CN101650328A - 基于双模丝网多相流成像测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多相流体成像技术领域，涉及一种基于丝网的双模(电导、电容)传感成像设备，传感器在纵向由多条相互平行的外表皮绝缘的和非绝缘的导线组成，其中外表皮绝缘的和非绝缘的导线相间分布；传感器在横向由包括多条相互平行的导线组成，其中每一根导线由外表皮绝缘和非绝缘的小段相间串联而成。横向的导线接到激励信号发生器上，而纵向的导线接到测量电路上。本发明通过测量互相垂直的导线的电导和电容值，确定多相流体各相在整个管道横截面上的分布信息，可以不需通过复杂的重建算法，而同时得到流体或粉体的电导率和介电系数在同一切面的空间分布。
Description
技术领域
本发明属于多相流体的成像技术领域，涉及一种基于丝网的双模成像系统。
背景技术
多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。多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、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(ElectricalResistance Tomography，ERT)、电容(Electrical Capacitance Tomography，ECT)及电磁(ElectromagneticTomography，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无法测量导磁和介电物质。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。并且它继承了ECT和ERT共有的缺点，即成像技术具有极强的非线性、病态性和软场特性，这使图像重建过程变得复杂。为了提高图像的分辨率，必须采用复杂的迭代算法，使得实时性很差；如果使用简单的反投影算法，提高实时性，那么图像的空间分辨率就非常低。空间分辨率和实时性成了一对无法调和的矛盾。这些特点限制了电学层析成像(包括双模)技术在实际中的应用。
申请号为200610074260.9的两相流体网丝电容成像方法采用介入式方法对两相流进行测量，具有较高的分辨率和实时性，但是它仅基于电容原理，无法对导电率有差异的流体进行测量。而在许多化工和多相流过程中，多相流体(比如，油田中的油/气/水混合物)由导电和介电物质混合组成，申请号为200610074260.9中所述的技术就会失效。
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双模丝网成像系统，实现对电导率，或(和)介电系数有差异的多相流体进行实时、快速的成像方法。
由于多相流系统的多变性、快速性以及各相在空间分布的复杂性，成像的速度和精度一直以来都制约着成像技术的发展。本发明所提供的双模丝网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：
本发明的基于双模丝网多相流成像测量装置，采用如下的技术方案：
一种基于双模丝网多相流成像测量装置，包括安装在垂直于管道轴向上的至少一个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两组导线组成，每组导线的各条导线之间相互平行，其中的一组导线，分别由外表皮绝缘和非绝缘的两种导线相间排布而成，构成另一组的每个导线，由外表皮绝缘和非绝缘的小段导线相间串联而成，两组导线在空间形成的交叉点分为两种，第一种是由两个导线外表皮非绝缘部分空间相交形成的交叉点，第二种是由两个导线外表皮绝缘部分空间相交形成的交叉点，两种交叉点在整个丝网传感器上呈相间排布；对于其中一组导线，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一个导线作为激励端，接到激励信号发生单元的输出端上；对于另一组导线，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一个导线作为接收端，接到信号测量单元的输入端上；如果测量端和接收端形成的是第一种交叉点，对测量得到的电压数据进行0度相敏解调，得到其电导值，如果测量端和接收端形成的是第二种交叉点，对测量得到的电压数据进行90度相敏解调，得到其电容值，从而得到流体的电导率和介电系数在同一切面的空间分布。
作为优选实施方式，本发明的基于双模丝网多相流成像测量装置，每组传感器由2-200个导线组成；构成传感器的导线由绝缘导线和非绝缘导线构成，导线的直径为0.1mm-10mm。
本发明同时提供一种利用上述测量装置实现的测量方法，包括下列步骤：
(1)选通一组导线中的一条导线作为激励端，以另一组导线中的各条导线分别作为接收端，对激励端施加激励信号；
(2)对各个接收端上的感应电压进行数据采集，得到测量电压数据；如果测量端和接收端形成的是第一种交叉点，对测量得到的电压数据进行0度相敏解调，得到其电导值，如果测量端和接收端形成的是第二种交叉点，对测量得到的电压数据进行90度相敏解调，得到其电容值。
(3)选通前一组导线的其它导线为激励端，重复(2)中的操作，直至所有的通路组合完成；
(4)通过测量相互垂直导线交叉点之间的电导和电容，得到流体的电导率和介电系数在同一切面的空间分布。
与现有的其它层析成像方法相比，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点的集合，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。与传统电容丝网成像方法相比，本发明在测量原理和构造上能同时对在同一截面上的导电和介电物质进行测量，在多相流测量上具备更好的通用性。另一方面，本发明原理是以导线为感应元素，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。并且而且由于每个空间交叉点处的数据独立采集，相互间的影响较小，采集时间短，所以成像精度较高且速度更快。
本发明所得到的实时图像包含管道横截面上两相组分的分布信息，能实现多相流的流型识别，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是本发明的基于双模丝网的成像系统装置原理图；
图2是10根导线25像素的丝网电磁传感器示意图，a为三维示意图，b为俯视图；
图3是激励端选通和测量端数据采集示意图。
具体实施方法
图1是按照本发明实施的双模丝网成像系统装置原理图。它由双模丝网式传感器、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，模拟开关依次选通激励端导线施加激励信号，计算机控制测量单元对测量端导线上的感应电压进行数据采集。对本发明的层析成像而言，若激励端导线的个数为N，测量端导线的个数为M，那么成像的像素为M*N。
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)。
双模丝网式传感器由相互垂直、并在轴向方向靠近的两组导线组成，每组导线的各条导线之间相互平行，如图2所示，以10导线为例。选通导线1作为激励端，与它垂直的导线2、3、4、5、6作为测量端，可以同时对测量通路上的感应电压进行数据采集，得到测量电压数据。其中，导线2、4、6是外表皮非绝缘的导线，与它们空间相交的也是外表皮非绝缘的激励端导线段，对电压数据进行0度相敏解调，得到对应的实部(电导)值；导线3、5则是外表皮绝缘的导线，而相应的，与它们空间相交的是外表皮绝缘的激励端导线段，因此对电压数据进行90度相敏解调，得到对应的虚部(电容)值。
此处给出了一种双模丝网式传感器的实施例，实际使用时，还有其它的实施方式，例如，两组导线，以任何一组的导线作为激励端，另一组的导线作为测量端均可。
激励端选通和测量端数据采集示意图如图3。在图3中，激励信号发生单元7通过模拟选通开关8依次选通一根导线作为激励端。作为接收端的导线则与信号测量单元9直接相连，将采集到的感应电压数据直接输入到上位计算机做相敏解调处理。
通过图2可以清楚看到，10根导线分成2组相互垂直分布，所形成的25个空间交叉点均匀分布于管道的横截面上。因此，通过测量这些空间交叉点处的电容或电导，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。而这种双模丝网的模式，突破了单模测量时对流体性质的限制，检测时获取的多样信息，具备更好的通用性，也使成像质量有显著提高。在丝网导线数目足够多的情况下，实时图像可以达到很高的分辨率。
本实施例中采用绝缘和非绝缘导线，导线的直径为0.1mm-10mm。
Claims (4)
1.一种基于双模丝网多相流成像测量装置，包括安装在垂直于管道轴向上的至少一个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两组导线组成，每组导线的各条导线之间相互平行，其中的一组导线，分别由外表皮绝缘和非绝缘的两种导线相间排布而成，构成另一组的每个导线，由外表皮绝缘和非绝缘的小段导线相间串联而成，两组导线在空间形成的交叉点分为两种，第一种是由两个导线外表皮非绝缘部分空间相交形成的交叉点，第二种是由两个导线外表皮绝缘部分空间相交形成的交叉点，两种交叉点在整个丝网传感器上呈相间排布；对于其中一组导线，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一个导线作为激励端，接到激励信号发生单元的输出端上；对于另一组导线，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一个导线作为接收端，接到信号测量单元的输入端上；如果测量端和接收端形成的是第一种交叉点，对测量得到的电压数据进行0度相敏解调，得到其电导值，如果测量端和接收端形成的是第二种交叉点，对测量得到的电压数据进行90度相敏解调，得到其电容值，从而得到流体的电导率和介电系数在同一切面的空间分布。
2.根据权利要求1所述的基于双模丝网多相流成像测量装置，其特征在于，每组传感器由2-200个导线组成。
3.根据权利要求1所述的基于双模丝网多相流成像测量装置，其特征在于，构成传感器的导线由绝缘导线和非绝缘导线构成，导线的直径为0.1mm-10mm。
4.一种采用权利要求1所述的基于双模丝网多相流成像测量装置实现的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)选通一组导线中的一条导线作为激励端，以另一组导线中的各条导线分别作为接收端，对激励端施加激励信号；
(2)对各个接收端上的感应电压进行数据采集，得到测量电压数据；如果测量端和接收端形成的是第一种交叉点，对测量得到的电压数据进行0度相敏解调，得到其电导值，如果测量端和接收端形成的是第二种交叉点，对测量得到的电压数据进行90度相敏解调，得到其电容值。
(3)选通前一组导线的其它导线为激励端，重复(2)中的操作，直至所有的通路组合完成；
(4)通过测量相互垂直导线交叉点之间的电导和电容，得到流体的电导率和介电系数在同一切面的空间分布。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130123 |
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