CN107526048A - 一种基于磁阻传感器的磁导率电磁层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁阻传感器的磁导率电磁层析成像系统，所采用的传感器为电磁成像传感器，包括M个激励线圈、N对磁阻传感器和电磁屏蔽层，激励线圈和磁阻传感器均放置于电磁屏蔽层内部；每个激励线圈有单独的激励通道；激励线圈排布在柱形物场区域外的同一个截面上；各对磁阻传感器也排布在此同一个截面上，激励线圈与磁阻传感器排布在不同的圆周上，且每对磁阻传感器均位于某个激励线圈内部。在控制模块的控制下，激励信号产生与功率放大单元产生不同幅值不同频率的激励信号，通过多通道选通开关接通到指定的激励线圈上，磁阻传感器所输出的信号通过选通开关经过信号调理与采集单元送入控制模块；控制模块进行解调后通过通信模块传递到上位机。

Description

一种基于磁阻传感器的磁导率电磁层析成像系统

技术领域

本发明属于流态化技术的多相流体成像领域，特别涉及磁导率电学层析成像装置。

背景技术

流态化技术具有非常高的传热和传质效率与大量处理颗粒的能力，现已广泛应用于固体燃料的燃烧、煤炭的气化与焦化、固体物料的输送、化工生产中的气、固相催化反应、物料干燥、加热与冷却、石油裂解、冶金、环保等领域，而且其应用领域还在不断扩大。

多相流化过程多相识别至关重要，尤其是固相催化剂的识别与分布状态的监控可有效避免大泡、腾涌与沟流等异常流化状态，提高生产效率，指导流化床的设计、工业放大和优化。固相含率的提高有利于提高反应器的体积利用率，从而提高反应速率和产物浓度，同时也会存在局部颗粒堆积等情况，电导探针、皮托管、光纤探针、超声探头等传统测量方法都不能正常工作或极易损坏。

在常规气液固三相流化床中，气相一般为空气、氢气等，液相为水或油，固相为催化剂。气相、液相一般不具有磁导率，而催化剂本身带有高磁导率或可通过改性的方式使其带有高磁导率，磁导率上固相显著区别于气液两相。对磁导率敏感的电磁层析成像技术(Electromagnetic Tomography，简称EMT)具有无辐射，可适应不透明管壁和流体的特点可实现固相催化剂的相识别与分布测量，且其时间分辨率可达毫秒级，完全满足流化床在较高表观气相和液相速度条件下的测量要求。

传统EMT使用的是线圈激励线圈检测方式，测量线圈灵敏度与频率成正比，而提高频率，又会限制该技术在大尺度流化床上的应用。同时由于线圈的尺寸不易设计的很小，这就限制了激励检测线圈的个数与检测精度。

传统EMT主要基于涡流原理，通过线圈的感应电流(二次场信息)获得电导率的分布，进而实现的相的区分，二次场场强相对较弱，使得EMT检测精度受到严重限制，为了提高线圈的感应电流，需要提高激励磁场的幅值和频率，为激励电路带来严重考验与成本消耗。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术上的不足，提供一种灵敏度高、可靠性好、测量范围宽的多相流体系中磁导率物质相识别与相分布检测成像系统。本发明采取的技术方案为：

一种基于磁阻传感器的磁导率电磁层析成像系统，用于对位于柱形物场区域的多相流体系中磁导率物质相识别与相分布检测，包括传感器、通信模块、控制模块、信号调理与采集单元、激励信号产生与功率放大、多通道选通开关和上位机，其中，

所采用的传感器为电磁成像传感器，包括M个激励线圈、N对磁阻传感器和电磁屏蔽层，激励线圈和磁阻传感器均放置于电磁屏蔽层内部；每个激励线圈有单独的激励通道；激励线圈排布在柱形物场区域外的同一个截面上；各对磁阻传感器也排布在此同一个截面上，激励线圈与磁阻传感器排布在不同的圆周上，且每对磁阻传感器均位于某个激励线圈内部；每对磁阻传感器能检测物场径向和切向的磁场大小；

在控制模块的控制下，激励信号产生与功率放大单元产生不同幅值不同频率的激励信号，通过多通道选通开关接通到指定的激励线圈上，磁阻传感器所输出的信号通过选通开关经过信号调理与采集单元送入控制模块；控制模块进行解调后通过通信模块传递到上位机。

附图说明

图1示电磁层析成像系统结构示意图

图2表示了电磁层析成像系统的结构。图中，1代表外层电磁屏蔽层；2表示管道；3表示激励线圈，图2中共有8个激励线圈，实际系统中可扩展，设激励线圈的个数为M个；4表示两种不同放置方向的磁阻传感器，每两个为一组，在每个线圈的中心位置各有一组，其敏感轴方向相互垂直，分别用于测量轴向和径向的磁场强度。

5表示物场区域。图2中表示了8对，即16个磁阻传感器，实际可扩展，设磁阻传感器的个数为N对。

图3电磁层析成像系统传感器设计截面图

图中，1：电磁磁屏蔽层2：管道3：激励线圈4：磁阻传感器5：物场区域。

图4示意了磁阻传感器敏感轴方向

图中5表示物场区域，8和9是一对磁阻传感器，分别测量该位置的切向与径向磁场强度。

图5本发明的电磁层析成像系统的一个实施例的结构示意图

具体实施方式

本发明引入并设计了流态化电磁层析成像磁阻传感器阵列，通过磁阻直接检测磁场方式，可获得磁导率分布，实现磁导率分布参数测量与磁导率成像。磁阻传感器，检测灵敏度不受激励磁场频率的影响，大大提高了适用范围，同时由于其具有灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、抗恶劣环境、体积小等优点受到越来越多的青睐。本系统引入磁阻传感器，由于其尺寸小，一般为5mm以内，可实现磁场的径向和切向的直接检测，增加检测点个数，提高系统的检测灵敏度，同时降低了对激励频率的需求。设计磁导率分布重建的EMT技术，通过磁导率分布情况，识别固相信息并获得其分布图像，进而为实现具有磁导率物质的相识别与分布参数测量。

当高磁导率催化剂置于磁场空间时会改变磁场分布，高磁导率物质处磁场线密度大，同时固相催化剂也会产生感应电流的二次场。传统EMT以线圈作为磁场检测元件，主要基于涡流二次场的原理。利用磁阻检测一次场可直接获得磁导率分布，从而获得固相识别与分布。一次场的场强要远远高于感应电流的二次场，磁阻传感器的使用可提高检测精度，同时降低硬件设计限制与成本。

由于涡流效应附近其他线圈也会影响磁场的分布；但是磁阻作为磁场检测元件就不会出现这种情况，这就减小了图像重建的难度。

磁阻效应是指是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。本发明利用了磁阻对磁场的高灵敏度特性，用其直接检测磁场强度，克服了传统EMT线圈检测低频条件下灵敏度低的问题。

电磁层析成像传感器采用磁阻阵列进行设计，磁阻传感器可分为常磁阻(Ordinary Magneto resistance,OMR)，巨磁阻(Giant Magneto resistance,GMR)，超巨磁阻(Colossal Magneto resistance,CMR)，异向磁阻(Anisotropic magneto resistance,AMR)，穿隧磁阻效应(Tunnel Magneto resistance,TMR)，常磁阻电阻的变化通常小于5％，超巨磁阻相变温度较低，异向磁阻适合弱磁场测量，综合考虑检测精度与激励磁场范围GMR和TMR适用于本系统。

为了提高检测灵敏度设计了如图3所示的电磁层析成像传感器，每组磁阻传感器敏感轴方向如图4所示，分别检测物场径向和切向磁场，径向磁场为a+bi，切线磁场强度为c+di，则该点磁场通过矢量合成为x+yi。

为了提高场强及灵敏度，采用对称增强循环激励策略，对于图3所示，记如图所示三点钟位置的激励线圈为#1，逆时钟方向依次为#2至#M(M为偶数，且线圈均匀对称放置)。首先分别对激励线圈#1及其相对称位置#M/2+1激励线圈施加相同交变电流，且两激励线圈产生的磁场方向相同，EMT系统依次扫描各磁阻传感器的输出信号；然后按此种方式依次对线圈#2,#3，…，#M/2及其对称激励线圈施加激励，并分别测量磁阻传感器输出，直至完成全部测量，通过径向与切向磁阻的矢量合成x+yi，最终得到其模值组成测量值向量U(P×1)。

利用所采集的数据得到灵敏度矩阵S(P×Q)，其中P是独立测量数，Q为像素点，激励线圈个数为M，接收的磁阻传感器个数为N对，那么独立测量数P为M×N。

建立灵敏度矩阵线性化模型，并对其归一化，U＝Sg式中U是归一化测量值向量，S是灵敏度矩阵，g是表示物质磁导率相对变化的灰度值向量。即可由已知的U求解未知量g。但灵敏度矩阵S不是方阵，是病态矩阵，可利用S^T代替逆阵。构建目标函数g_μ＝(S^TS+μI)^{- 1}S^TU，其中，I是单位矩阵，μ为正则化参数，(S^TS+μI)^-1S^T为正则化过程即敏感场的最优化重建矩阵。由各个像素上的灰度值进行成像。

Claims (1)

1.一种基于磁阻传感器的磁导率电磁层析成像系统，用于对位于柱形物场区域的多相流体系中磁导率物质相识别与相分布检测，包括传感器、通信模块、控制模块、信号调理与采集单元、激励信号产生与功率放大、多通道选通开关和上位机，其特征在于，

所采用的传感器为电磁成像传感器，包括M个激励线圈、N对磁阻传感器和电磁屏蔽层，激励线圈和磁阻传感器均放置于电磁屏蔽层内部；每个激励线圈有单独的激励通道；激励线圈排布在柱形物场区域外的同一个截面上；各对磁阻传感器也排布在此同一个截面上，激励线圈与磁阻传感器排布在不同的圆周上，且每对磁阻传感器均位于某个激励线圈内部；每对磁阻传感器能检测物场径向和切向的磁场大小。

在控制模块的控制下，激励信号产生与功率放大单元产生不同幅值不同频率的激励信号，通过多通道选通开关接通到指定的激励线圈上，磁阻传感器所输出的信号通过选通开关经过信号调理与采集单元送入控制模块；控制模块进行解调后通过通信模块传递到上位机。