CN101609066B - 一种基于丝网的电磁传感成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体层析成像技术领域，涉及一种基于丝网的电磁传感成像系统，用于测量至少有一相导电或导磁的两相流体，包括安装在垂直于管道轴向上的丝网电感成像传感器、激励信号发生单元、信号测量单元、模拟选通开关、上位成像计算机。丝网传感器由相互垂直、并在轴向方向靠近的第一和第二组绝缘导体组成，每组绝缘导体的各条绝缘导体之间相互平行。本发明同时提供一种采用上述系统实现的成像方法。本发明的成像系统和方法，可以不需通过复杂的重建算法，而得到导电或导磁流体和粉体的空间分布。

Description

一种基于丝网的电磁传感成像系统和方法

技术领域

本发明属于两相流体的层析成像技术领域，涉及一种基于丝网的电磁传感成像系统。

背景技术

两相流动现象广泛存在于石油、化工、能源动力等现代工程领域。在实际工业两相流系统中，两相流流型的不同，不但影响两相流的流动特性，而且影响系统运行的可靠性和效率。两相流流型的在线显示及辨识对生产过程的监控、故障诊断等均具有重要意义。同时，在一些流体计量领域，能够实时准确地对两相或多相流体在流动截面进行成像，是工业界许多应用所迫切需要的技术。

过程层析成像技术以多相流为主要研究对象，可以获得多相流体的二维/三维的时空局部微观分布信息，这为流动特性复杂多变、常规方法检测参数难度较大的多相流领域提供了一条有效的在线测量和观测途径。其中，X射线、γ射线过程层析成像是最早发展起来的技术，它是依据射线穿透被测介质时产生的衰减作用来进行检测。这类技术的图像重建算法简单，具备较高的成像精度，但由于其放射性特点，在现场使用防护成本较高，目前未能普及到许多的应用场合。

电学层析成像是一种通过在物体边缘/表面进行电/磁测量而得到物体内部切面分布的层析成像方法。它包含有三个主要的模态，即电阻(Electrical Resistance Tomography，ERT)、电容(Electrical Capacitance Tomography，ECT)及电磁(Electromagnetic Tomography，EMT)层析成像。它们可用于多相流的成像与检测，但是它们也有各自的局限。例如，ECT无法准确测量导电物质，而ERT无法测量导磁物质。国内外的研究人员在单独发展这两项技术的基础上，也尝试将它们融合来发展双模态层析成像技术。如公开号为CN1793879的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，但是其电阻模态和电容模态同步激励会产生耦合现象，增加硬件系统的复杂度；分时激励又对应分时测量，无法做到对同一流型剖面的同步测量。虽然EMT可以应用于能用导电率或导磁率表征物体特性的所有领域，弥补了ECT/ERT在应用范围上的不足。它通过在激励线圈内通入交变电流产生激励磁场，检测线圈获得物场在边界上的信息，由此重建物场空间导电率或导磁率的分布。但它有和ECT和ERT共有的缺点。这三种技术都具有极强的非线性、病态性和软场特性，这使图像重建过程变得复杂，即使采用实时性很差的复杂的迭代算法，图像的空间分辨率也较低。这些特点限制了电学层析成像技术在实际中的应用。

申请号为200610074260.9的两相流体网丝电容层析成像方法采用介入式方法对两相流进行测量，但是它基于电容原理，无法对导电和导磁流体进行测量。

发明内容

针对以上提到现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种新型的介入式丝网电感成像系统，实现对导电，或导磁的两相流体或粉体进行实时、快速的成像方法。

考虑到两相流系统的多变性、快速性以及各相在空间分布的复杂性，成像的速度和精度是需要着重解决的问题。本发明所提供的丝网电感层析成像方法就是上述问题的一种技术解决方案。本发明的目的是这样实现的：

一种基于丝网的电磁传感成像系统，用于测量至少有一相导电或导磁的两相流体，包括安装在垂直于管道轴向上的丝网电感成像传感器、激励信号发生单元、信号测量单元、模拟选通开关、上位成像计算机；所述的丝网传感器由相互垂直、并在轴向方向靠近的第一和第二组绝缘导体组成，每组绝缘导体的各条绝缘导体之间相互平行，对于第一组绝缘导体，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一对相邻的绝缘导体，该对相邻的绝缘导体，一端相通，另一端分别接到激励信号发生单元的输出端上，形成激励通路，对于第二组绝缘导体，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一对相邻的绝缘导体，该对相邻的绝缘导体，一端相通，另一端分别接到信号测量单元的输入端上，形成测量通路；被同时选通的激励通路和测量通路围成一个空间交叉区域，定义 $\mathrm{\φ}=\frac{U}{I}$ 为该空间交叉区域的磁通，其中，U为感应电压，I为激励电流，由上位成像计算机根据加载在激励通路上的激励信号和从测量通路上接收的感应信号计算相应空间交叉区域的磁通，得到各个空间交叉区域的磁通，从而获取待测导电或导磁两相流体的实时图像。

本发明的基于丝网的电磁传感成像系统，第一组和第二组绝缘导体可以分别由3-200条绝缘导体构成；绝缘导体可以为单根导线，导线的直径可以在0.1mm-10mm之间。

本发明同时提供一种利用上述系统实现的电磁传感成像方法，包括下列步骤：

(1)选通一个通路作为激励通路，以其它与之垂直的通路为测量通路，对激励通路施加激励信号；

(2)对垂直通路上的感应电压进行数据采集，得到测量数据；

(3)选通下一个激励通路，对垂直通路上的感应电压进行数据采集；直至所有的通路组合完成；

(4)通过计算各个空间交叉区域的磁通，从而获取待测导电或导磁两相流体的实时图像。

本发明的测量方法，所采用的像素数N可以在4-39601(即199*199)之间，每个像素对应一个由激励和测量通路围成的空间交叉区域。

与现有的其他层析成像方法相比，本发明采用了介入式的丝网传感器，将管道的横截面转化为丝网中空间交叉处的集合，避开了复杂的图像重建算法，极大的提高了获取实时图像的效率。同时在测量原理上仅要求一相具有导电或导磁性，具备很好的通用性。另一方面，本发明原理是以磁通回路为感应单元，具体形状可以视实际情况改变，能够适应特殊流通截面的要求。

本发明所得到的实时图像能实现两相流的流型识别，以及获取各相成分在管道横截面上的浓度分布，同一管道像素点的数目越多，实时图像所能提供的信息越详细；还可以在管道内布置两个或两个以上的丝网传感器，通过上下游的检测，可以进一步获取两相流体的各相流量、速度和运动轨迹的信息。

附图说明

图1是本发明的基于丝网的电磁传感系统装置原理图；

图2是8导线9像素的丝网电磁传感器示意图；

图3磁通回路选通示意图。图中，9模拟选通开关；10激励信号发生单元；11信号测量单元

具体实施方法

本发明提出一种基于丝网的电磁传感成像系统和成像方法，适于用于测量至少有一相导电或导磁的两相流体，例如：水/油两相流，其中水导电，油不导电。尤其是近海油田开发中的水/油两相流中的水导电性更强，导电物体中会产生涡流，会使磁通变化。磁性流体的例子有：微小的磁粒子(直径为10纳米)悬浮在在溶液中形成磁性流体，这在纳米科学中有重要应用。导磁流体也会使磁通变化。

图1是按照本发明实施的一种基于丝网的电磁传感系统装置原理图。它由丝网式传感器、数据采集和上位成像计算机三个主要部分构成，其中数据采集部分包括了激励信号发生、模拟选通开关以及信号测量几个单元。激励信号发生单元可采用直接数字合成(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选通开关选通的激励线圈上。

使用时，丝网传感器垂直于管道轴线布置，计算机控制测量单元对测量通路上的感应电压进行数据采集，其中的顺序由模拟选通开关控制。对本发明的层析成像而言，若激励通路的个数为N，测量通路的个数为M，那么成像的像素为M*N。

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

丝网式电磁传感器的形式如图2所示，以8导线为例。将导线1，2一端电相连，另一端施加激励构成激励通路；与它垂直的导线5和6、6和7、7和8则分别构成测量通路。对各个测量通路上的感应电压进行数据采集，使用公式 $\mathrm{\φ}=\frac{U}{I}$ (U为感应电压，I为激励电流，φ为磁通)可以分别得到空间交叉区域①、②、③的磁通。将导线2，3一端电相连，另一端施加激励构成激励通路；与它垂直的导线5和6、6和7、7和8则分别构成测量通路。同理分别得到空间交叉区域④、⑤、⑥的磁通。同理，将导线3，4，一端电相连，另一端施加激励构成激励通路，与它垂直的导线5和6、6和7、7和8则分别构成测量通路。可以得到空间交叉区域⑦、⑧、⑨的磁通。磁通回路选通示意图如图3。在图3中，激励信号10通过模拟选通开关9加载到其中两个相邻的导线上，这两个导线的另一端通过模拟选通开关9电相连，形成激励通路，信号测量单元11的输出端通过模拟选通开关连接到与激励通路垂直的两条导线上，这两条导线的另一端通过模拟选通开关电相连，形成测量通路。

通过图2可以清楚看到，8条导线在管道横截面上均匀形成了9个空间交叉区域。因此，通过获取这些空间交叉区域的磁通，可以不需通过复杂的重建算法得到导电或导磁流体和粉体的空间分布，从而直接获取两相流体的实时图像。在磁通回路足够多的情况下，实时图像可以达到很高的分辨率。

本实施例采用单根绝缘导线构成丝网，绕线的直径为0.1mm-10mm，。

本发明的丝网式电磁传感器，由上位成像计算机依次选通一对相邻的绝缘导线形成激励环路，并施加激励信号；以其他与激励环路相垂直的环路作为接收环路，并控制感应信号采集单元采集各个接收环路上的感应信号。因为互相垂直的两个回路形成的空间交叉区域的磁通受此处物质的导电率和导磁率的影响，所以通过测量两个回路空间交叉处的磁通，就可以不需要经过复杂的重建算法，得到导电或导磁流体和粉体的空间分布。本发明的丝网电感层析成像装置，每个传感器可以由6-400条绝缘导线组成；导线的直径为0.1mm-10mm。

测量方法具体包括以下步骤：

(1)选通一个通路作为激励通路，以其他与之垂直的通路为测量通路，对激励通路施加激励信号；

(2)对垂直通路上的感应电压进行数据采集，得到测量数据。

(3)选通下一个激励通路，对垂直通路上的感应电压进行数据采集；直至所有的通路组合完成；

(4)通过测量两个回路的空间交叉区域的磁通(感应电压除以激励电流)，将空间交叉区域的磁通值表示为二维图像的灰度值，从而直接得到两相流体的实时图像。

Claims (5)

1.一种基于丝网的电磁传感成像系统，用于测量至少有一相导电或导磁的两相流体，包括安装在垂直于管道轴向上的丝网电感成像传感器、激励信号发生单元、信号测量单元、模拟选通开关、上位成像计算机；所述的丝网传感器由相互垂直、并在轴向方向靠近的第一和第二组绝缘导体组成，每组绝缘导体的各条绝缘导体之间相互平行，对于第一组绝缘导体，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一对相邻的绝缘导体，该对相邻的绝缘导体，一端相通，另一端分别接到激励信号发生单元的输出端上，形成激励通路，对于第二组绝缘导体，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一对相邻的绝缘导体，该对相邻的绝缘导体，一端相通，另一端分别接到信号测量单元的输入端上，形成测量通路；被同时选通的激励通路和测量通路围成一个空间交叉区域，定义为该空间交叉区域的磁通，其中，U为感应电压，I为激励电流，由上位成像计算机根据加载在激励通路上的激励信号和从测量通路上接收的感应信号计算相应空间交叉区域的磁通，得到各个空间交叉区域的磁通，将空间交叉区域的磁通值表示为二维图像的灰度值，从而得到待测导电或导磁两相流体的实时图像。

2.根据权利要求1所述的基于丝网的电磁传感成像系统，其特征在于，所述的第一组和第二组绝缘导体分别由3-200条绝缘导体构成。

3.根据权利要求1所述的基于丝网的电磁传感成像系统，其特征在于，所述的绝缘导体为单根导线，导线的直径为0.1mm-10mm。

4.一种采用权利要求1所述的成像系统实现的基于丝网的电磁传感成像方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)选通一个通路作为激励通路，以其它与之垂直的通路为测量通路，对激励通路施加激励信号；

(2)对垂直通路上的感应电压进行数据采集，得到测量数据；

(3)选通下一个激励通路，对垂直通路上的感应电压进行数据采集；直至所有的通路组合完成；

(4)通过计算各个空间交叉区域的磁通，从而获取待测导电或导磁两相流体的实时图像。

5.根据权利要求4所述的成像方法，其特征在于，实时图像所采用的像素数N在4-39601之间，每个像素对应一个由激励和测量通路围成的空间交叉区域。

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