CN107764330B

CN107764330B - 一种基于ert传感器的自适应多相流测量装置

Info

Publication number: CN107764330B
Application number: CN201710976992.5A
Authority: CN
Inventors: 王湃
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2018-11-06
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: CN107764330A

Abstract

本发明涉及多相流测量技术领域，尤其涉及一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，包括ERT传感器、信号采集处理系统、控制系统以及图像重建系统，ERT传感器包括设置于导体管道内壁的电极阵列以及多路选择器，电极阵列为沿导体管道轴向均匀排列的M组电极，且每组电极为沿导体管道内壁周向均匀排布的N个电极组成，多路选择器与电极通过导电件实现电连接；电极与导体管道之间以及导电件与导体管道之间设置绝缘件。本发明的测量装置运用闭环控制，自适应的调整ERT传感器的结构，减小测量装置的数据运算压力，增快数据处理速度，提高了测量精度。

Description

一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置

技术领域

本发明涉及多相流测量技术领域，尤其涉及一种用于导体管道的ERT传感器以及自适应多相流测量装置。

背景技术

“多相流”即为具有两种或两种以上的“相”物质同时流动的流体，“相”为物质存在的形式，如气态、液态、固态。多相流现象广泛存在于石油、化工、冶金等工业过程中，而对多相流的流动状态监测是在这些工业过程中存在的一项具有挑战性的问题。

多相流在时间空间上均随机变化，故对多相流的流动特性研究难度远高于对单相流的研究。现有的检测方法大致可分为直接法与间接法，直接法是指对象参数能通过测量直接得出，而间接法是需要在测量值与被测参数建立关系式再通过计算得到。在多相流测量领域内，使用较为广泛的是间接法，如电学法、超声法、射线法等，其中电学法能够提供丰富的物质截面分布信息，并能将管道中的多相介质分布进行可视化重建，但现有技术中运用电学法测量时，均将电学传感器安装在绝缘管道上。电学过程层析成像技术根据测量敏感原理不同又分为电容层析成像(ECT)、电阻层析成像(ERT)、阻抗层析成像(EIT)和电磁层析成像(EMT)等。

电阻层析成像(ERT)技术具有低成本、无放射性、非侵入、可视化等特点，近年随着ERT技术在医疗、地质勘探、工业过程、多相流检测等领域的迅猛发展，它已成为可视化检测领域的代表技术和研究热点。

申请号201410328267.3名称为“基于超声多普勒与电学多传感器的多相流可视化测试方法”的发明专利中公开了在管道上安装电学传感器与超声传感器对管道内被测对象流动特征实现流型识别，但其适用范围仅针对绝缘材质的管道，另外，在流型识别的步骤中，将采集的电学传感器阵列信号与超声传感器阵列信号与预先提取的特征值进行比对得出流型结论，但在整个流型识别的过程中，参与测试的传感器数量以及分布位置始终不变，不能根据流型测量情况调整出更优的测试方案，属于开环的控制系统，如此所得的流型重建结果的精度较低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于导体管道的ERT传感器以及自适应多相流测量装置。

本发明采用以下技术方案：

一种用于导体管道的ERT传感器，包括：设置于导体管道内壁的电极阵列，电极阵列为沿导体管道轴向均匀排列的M组电极，且每组电极为沿导体管道内壁周向均匀排布的N个电极组成，其中，N与M为自然数，且N≥4，M≥2；与电极电连接的多路选择器，多路选择器与电极通过导电件实现电连接；电极与导体管道之间以及导电件与导体管道之间设置绝缘件。

进一步的，导电件一端与电极连接，另一端穿过导体管道并延伸至导体管道管壁外，并与多路选择器的任一激励支路电连接；

绝缘件包括，位于电极与导体管道内壁之间的第一绝缘部，和位于导电件与导体管道通孔壁之间的第二绝缘部。

进一步的，多路选择器至少包括N*M个激励支路，每个激励支路与电极分别电连接，为电极提供激励电压或激励电流。

进一步的，多路选择器还包括至少一个接地支路，接地支路与导体管道电连接。

进一步的，多路选择器与导电件之间、多路选择器与导体管道之间均通过双屏蔽电缆实现电连接。

本发明的一种用于导体管道的ERT传感器，具有以下有益效果：

1、ERT传感器将电极、导电件与导体管道之间设置绝缘件，实现对导体管道内流动的多相流流体的测量，相对于现有技术只能测量非导体管道内的多相流流体，使管道材质不再是多相流流体测量的限制因素，扩大了ERT传感器的适用范围。

2、双屏蔽电缆在电信号的传输过程中可降低信号之间的干扰，使电信号传输更加稳定精确。

本发明同时公开一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，包括上述ERT传感器，还包括信号采集处理系统、控制系统以及图像重建系统，其中：

信号采集处理系统采集ERT传感器测量的电信号，并将电信号转化为数字信号后发送至图像重建系统及控制系统；

控制系统与信号采集处理系统、ERT传感器以及图像重建系统连接，控制系统用于根据信号采集处理系统处理后的数字信号进行流型识别，并根据流型识别结果调整最适用于该流型的ERT传感器结构进行测量，和/或判断流型是否改变，若流型改变，则控制改变ERT传感器的结构以及改变与ERT传感器结构相对应的信号采集处理系统的信号采集结构；若流型没有改变，则将流型识别结果发送至图像重建系统；

图像重建系统根据信号采集处理系统处理后的数字信号，和/或控制系统处理后的流型识别结果进行图像重建并显示进行图像重建并显示。

进一步的，控制系统包括流型识别单元、参考信息单元、比较单元以及传感器结构调节单元，其中：

流型识别单元与信号采集处理系统以及图像重建系统连接，流型识别单元用于根据数字信号识别导体管道内多相流体的流型；

参考信息单元用于储存测量前采样的多种流型的参考数据；

比较单元用于将流型识别单元识别的导体管道内多相流体的流型与参考信息单元中的参考数据进行对比，并根据对比结果确定流型是否发生改变；

传感器结构调节单元与比较单元连接，用于根据比较单元的对比结果调整多路选择器中的激励支路的激励电压或激励电流，使ERT传感器的结构改变。

进一步的，信号采集处理系统包括信号采集单元与信号处理单元，其中：

信号采集单元采集ERT传感器的电信号，信号处理单元将电信号转化为数字信号。

进一步的，图像重建系统包括图像重建计算单元与显示单元，图像重建计算单元根据信号处理单元输出的数字信号进行数据计算处理，并将处理结果通过显示单元进行可视化的显示，和/或，图像重建计算单元根据流型识别单元、比较单元的输出结果对数据进一步处理并通过显示单元可视化显示。

进一步的，信号处理单元包括A/D变换模块以及逻辑控制电路模块，其中：

A/D变换模块将信号采集单元采集的电信号进行转化，逻辑控制电路模块将A/D变换模块的输出作进一步处理得到数字信号。

本发明的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，运用闭环控制的方式，根据流型信息，动态调整出最优的ERT传感器结构(包括：电极数目、电极高度、电极宽度等结构参数)进行测量，并将测量值用于图像重建，从而得到更准确的图像重建结果；本装置自适应地调整ERT传感器结构，不参与测量的电极其使用寿命增长；只有部分电极参与测量，减小了测量装置的数据运算压力，增快了数据处理速度。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明用于导体管道的ERT传感器的第一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明用于导体管道的ERT传感器的第二种实施方式的结构示意图；

图3为本发明用于导体管道的ERT传感器的第三种实施方式的结构示意图；

图4为本发明用于导体管道的ERT传感器的第四种实施方式的结构示意图；

图5为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置功能模块图；

图6为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置功能模块细节图；

图7为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的工作流程图；

图8为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的ERT传感器结构图(一)；

图9为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的ERT传感器结构图(二)；

图10为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的ERT传感器结构图(三)；

图11为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的ERT传感器结构图(四)；

图12为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的ERT传感器结构图(五)；

图13为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的ERT传感器结构图(六)；

图14为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的ERT传感器结构图(七)；

图15为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的ERT传感器结构图(八)；

图16为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的ERT传感器结构图(九)；

图17(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流测试原型图；

图17(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流测试原型图；

图17(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流测试原型图；

图18(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流图像重建效果图(一)；

图18(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流图像重建效果图(一)；

图18(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流图像重建效果图(一)；

图19(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流图像重建效果图(二)；

图19(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流图像重建效果图(二)；

图19(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流图像重建效果图(二)；

图20(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流图像重建效果图(三)；

图20(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流图像重建效果图(三)；

图20(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流图像重建效果图(三)；

图21(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流图像重建效果图(四)；

图21(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流图像重建效果图(四)；

图21(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流图像重建效果图(四)；

图22(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流图像重建效果图(五)；

图22(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流图像重建效果图(五)；

图22(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流图像重建效果图(五)；

图23(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流图像重建效果图(六)；

图23(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流图像重建效果图(六)；

图23(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流图像重建效果图(六)；

图24(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流图像重建效果图(七)；

图24(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流图像重建效果图(七)；

图24(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流图像重建效果图(七)；

图25(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流图像重建效果图(八)；

图25(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流图像重建效果图(八)；

图25(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流图像重建效果图(八)；

图26(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流图像重建效果图(九)；

图26(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流图像重建效果图(九)；

图26(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流图像重建效果图(九)；

图27(a)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的芯流最优图像重建效果图；

图27(b)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的环流最优图像重建效果图；

图27(c)为本发明提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置的层流最优图像重建效果图；

图中：1-导体管道、2-ERT传感器、201-电极阵列、2011-电极、202-多路选择器、2021-激励支路、2022-接地支路、203-导电件、204-绝缘件、2041-第一绝缘部、2042-第二绝缘部、2043-第三绝缘部、3-信号采集处理系统、301-信号采集单元、302-信号处理单元、4-控制系统、401-流型识别单元、402-参考信息单元、403-比较单元、404-传感器结构调节单元、5-图像重建系统、501-图像重建计算单元、502-显示单元。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1至图4所示，为本发明实施例的一种用于导体管道的ERT传感器，包括：设置于导体管道1内壁的电极阵列201，电极阵列201为沿导体管道1轴向均匀排列的M组电极2011，且每组电极2011为沿导体管道1内壁周向均匀排布的N个电极2011组成，其中，N与M为自然数，且N≥4，M≥2；图2为截取图1中安装ERT传感器2的一部分，图1与图2的ERT传感器2选取的是M＝10，N＝32的结构，但需要声明的是，图1所示的ERT传感器2结构仅仅是本发明其中一种实施方式，不能理解为对本发明保护范围的限制。

具体的，ERT传感器2还包括与电极2011电连接的多路选择器202，由于电极2011分布在导体管道1的内壁上，所以，为实现电极2011与多路选择器202的连接，在导体管道1的管壁上开设与电极2011位置相对应的通孔，实现电极2011与多路选择器202之间的连接；更优选的，在多路选择器202与电极2011之间设置导电件203，导电件203一端与电极2011连接，另一端穿过导体管道1并延伸至导体管道1的管壁外，并与多路选择器202的任一激励支路2021电连接；或将导电件203安装在导体管道1管壁的通孔中，将电极2011与导电件203通过焊接等方式固定为一体，此时只需将多路选择器202与导电件203进行连接，便可实现本发明的目的。

具体的，由于ERT传感器2具有N*M个电极2011，所以多路选择器202至少包括N*M个激励支路2021，每个激励支路2021与电极2011分别电连接，为电极2011提供激励电压或激励电流。在图1、图2中，为了保持图像的清楚，只画出了部分电极2011与多路选择器202之间电连接，其余激励支路2021使用省略号省略表示。

具体的，在电极2011与导体管道1之间，在导电件203与导体管道1之间须设置绝缘件204。将电极2011与导电件203的连接体和导体管道1之间完全绝缘开，这是因为ERT传感器2的测量原理是在电极2011上施加激励电压或激励电流，电极2011由于激励电压或激励电流的作用会在多相流流体管道内出现静电场，而在不同相流的流动状态下，所产生的静电场并不相同，通过测量未施加激励电压或激励电流的电极2011和导体管道1管壁之间的电压值，得到ERT传感器测量多相流流体流动的数据；测量在导体管道1内流动的多相流流体时，如果将电极2011与导电件203的连接体不和导体管道1绝缘，则电极2011上施加的激励电压或激励电流相当于接地，此时电极2011并不会产生静电场，即无法实现测量。所以，设置绝缘件204后，将电极2011与导电件203的连接体和导体管道1之间绝缘，才能够实现对多相流流体流动状态的测量。

具体的，多路选择器202还包括至少一个接地支路2022，接地支路2022与导体管道1电连接，使导体管道1的电势为零。或者，导体管道1直接与大地连接，只需将导体管道1的电势保持为零即可满足设计要求。

具体的如图3与图4所示，图3为图2中部分结构的放大图，图4为导体管道1的截面图，其中：绝缘件204包括，位于电极2011与导体管道1内壁之间的第一绝缘部2041，和位于导电件203与导体管道1通孔壁之间的第二绝缘部2042，第二绝缘部2042不仅实现导电件203与导体管道1之间的绝缘，其另一作用是将导体管道1密封，防止在多相流流型测试时，有流体从导电件203与导体管道1之间的缝隙中流出，如此不仅会影响测量结果，还会对ERT传感器2的结构造成一定的损坏。优选的，还包括第三绝缘部2043，第三绝缘部2043位于导体管道1的外壁上，第一绝缘件2041、第二绝缘件2042、第三绝缘件2043的组合能够完全保证电极2011、导电件203与导体套管1之间完全绝缘，实现本方案设计的目的。优选的，将第一绝缘件2041、第二绝缘件2042、第三绝缘件2043设计成“工”型的整体结构，进一步保证了电极2011、导电件203与导体管道1之间的绝缘目的。本实施例对绝缘件204其材质不作具体限定，优选的，选用橡胶制品，橡胶制品不仅有绝缘作用，还具备一定的弹性，能够完全密封导体管道1的管壁通孔，且橡胶耐腐蚀耐高温，化学性能稳定，对测量不会造成任何干扰。

优选的，多路选择器202与导电件203之间、多路选择器202与导体管道1之间均通过双屏蔽电缆实现电连接。双屏蔽电缆在电信号的传输过程中可降低信号之间的干扰，使电信号传输更加稳定精确。

本实施例的一种用于导体管道的ERT传感器，将电极、导电件与导体管道之间设置绝缘件，实现对导体管道内流动的多相流流体的测量，相对于现有技术只能测量非导体管道内的多相流流体，使管道材质不再是多相流流体测量的限制因素，扩大了ERT传感器的适用范围。另外，多路选择器与导电件之间、多路选择器与导体管道之间均通过双屏蔽电缆实现电连接，保证电信号的传输稳定性，测量结果的误差也进一步减小。

本发明同时提供的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，如图5所示，包括上述实施例的ERT传感器2，还包括信号采集处理系统3、控制系统4以及图像重建系统5，其中：

信号采集处理系统3采集ERT传感器2测量的电信号，并将电信号转化为数字信号后发送至图像重建系统5及控制系统4；

控制系统4与信号采集处理系统3、ERT传感器2、图像重建系统5连接，控制系统4用于根据信号采集处理系统3处理后的数字信号进行流型识别，并根据流型识别结果调整适用于该流型的ERT传感器2的结构进行测量，和/或判断流型是否改变，若流型改变，则控制改变ERT传感器2的结构以及改变与ERT传感器结构相对应的信号采集处理系统的信号采集结构；若流型没有改变，则将流型识别结果发送至图像重建系统5；图像重建系统5根据信号采集处理系统3处理后的数字信号，和/或控制系统4处理后的流型识别结果进行图像重建并显示。本方案中通过测量未施加激励电压或激励电流的电极2011和导体管道1管壁之间的电压值，得到ERT传感器测量多相流流体流动的数据，所以ERT传感器结构发生变化后，相应的，未施加激励电压或激励电流的激励支路2021也会发生改变，所以信号采集结构改变是指信号采样的位置会随着未施加激励电压或者激励电流的激励支路2021发生改变。

具体的，如图6所示，控制系统4包括流型识别单元401、参考信息单元402、比较单元403以及传感器结构调节单元404；其中流型识别单元401与信号采集处理系统3以及图像重建系统5连接，流型识别单元401用于根据数字信号识别导体管道内多相流体的流型；参考信息单元402用于储存测量前采样的多种流型的参考数据；比较单元403用于将流型识别单元401识别的导体管道内多相流体的流型与参考信息单元402中的参考数据进行对比，并根据对比结果确定流型是否发生改变；传感器结构调节单元404与比较单元403连接，用于根据比较单元403的对比结果调整多路选择器202中的激励支路的激励电压或激励电流，使ERT传感器2的结构改变。

具体的，信号采集处理系统3包括信号采集单元301与信号处理单元302，其中信号采集单元301采集ERT传感器2的电信号，信号处理单元302将电信号转化为数字信号。信号采集单元301包括至少N*M个测量支路，用于采集在ERT传感器测量时，未施加激励电压或激励电流的激励支路与导体管道1(参考地)之间的电压或者电流，作为电信号进行下一步处理。具体的，信号处理单元302包括A/D变换模块以及逻辑控制电路模块，其中A/D变换模块将信号采集单元301采集的电信号进行转化，逻辑控制电路模块将A/D变换模块的输出作进一步处理得到数字信号。

具体的，图像重建系统5包括图像重建计算单元504与显示单元502，图像重建计算单元501根据信号处理单元302输出的数字信号进行数据计算处理，并将处理结果通过显示单元502进行可视化的显示，和/或，图像重建计算单元501根据流型识别单元401、比较单元403的输出结果对数据进一步处理并通过显示单元502可视化显示。显示单元502显示的内容包括多相流流体的流动图像、当前时刻流型识别单元的识别结果、当前测量时的ERT传感器结构，以及流体压力、温度、流体的流速、分相含率等等。

如图7所示，本发明的基于ERT传感器的自适应多相流测量装置其具体工作流程包括：

系统初始化后，将不同流型优化后的ERT传感器结构进行编码，并储存在参考信息单元中，每一种编码对应着多路选择器的一种激励支路组合。开始测量后，多路选择器向激励支路与接地支路之间施加激励电压或激励电流，获得激励电压或激励电流的电极进行测量；信号采集单元将传感器测量的电信号进行采集，并通过信号处理单元将电信号转化为数字信号，经过处理的电信号传输至图像重建系统进行数据计算分析，并显示图像重建结果；流型识别单元通过信号处理单元输出的数字信号识别被测流型，并将识别结果发送至图像重建系统；比较单元通过流型识别结果判断流型是否发生改变，如果改变，则传感器结构调节单元针对该流型选择最优的ERT传感器结构，并控制多路选择器调整ERT传感器结构对应的激励支路，实现参与测量的电极结构的调整，如果比较单元得出流型未发生改变的结论，则将所得结果均发送至图像重建系统进行计算分析以及显示。

通过上述方案可知，传感器结构调节单元对多路选择器的控制作用实际体现在对参与多相流流型测量的ERT传感器中的电极的结构进行优化调整。

由于电极之间的组合方式、数目、组合后的形状等在选用不同流型的测量时产生的效果并不相同，所以，在流型测量之前，选取几种具有代表性的流型通过实验采样并将采用数据进行分析整理后，得出应用于每种流型测试的最佳的电极阵列结构，本领域技术人员熟知，“ERT传感器所建立的敏感场，具有很强的“软场”特性，即敏感场分布受场内介质的分布位置影响，敏感场与场内介质的相互作用是非线性的。”所以，针对某种特定的流型，部分电极按照不同组合方式进行测量时，所获得的测量数据会有所差异。为了提高测量精度，在实际测量前，通过采样分析，将不同流型与不同的传感器结构相互匹配；在实际测量时，传感器结构调节单元根据流型识别单元所识别的流型种类，选取相对应的最优化的电极组合结构，在保证测量精度的前提下，还能够延长不参与测量的电极的寿命，减少了信号采集单元需要采集的数据量，增快了整个装置的数据处理速度。

为验证本发明的设计方案，选取电极阵列为48*10的ERT传感器模型，并设定每个电极尺寸为1cm*1cm，以电极宽度、电极高度、电极数目作为优化参数，以图像重建的质量为优化目标，采用横截面积图像误差表示图像重建质量，并定义为：

其中，是由重建算法得到的电导率分布，g是被测区域内的设定的电导率分布值。图像误差越小，说明图像质量越好。

表1因素-水平表

表1中设定了三种电极宽度：1cm、2cm、3cm；三种电极高度：3cm、6cm、9cm；三种电极数目：8个、12个、16个；采用正交设计安排实验，针对芯流、环流、层流这三种流型每种流型9个实验，在图8至图16中分别表示出这9种ERT传感器测量结构，其中阴影部分表示该导电件上施加激励电流，即与该导电件相连接的电极上有激励电流，其中图8表示电极宽度为1cm，高度为3cm；图9表示电极宽度为1cm，高度为6cm；图10表示电极宽度为1cm，高度为9cm；图11表示电极宽度为2cm，高度为3cm；图12表示电极宽度为2cm，高度为6cm；图13表示电极宽度为2cm，高度为9cm；图14表示电极宽度为3cm，高度为3cm；图15表示电极宽度为3cm，高度为6cm；图16表示电极宽度为3cm，高度为9cm。三种流型优化的正交实验方案及优化结果如表2所示。其中，CSIE_i(i＝1,2,3)分别表示芯流、环流、层流三种流型对应的横截面图像误差。K₁₁、K₁₂、K₁₃分别表示流型为芯流时每一个因素的各水平的3个实验结果CSIE₁的平均值；K₂₁、K₂₂、K₂₃分别表示流型为环流时，每一个因素的各水平的3个实验结果CSIE₂的平均值；K₃₁、K₃₂、K₃₃分别表示流型为层流时，每一个因素的各水平的3个实验结果CSIE₃的平均值。R₁表示流型为芯流时的极差，R₂表示流型为环流时的极差，R₃表示流型为层流时的极差。极差越大，该因素对优化结果影响越大。

表2测试结果

由表2可见当流型为芯流时，ERT传感器优化的最优组合为A3B3C3。当流型为环流时，ERT传感器优化的最优组合为A3B1C3；当流型为层流时，ERT传感器优化的最优组合为A3B1C1。图17(a)、17(b)、17(c)分别为芯流、环流、层流的原型示意图；图18(a)、17(b)、17(c)是实验号1的传感器结构分别对芯流、环流、层流的图像重建结果；图19(a)、19(b)、19(c)是实验号2的传感器结构分别对芯流、环流、层流的图像重建结果；图20(a)、20(b)、20(c)是实验号3的传感器结构分别对芯流、环流、层流的图像重建结果；图21(a)、21(b)、21(c)是实验号4的传感器结构分别对芯流、环流、层流的图像重建结果；图22(a)、22(b)、22(c)是实验号5的传感器结构分别对芯流、环流、层流的图像重建结果；图23(a)、23(b)、23(c)是实验号6的传感器结构分别对芯流、环流、层流的图像重建结果；图24(a)、24(b)、24(c)是实验号7的传感器结构分别对芯流、环流、层流的图像重建结果；图25(a)、25(b)、25(c)是实验号8的传感器结构分别对芯流、环流、层流的图像重建结果；图26(a)、26(b)、26(c)是实验号9的传感器结构分别对芯流、环流、层流的图像重建结果；图27(a)、27(b)、27(c)为芯流、环流、层流三种不同流型下正交实验的最优结果。

从图像重建的效果看，流型对CSIE的影响很大。一组传感器结构参数可对某一种流型重建出较好的图像，但对其它流型的图像重建质量却很差。例如实验号2所对应的传感器结构，对层流的图像重建质量较好，但对芯流和环流的图像重建质量却很差；同理，实验号4所对应的传感器结构，对环流的图像重建质量较好，但对芯流和层流的图像重建质量却一般。上述图像重建结果与表2中横截面图像误差相互印证。这说明为了得到最优的图像重建质量，ERT传感器需要根据流型的变化，自适应的优化自身的结构参数。显然，针对不同流型优化后的ERT传感器可以获得更高的图像重建质量。

优选的，本实施例采用信号的稀疏表示方法将采样电压或者电流表示为稀疏性组合，并求出其稀疏解用以实现对不同的流型进行分类。流型识别信息的引入，使得该测量装置具有根据实时的流型变化，自适应地动态调整传感器结构。

整个基于ERT传感器的多相流测量装置，运用闭环控制的方式，根据流型信息，动态调整出最优的ERT传感器结构(包括：电极数目、电极高度、电极宽度等结构参数)进行测量，并将测量值用于图像重建，从而得到更准确的图像重建结果；本装置自适应地调整ERT传感器结构，不参与测量的电极其使用寿命增长；只有部分电极参与测量，减小了测量装置的数据运算压力，增快了数据处理速度。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims

1.一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，其特征在于，包括ERT传感器，还包括信号采集处理系统、控制系统以及图像重建系统，其中：

所述ERT传感器包括：设置于所述导体管道内壁的电极阵列，所述电极阵列为沿所述导体管道轴向均匀排列的M组电极，且每组电极为沿所述导体管道内壁周向均匀排布的N个电极组成，其中，N与M为自然数，且N≥4，M≥2；与所述电极电连接的多路选择器，所述多路选择器与所述电极通过导电件实现电连接；所述电极与所述导体管道之间以及所述导电件与所述导体管道之间设置绝缘件；

所述信号采集处理系统采集所述ERT传感器测量的电信号，并将所述电信号转化为数字信号后发送至所述图像重建系统及控制系统；所述控制系统与所述信号采集处理系统、所述ERT传感器以及所述图像重建系统连接，所述控制系统用于根据所述信号采集处理系统处理后的数字信号进行流型识别，并根据流型识别结果调整适用于该流型的所述ERT传感器结构进行测量，和/或判断流型是否改变，若所述流型改变，则控制改变所述ERT传感器的结构以及改变与所述ERT传感器结构相对应的所述信号采集处理系统的信号采集结构；若所述流型没有改变，则将流型识别结果发送至所述图像重建系统；所述图像重建系统根据所述信号采集处理系统处理后的数字信号，和/或所述控制系统处理后的流型识别结果进行图像重建并显示。

2.如权利要求1所述的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，其特征在于，所述导电件一端与所述电极连接，另一端穿过所述导体管道延伸至所述导体管道管壁外，并与所述多路选择器的任一激励支路电连接；

所述绝缘件包括，位于所述电极与所述导体管道内壁之间的第一绝缘部，和位于所述导电件与所述导体管道通孔壁之间的第二绝缘部。

3.如权利要求2所述的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，其特征在于，所述多路选择器至少包括N*M个所述激励支路，每个所述激励支路与所述电极分别电连接，为所述电极提供激励电压或激励电流。

4.如权利要求3所述的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，其特征在于，所述多路选择器还包括至少一个接地支路，所述接地支路与所述导体管道电连接。

5.如权利要求4所述的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，其特征在于，所述多路选择器与所述导电件之间、所述多路选择器与所述导体管道之间均通过双屏蔽电缆实现电连接。

6.如权利要求1-5中任一项所述的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，其特征在于，所述控制系统包括流型识别单元、参考信息单元、比较单元以及传感器结构调节单元，其中：

所述流型识别单元与所述信号采集处理系统以及所述图像重建系统连接，所述流型识别单元用于根据所述数字信号识别所述导体管道内多相流体的流型；

所述参考信息单元用于储存测量前采样的多种流型的参考数据；

所述比较单元用于将流型识别单元识别的所述导体管道内多相流体的流型与所述参考信息单元中的所述参考数据进行对比，并根据对比结果确定流型是否发生改变；

所述传感器结构调节单元与比较单元连接，用于根据所述比较单元的所述对比结果调整所述多路选择器中的所述激励支路的激励电压或激励电流，使所述ERT传感器的结构改变。

7.如权利要求6所述的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，其特征在于，所述信号采集处理系统包括信号采集单元与信号处理单元，其中：

所述信号采集单元采集所述ERT传感器的所述电信号，所述信号处理单元将所述电信号转化为数字信号。

8.如权利要求7所述的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，其特征在于，所述图像重建系统包括图像重建计算单元与显示单元，所述图像重建计算单元根据所述信号处理单元输出的数字信号进行数据计算处理，并将处理结果通过所述显示单元进行可视化的显示，和/或，所述图像重建计算单元根据所述流型识别单元、所述比较单元的输出结果对数据进一步处理并通过所述显示单元可视化显示。

9.如权利要求8所述的一种基于ERT传感器的自适应多相流测量装置，其特征在于，所述信号处理单元包括A/D变换模块以及逻辑控制电路模块，其中：

所述A/D变换模块将所述信号采集单元采集的所述电信号进行转化，所述逻辑控制电路模块将所述A/D变换模块的输出作进一步处理得到所述数字信号。