CN101566639A - 一种基于电磁层析成像的钢水流速测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体流速检测技术领域，涉及一种基于电磁层析成像的钢水流速测量装置，包括上游、下游传感器、信号调理和采集单元、功率放大器和上位计算机，上游和下游传感器分别由环形线圈阵列构成；对于每个传感器，依次选通一个线圈作为激励线圈，以其他线圈为接收线圈，对激励线圈施加激励信号，并采集各个接收线圈的感应信号；上位计算机根据上游和下游测量数据分别进行图像重建，得到各自的电导率分布图像，然后再对两幅电导率分布图像进行基于像素的互相关计算，从而得到钢水的流速分布。本发明同时提供一种上述装置所采用的测量方法。本发明在非接触式的情况下能够得到高温液态钢水的流动状态，对炼钢过程的优化有很大的现实意义。

Description

一种基于电磁层析成像的钢水流速测量方法和装置

技术领域

本发明涉属于流体流速检测技术领域，涉及一种基于电磁感应原理的流体流速测量装置和方法。

背景技术

电磁层析成像(Electromagnetic Tomography，EMT或Magnetic InductionTomography，MIT)是一种在二十世纪九十年代发展起来的基于电磁感应原理的新型层析成像技术。它利用激励线圈产生一次交变磁场，和被测物相互作用；不同电磁特性的被测物在不同频率下产生不同的二次感应交变磁场，因此测量二次感应磁场可以反演被测物的电磁特性。二次磁场和一次磁场的叠加和测量线圈的感应电压成正比，感应电压包括了实部和虚部。

在EMT系统中，往往采用多个激励线圈和接收线圈，这样通过电扫描，产生旋转的激励磁场来形成对被测物的多个方向的投影。根据测量得到的感应电压值，成像算法对物体内部的电导率进行重建，从而得到物体的切面图像。目前为止，所有的线圈分布都是在一个切面上，其目的是形成切面图像，而这样的设计无法得到物体的流动速度(比如钢水的流速)。申请号为02116905.5，发明人为徐苓安等的专利“电磁层析成像的基于相位反馈搜索信号解调装置及方法”，以及申请号为200410047941.7，发明人为刘泽的专利“电磁层析成像系统的快速并行激励装置及方法”中均指利用分布在一个切面的线圈进行物质分布的重建。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于钢水流速测量的测量装置与方法，以解决以上提到的问题，本发明利用双电磁层析成像传感器进行物质分布和流速测量。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于电磁层析成像的钢水流速测量装置，包括上游电磁层析成像传感器、下游电磁层析成像传感器、信号调理和采集单元、功率放大器和上位计算机，所述的上游和下游电磁层析成像传感器分别由均匀分布在同一个切面上的环形线圈阵列构成，两个切面相互平行；对于每个传感器，由上位计算机依次选通一个线圈作为激励线圈，以其他线圈为接收线圈，对激励线圈施加激励信号，并控制信号调理和采集单元采集各个接收线圈的感应信号；上位计算机对所采集上游和下游测量数据分别进行图像重建，得到各自的电导率分布图像，然后再对两幅电导率分布图像进行基于像素的互相关计算，从而得到钢水的流速分布。作为优选实施方式，本发明的钢水流速测量装置，每个传感器由3-32个线圈构成；构成电磁层析成像传感器的线圈由绝缘导线绕制而成，绕线的直径为0.1mm-10mm，绕线的匝数为10-1000匝，线圈的直径为5mm-500mm。

本发明同时提供一种采用上述的测量装置实现的钢水流速测量方法，包括下列步骤：

(1)依次选通一个线圈作为激励线圈，以其他线圈为接收线圈，对激励线圈施加激励信号；

(2)对上游电磁层析成像传感器进行数据采集，得到测量数据；

(3)对下游电磁层析成像传感器进行数据采集，得到测量数据；

(4)根据上游电磁层析成像传感器的测量数据进行图像重建，得到电导率分布图像；

(5)根据下游传感器测量数据进行图像重建，得到电导率分布图像；

(6)对上游和下游的两幅电导率分布图像进行基于像素的互相关计算，从而得到钢水的流速分布。

上述的的图像重建和相关计算可以包括下列步骤：

(1)利用测量数据到灵敏度矩阵A(M×N)，其中M是测量数，N为像素数，设传感器的线圈数量为n，那么单个传感器的测量数M为n(n-1)/2；

(2)使用公式x＝(A^T·A+μI)^-1·A^T·z进行图像重建，其中，z是测量向量((N×1))，(A^T·A+μI)^-1为Tikhonov正则化过程，其中，μ为与图像最

终平滑度相关的正则化系数，和I为单元阵；

(3)通过最大化互相关函数获得流动转移时间，互相关函数为 $R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\Δt}\right)=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\Δt})\mathrm{dt},$ 其中，x(t)，y(t)-上游和下游的在同一个像素上的图像值的时间序列；Δt-转移时间；T-积分时间

(4)对每个像素都进行上述互相关操作，并根据公式 $v=\frac{L}{\mathrm{\Δt}*},$ 则计算其对应的

流速，其中，L-上游和下游传感器之间的距离，Δt*--流动转移时间。

本发明的测量方法，所采用的像素数N可以为40-200之间。

本发明的装置和方法，能够得到物体的截面电导率分布，进而利用互相关方法测量其截面的流速分布；在钢铁行业，目前，对于在水口处钢水的流动状态没有有效的测量手段。由于这是一个封闭高温过程，光学法、接触超声法等无法进行测量。采用基于EMT互相关这样测量方法和装置，在非接触式的情况下能够得到高温液态钢水的流动状态，对炼钢过程的优化有很大的现实意义。很好的了解钢水的流动状态对于提高下游钢的洁净度和提高钢产品的品质有很大的益处。

附图说明

图1本发明的基于电磁层析成像系统的钢水流速测量装置原理图；

图28线圈电磁层析成像传感器示意图；

图3单个线圈示意图。

具体实施方法

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

图1中，共有两个电磁层析成像传感器分别安装在钢水的上游和下游，每个传感器由多个均匀分布在同一截面上的环形线圈阵列组成。信号发生单元采用直接数字合成(DDS)芯片AD7008，该芯片可以产生不同幅度和相位的正弦激励信号。激励信号的幅度和相位可由计算机设置，通过功率放大器放大后加装在由模拟开关选通的激励线圈上。

计算机控制信号调理和采集单元进行对上游和下游传感器互感的数据顺序的采集，其中的顺序由模拟开关控制。通常对本发明的电磁层析成像而言，每一个传感器的独立测量数为n(n-10/2，其中n为传感器的线圈数。所以上游和下游传感器的总的测量数为n(n-1)。

模拟开关将功率放大器输出的信号分配到需要的激励线圈上，模拟开关的电流承受值应为10mA至1A之间。模拟开关可以采用MAXIUM公司的大电流开关芯片(如MAX4656)。

图2为8线圈电磁层析成像传感器示意图。图3为单个线圈结构示意图。图中，1、2为线圈引出接头，接至模拟开关。3为线圈架，4为线圈绕线。

一个上游或下游电磁层析成像传感器的线圈个数为3-32(典型为8个)。构成电磁层析成像传感器的线圈由绝缘导线绕制而成，绕线的直径为0.1mm-10mm，绕线的匝数为10-1000匝，线圈的直径为5mm-500mm。线圈架为非导电材料或由导电率较低的材料制成，比如耐高温塑料等。

在数据采集过程中，传感器的一个线圈被选为激励线圈，加载激励信号，而其它n-1个均为接收线圈，它们的感应电压通过放大与解调送入数据采集板。之后，下一个线圈变为激励线圈，依次例推。得到了其中一个传感器的测量数据n(n-1)/2后，即可对其进行图像重建，这个过程为：

1.首先，利用有限元仿真或实际系统的测量得到灵敏度矩阵A(M×N)。其中M是测量数，N为像素数。x是像素向量(M×1)，z是测量向量，((N×1))，是由n(n-1)/2个测量数据向量化而得来的。利用测量数据到灵敏度矩阵A(M×N)，其中M是测量数，N为像素数

2.使用公式x＝(A^T·A+μl)^-1·A^T·z进行图像重建，其中，z是测量向量((N×1))，(A^T·A+μI)^-1为Tikhonov正则化过程，其中，μ为与图像最终平滑度相关的正则化系数，和I为单元阵。

得到了图像后，基于像素的互相关操作为：

通过最大化互相关函数获得流动转移时间，互相关函数为

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\Δt}\right)=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\Δt})\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中x(t)，y(t)-上游和下游的在同一个像素上的图像值的时间序列；

Δt-转移时间

T-积分时间

那么，流速为

$v=\frac{L}{\mathrm{\Δt}*}---\left(2\right)$

其中，

L-上游和下游传感器之间的距离，

Δt*--流动转移时间.

对每个像素都进行互相关操作，则可找到其对应的流速。

Claims (6)

1.一种基于电磁层析成像的钢水流速测量装置，包括上游电磁层析成像传感器、下游电磁层析成像传感器、信号调理和采集单元、功率放大器和上位计算机，其特征在于，所述的上游和下游电磁层析成像传感器分别由均匀分布在同一个切面上的环形线圈阵列构成，两个切面相互平行；对于每个传感器，由上位计算机依次选通一个线圈作为激励线圈，以其他线圈为接收线圈，对激励线圈施加激励信号，并控制信号调理和采集单元采集各个接收线圈的感应信号；上位计算机对所采集上游和下游测量数据分别进行图像重建，得到各自的电导率分布图像，然后再对两幅电导率分布图像进行基于像素的互相关计算，从而得到钢水的流速分布。

2.根据权利要求1所述的基于电磁层析成像的钢水流速测量装置，其特征在于，每个传感器由3-32个线圈构成。

3.根据权利要求1所述的基于电磁层析成像的钢水流速测量装置，其特征在于，构成电磁层析成像传感器的线圈由绝缘导线绕制而成，绕线的直径为0.1mm-10mm，绕线的匝数为10-1000匝，线圈的直径为5mm-500mm。

4.一种采用权利要求1所述的测量装置实现的钢水流速测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)依次选通一个线圈作为激励线圈，以其他线圈为接收线圈，对激励线圈施加激励信号；

(2)对上游电磁层析成像传感器进行数据采集，得到测量数据；

(3)对下游电磁层析成像传感器进行数据采集，得到测量数据；

(4)根据上游电磁层析成像传感器的测量数据进行图像重建，得到电导率分布图像；

(5)根据下游传感器测量数据进行图像重建，得到电导率分布图像；

(6)对上游和下游的两幅电导率分布图像进行基于像素的互相关计算，从而得到钢水的流速分布。

5.根据权利要求4所述的钢水流速测量方法，其特征在于，其中的图像重建和相关计算包括下列步骤：

(1)利用测量数据到灵敏度矩阵A(M×N)，其中M是测量数，N为像素数，设传感器的线圈数量为n，那么单个传感器的测量数M为n(n-1)/2；

(2)使用公式x＝(A^T·A+μI)^-1·A^T·z进行图像重建，其中，z是测量向量((N×1))，(A^T·A+μI)^-1为Tikhonov正则化过程，其中，μ为与图像最终平滑度相关的正则化系数，和I为单元阵；

(3)通过最大化互相关函数获得流动转移时间，互相关函数为 $R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\Δt}\right)=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\Δt})\mathrm{dt},$ 其中，x(t)，y(t)-上游和下游的在同一个像素上的图像值的时间序列；Δt-转移时间；T-积分时间

(4)对每个像素都进行上述互相关操作，并根据公式 $v=\frac{L}{\mathrm{\Δt}*},$ 则计算其对应的流速，其中，L-上游和下游传感器之间的距离，Δt^*--流动转移时间。

6.根据权利要求5所述的钢水流速测量方法，其特征在于，所述的像素数N为40-200之间。

Images