一时间、同一位置的流场信息。由于ECT电极阵列与ERT电极阵列交叉放置，故可获得更多方向上的测量信息，有利于提高双模态系统重建图像的质量。当ECT电极阵列工作时，ERT电极通过模拟电子开关与地导通，即处于接地状态，其成为ECT电极阵列的径向屏蔽电极，其中不涉及模拟电子开关的关断状态。ERT电极作为屏蔽电极不仅不会干扰ECT电极阵列的工作，反而可减小各被测电容的动态范围，有利于ECT系统的测量。交叉式的双模态复合阵列传感器，拥有丰富的激励、测量策略，使双模态系统的数据采集更具灵活性。

附图说明

图1为本发明的ECT/ERT双模态系统阵列传感器横断面示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为图1的A向透视图；

图4为独立的ECT电极结构示意图；

图5a、5b、5c分别为独立的ERT电极的三种形式的结构示意图。

图中：

1、ECT电极    2、管道       3、绝缘垫圈    4、螺栓

5、螺母       6、ERT电极    7、外屏蔽罩

具体实施方式

下文中结合附图及实施例对本发明的ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器加以说明，电极阵列表示若干个ECT或ERT电极构成的阵列，复合阵列传感器表示ECT电极阵列与ERT电极阵列的组合。

如图1、图2所示，本发明的ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器结构，该复合阵列传感器设置于被测对象的管道上，包括有电极数量一致的ECT电极1阵列和ERT电极6阵列，能够选用8个、12个、16个、24个、32个或64个之一，本实施例分别采用16个和8个，并用矩形金属片，如不锈钢、钛合金或铜材料制作均可。ECT电极1阵列和ERT电极阵列均匀、交叉地设置在被测管道一截面的内/外壁上，ECT电极1阵列和ERT电极6阵列中的电极数分别为8～64个，在每两个ECT电极1之间设置ERT电极6，ERT电极6除实现电阻测量，同时作为ECT电极1的径向屏蔽电极，在所述ERT电极6的外部设置有屏蔽罩7，所述ERT电极6与外屏蔽罩7不导通。

该ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器需要相应的激励、测量策略和硬件电路加以配合。当ECT电极1阵列工作时，使ERT电极6阵列处于接地状态，则ERT电极6完全是ECT电极阵列的径向屏蔽电极，二者交叉式的分布在圆周上。当ERT电极6阵列工作时，使ECT电极1阵列处于高阻状态，虽然ECT电极1会产生微小的泄漏电流，但其量级不致影响ERT系统的测量精度，可将ECT电极设置在被测管道外壁上，或直接将其设置在内壁上以提高其敏感度；当ERT电极6阵列工作时，也能够使ECT电极1处于接地状态。

依据被测对象的不同，ECT电极1阵列的设置分三种情况：一是、当被测流体为非导电性介质，如油/汽、气/固两相流等，ECT的电极1阵列均匀设置在被测流体管道2同一截面的内壁上；二是、当被测流体连续相为非导电性介质并夹杂少量导电介质，如含水量较低的油/汽/水、油/水、水/汽等流型，ECT的电极1阵列均匀设置在被测流体管道2同一截面的内壁上，并覆以绝缘物质；三是、当被测流体连续相为导电介质，如含水量较高的油/汽/水、油/水、水/汽流型，ECT的电极1阵列均匀设置在被测流体管道2同一截面的外壁上。上述三种情况中，所述ECT电极1阵列中的电极数分别为8～64个，所述ERT电极6阵列中的电极数与ECT电极数相同，在每两个ECT电极1之间设置ERT电极6，同时作为ECT电极1的径向屏蔽电极，所述ERT电极6的外部设置有屏蔽罩7。

上述结构的传感器通过激励、测量策略的调整，当ECT电极阵列工作时，使ERT电极处于与地导通的状态，即只利用了模拟电子开关的导通状态，回避了由于模拟电子开关的关断状态，使ECT系统的测量精度不依赖于模拟电子开关的关断性能，降低其对硬件电路的要求。此外，由于采用交叉安装方式，使该复合阵列传感器具有一系列优点。例如，ECT与ERT的测量数据分别从不同角度反映被测对象的流场分布，其所包含的信息更加丰富，有利于提高双模态系统图像重建的质量；交叉式的双模态阵列传感器，拥有丰富的激励、测量策略，使双模态系统的数据采集更具灵活性。

所述管道为绝缘材料，所述ECT电极阵列中的ECT电极1为带有一定弧度的矩形金属片，以便与管壁紧密贴合，可用不锈钢、钛合金或铜片制作。如前所述，根据被测介质的不同，ECT电极1可覆以绝缘涂层，也可安装于管道2外壁。ECT电极1的中心有孔，如图4所所示，以方便安装。其安装在内壁时，具体安装如图2所示，图中的4、5分别为螺栓、螺母，3为一绝缘垫圈，起密封作用。独立的ECT电极1如图4所示。

所述ERT电极1阵列中的ERT电极6，如图1、2所所示，其理想的安装方式是将一矩形金属片贯穿管壁，通过粘合材料将其与管壁紧密结合，其在管道2内的部分与被测介质接触，以实现电阻的测量，同时可作为ECT电极阵列的径向屏蔽电极，即ERT电极阵列具有双重的功能，其不与外部屏蔽层绝缘。独立的ERT电极6如图5a所示，考虑到制作工艺的限制以及管道2内压力等因素，所述ERT电极6阵列中的电极也可采用如图5b、5c所示的其它方案。图5b中，减小所述ERT电极6穿入管道2的轴向长度，从而降低制作难度。图5c中，通过螺栓将ERT电极6与管道2固定，并连接至电阻/电压传感器电路，该ERT电极可为一窄条形金属片，轴向长度比较灵活，其在一定程度上起到ECT电极阵列的径向屏蔽作用，也可加装更完善的径向屏蔽电极。

图3是不加外屏蔽罩时的A向视图。所述ECT电极1阵列和ERT电极6阵列中的电极的材料主要考虑其耐腐蚀性和电化学特性，可选择钛合金、铜、不锈钢等材料。

多相流过程参数检测是本发明的主要应用场合。

综合考虑敏感场分布、硬件系统信噪比及复杂度等因素，该复合阵列传感器以16个ECT电极和16个ERT电极6为最优，根据实际管道的不同，其技术参数可适当调整。如被测管道2内径100.0mm，外径110.0mm，则所用复合阵列传感器的设置为：ECT电极位于管道内壁，轴向长度100.0mm，其对应电极张角为15°，即宽度为13.1mm；ERT电极6轴向长度100.0mm，其径向长度为60mm，采用图5a所述的方式，其对应电极张角为2°，其厚度约为1.7mm。在此情况下，ECT系统和ERT系统的独立测量数均为16×15/2＝120个，测量数据较丰富，有利于提高图像重建质量；目前，单模态ECT或ERT系统也多采用16电极，其硬件系统也较易满足该双模态成像系统的要求。

此外，当管道直径较小时，具有8个ECT电极和8个ERT电极的该复合阵列传感器具有特定的优势。如被测管道2内径50.0mm，外径55.0mm，则所用复合阵列传感器的设置为：ECT电极位于管道内壁，轴向长度为50.0mm，其对应电极张角为30°，即宽度为13.1mm；ERT电极轴向长度50.0mm，其径向长度为30.0mm，采用图5a所述的方式，其对应电极张角为2°，其厚度约为0.9mm。在此情况下，ECT系统和ERT系统的独立测量数均为8×7/2＝28个，测量数据较前述实施例大为减少，但同时被测管道截面面积减小，可在一定程度上抵消测量数据数减少对图像重建的不利影响；因本实施例中电极数仅为前述实施例的一半，硬件系统大大简化，在特定情况下具有优势。

由于本发明采用了ECT电极1与ERT电极6交叉安装的方式，当ECT电极阵列工作时，所述ERT电极6处于接地状态，其作用是ECT电极阵列的径向屏蔽电极，其模拟电子开关处于与地导通的状态，不特别涉及模拟电子开关的关断状态，因此模拟电子开关的关断性能不会影响ECT系统的信噪比。反之，当ERT电极阵列工作时，所述ECT电极处于接地状态或高阻状态，且当被测流体为导电性物质时，可将ECT电极1或覆以绝缘涂层或置于管道2外壁，其同样不会影响ERT系统的敏感场分布。

基于所述ECT电极1和ERT电极6的交叉安装方式，可使用灵活的激励、测量策略，以提高双模态系统的性能。例如，当所述ECT电极1激励时，其相邻的两个ERT电极6可作为ECT电极1的辅助激励电极，以增强激励信号。

此外，基于所述ECT电极1和ERT电极6的交叉安装方式，虽然独立测量数据并未增加，但本发明的复合阵列传感器可获得更多角度的测量数据，合理利用可提高双模态系统图像重建的质量。

综上所述，本发明ECT/ERT双模态成像系统复合阵列传感器，与现有技术相比，其优点在于：ECT电极与ERT电极处于同一截面位置，可获取同一时间、同一截面的流场信息；ECT电极与ERT电极交叉安装于管壁圆周上，二者的测量数据分别从不同角度反映被测对象的流场分布，其所包含的信息更加丰富，有利于提高双模态系统图像重建的质量。所述ERT电极在ECT电极阵列工作时与地导通，其作用是ECT电极阵列的径向屏蔽电极，不但不会影响ECT传感器的工作，反而有利于减小被测电容的动态范围。交叉式的复合阵列传感器，拥有更加丰富的激励、测量策略，使双模态系统的数据采集更具灵活性。

以上对本发明进行示意性描述，并不局限于此，附图中所示只是本发明的实施方式之一，若本领域研究人员在不脱离本发明宗旨的情况下，提出与该技术方案相似的结构形式，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1、一种ECT/ERT双模态成像系统交叉式复合阵列传感器，该复合阵列传感器设置于被测对象的管道上，其特征是：该复合阵列传感器包括有电极数量一致的ECT电极(1)阵列和ERT电极(6)阵列，ECT电极(1)阵列和ERT电极(6)阵列均匀、交叉地设置在被测管道同一截面的内/外壁上，ECT电极(1)阵列和ERT电极(6)阵列中的电极数分别为8～64个，在每两个ECT电极(1)之间设置ERT电极(6)，在所述ERT电极(6)的外部设置有屏蔽罩(7)，所述ERT电极(6)与外屏蔽罩(7)不导通；当ECT电极(1)阵列工作时，使ERT电极(6)处于与地导通的状态，则ERT电极成为ECT电极阵列的径向屏蔽电极；当ERT电极(6)阵列工作时，使ECT电极(1)处于高阻状态，虽然ECT电极(1)会产生微小的泄漏电流，但不致影响ERT系统的测量精度，另外将ECT电极设置在被测管道外壁上或将设置于内壁上的ECT电极(1)覆以绝缘涂层，以进一步减弱ECT电极(1)对ERT敏感场的影响；当ERT电极(6)阵列工作时，也能够使ECT电极(1)处于接地状态，则ECT电极成为ERT电极阵列的径向屏蔽电极。

2、根据权利要求1所述的复合阵列传感器，其特征是：所述ECT电极(1)阵列和ERT电极(6)阵列中的电极数能够选用8个、12个、16个、24个、32个或64个之一。

3、根据权利要求1所述的复合阵列传感器，其特征是：所述ECT电极(1)阵列和ERT电极(6)阵列中的电极为矩形金属片。

4、根据权利要求3所述的复合阵列传感器，其特征是：所述金属片为不锈钢、钛合金或铜材料制成。

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