CN108896626A - 一种单切换激励模式的电容层析成像方法及装置与传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及层析成像技术领域，尤其涉及一种单切换激励模式的电容层析成像方法及装置与传感器。一种单切换激励模式的电容层析成像方法，采用激励电极与检测电极分开设计方案，通过单独切换激励电极获得各电极对间的电容值，从而实现管道内气固两相流双层截面颗粒介质分布的在线准确测量。该装置主要包括静电耦合电容双模复用阵列传感器、电容信号调理模块、数据采集模块以及成像计算机。本发明还公开了一种静电耦合电容双模复用阵列传感器。本发明不需要在检测电极上连接切换开关电路，从而在实现管道截面颗粒介质分布在线测量的同时，不影响ECT传感器中低频静电信号的采集。

Description

一种单切换激励模式的电容层析成像方法及装置与传感器

技术领域

本发明涉及层析成像技术领域，尤其涉及一种单切换激励模式的电容层析成像方法及装置。

背景技术

电容层析成像(ECT)技术是基于电容敏感机理的过程层析成像技术，具有响应速度快、不侵入被测区域、成本低廉、安全性好等优点，该技术已经在气力输送、流化床、快速床、油气开采及输运、热管、火焰成像、气固旋风分离和气液分离等领域开展了应用性研究。尽管如此，ECT技术在工业领域气固两相流动参数测量的推广应用方面仍处于初级阶段，尚需突破颗粒浓度测量下限、信号来源单一以及传感器“软场”效应等技术瓶颈。

为了突破这些技术瓶颈，一些学者开始尝试将多源传感器信息融合技术引入ECT中，从而实现对被测对象更加全面且完整的描述，其中，静电与ECT融合测量技术在气固两相流多参数测量中具有较明显的优势。

对于静电与ECT融合测量技术的研究，已进行了一定的探索和尝试，暴露出了静电传感器与ECT传感器测量敏感区域不一致性问题：由于静电传感器与ECT传感器的传感信息不能反映同一时间、同一区域的流体，因此对两者数据进行融合时产生较大的误差。

研究发现，ECT传感器电极上的原始输出信号包含了高频电容信号和低频静电信号。在静电与ECT融合测量技术的研究中，若能够根据ECT传感器的这一特性设计出相应的信号分离及检测电路，从而实现静电与电容信号的同时在线采集，可有效解决目前静电与ECT传感器测量敏感区域不一致性问题。

然而，传统的ECT在正常运行时需要在电极上连接切换开关电路用以切换电极的激励和检测模式，从而实现各电极对间的电容测量。该切换开关电路会严重干扰低频静电信号的连续在线采集，导致无法实现ECT原始信号中的高频电容信号和低频静电信号分离和检测。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于静电耦合电容双模复用阵列传感器的ECT系统，该传感器采用激励电极与检测电极分开设计方案，在传感器正常工作时通过单独切换激励电极获得各电极对间的电容值，而不需要在检测电极上连接切换开关电路，从而在实现管道截面颗粒介质分布在线测量的同时，不影响传感器中低频静电信号的采集。

本发明的第一个目的是提供一种静电耦合电容双模复用阵列传感器，包括16个静电-电容双模复用弧状检测电极和8个电容激励电极；16个静电-电容双模复用弧状检测电极分别为S₁₁，S₁₂，S₁₃，S₁₄，S₁₅，S₁₆，S₁₇，S₁₈，S₂₁，S₂₂，S₂₃，S₂₄，S₂₅，S₂₆，S₂₇，S₂₈；S₁₁，S₁₂，S₁₃，S₁₄，S₁₅，S₁₆，S₁₇，S₁₈组成上游检测电极组，S₂₁，S₂₂，S₂₃，S₂₄，S₂₅，S₂₆，S₂₇，S₂₈组成下游检测电极组，每组8个静电-电容双模复用弧状检测电极均匀周向布置在传感器管道上，单个静电-电容双模复用弧状检测电极轴向设置，上游检测电极组的8个检测电极与下游检测电极组的8个检测电极一一相对设置构成双阵列结构；

所述8个电容激励电极为E₁，E₂，E₃，E₄，E₅，E₆，E₇，E₈；单个电容激励电极轴向设置，8个电容激励电极均匀周向布置在传感器管道上，电容激励电极与静电-电容双模复用弧状检测电极间隔设置。

优选的，所述静电-电容双模复用弧状检测电极的长度小于电容激励电极长度的一半，静电-电容双模复用弧状检测电极的宽度大于电容激励电极的宽度。

本发明的第二个目的是提供一种单切换激励模式的电容层析成像方法，其特征是，所述成像方法包括以下步骤：

步骤一：将电容激励电极E₁置为激励状态，其余所述电容激励电极接地，分别测量上游电极对E₁和S₁₁，E₁和S₁₂，E₁和S₁₃，E₁和S₁₄，E₁和S₁₅，E₁和S₁₆，E₁和S₁₇，E₁和S₁₈之间的电容值c_1-11、c_1-12、c_1-13、c_1-14、c_1-15、c_1-16、c_1-17、c_1-18以及下游电极对E₁和S₂₁，E₁和S₂₂，E₁和S₂₃，E₁和S₂₄，E₁和S₂₅，E₁和S₂₆，E₁和S₂₇，E₁和S₂₈之间的电容值c_1-21、c_1-22、c_1-23、c_1-24、c_1-25、c_1-26、c_1-27、c_1-28；

步骤二：将电容激励电极E₂置为激励状态，其余激励电极接地，分别测量上游电极对E₂和S₁₁，E₂和S₁₂，…，E₂和S₁₈之间的电容值c_2-11、c_2-12、…、c_2-18以及下游电极对E₂和S₂₁，E₂和S₂₂，…，E₂和S₂₈之间的电容值c_2-21、c_2-22、…、c_2-28；

步骤三：依此类推，直至测量到上游电极对E₈和S₁₈之间的电容值c_8-18以及下游电极对E₈和S₂₈之间的电容值c_8-28；上游和下游电极阵列分别获得64个电容测量值；

步骤四：将64个电容测量值进行归一化处理，得到上下游两个64×1维归一化电容向量C₁和C₂，则上游管道截面介质分布与电容之间的关系描述为：

C₁＝S·g (1)

式中，S为电容灵敏场矩阵；g为归一化介电常数；利用LBP算法得到上游管道截面介电常数的估计值：

式中，S^T为S的装置矩阵；利用Landweber算法对LBP算法获取的上游管道截面介电常数分布作优化：

式中，m为迭代次数；η为增量因子；W为投影算子，其表达形式为：

下游管道截面介质分布与电容之间的关系描述为：

C₂＝S·g (5)

式中，S为电容灵敏场矩阵；g为归一化介电常数；利用LBP算法得到下游管道截面介电常数的估计值：

式中，S^T为S的装置矩阵；利用Landweber算法对LBP算法获取的下游管道截面介电常数分布作优化：

式中，m为迭代次数；η为增量因子；W为投影算子，其表达形式为：

本发明的第三个目的是提供一种单切换激励模式的电容层析成像装置，其特征是，所述成像装置包括上述的静电耦合电容双模复用阵列传感器、电容信号调理模块、数据采集模块、成像计算机；静电耦合电容双模复用阵列传感器、电容信号调理模块、数据采集模块、成像计算机顺序连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出的单切换激励模式的电容层析成像方法及装置可以实现管道内气固两相流双层截面颗粒介质分布的在线准确测量。与传统的电容层析成像技术相比，利用该方法进行颗粒介质分布检测时无需在检测电极上连接切换开关电路，从而有效解决了目前基于静电耦合电容双模复用阵列传感器的静电与ECT融合测量中切换开关电路对静电信号检测的影响问题。

附图说明

图1是单切换激励模式的电容层析成像装置的结构示意图；

图2是静电耦合电容双模复用阵列传感器的展开状态图；

图3是静电耦合电容双模复用阵列传感器的立体结构示意图。

具体实施方式

一种单切换激励模式的电容层析成像方法及装置，采用激励电极与检测电极分开设计方案，通过单独切换激励电极获得各电极对间的电容值，从而实现管道内气固两相流双层截面颗粒介质分布的在线准确测量。

如图1所示，单切换激励模式的电容层析成像装置，主要包括静电耦合电容双模复用阵列传感器1、电容信号调理模块2、数据采集模块3以及成像计算机4，静电耦合电容双模复用阵列传感器1、电容信号调理模块2、数据采集模块3、成像计算机4顺序连接。

如图2、图3所示，静电耦合电容双模复用传感器主要由16个静电-电容双模复用弧状检测电极(S₁₁，S₁₂，S₁₃，S₁₄，S₁₅，S₁₆，S₁₇，S₁₈，S₂₁，S₂₂，S₂₃，S₂₄，S₂₅，S₂₆，S₂₇，S₂₈)和8个电容激励电极(E₁，E₂，E₃，E₄，E₅，E₆，E₇，E₈)构成，弧状检测电极分为上下游两组，每组8个均匀布置在管道上，构成双阵列结构。

S₁₁，S₁₂，S₁₃，S₁₄，S₁₅，S₁₆，S₁₇，S₁₈组成上游检测电极组，S₂₁，S₂₂，S₂₃，S₂₄，S₂₅，S₂₆，S₂₇，S₂₈组成下游检测电极组，每组8个静电-电容双模复用弧状检测电极均匀周向布置在传感器管道上，单个静电-电容双模复用弧状检测电极轴向设置，上游检测电极组的8个检测电极与下游检测电极组的8个检测电极一一相对设置。

8个电容激励电极为E₁，E₂，E₃，E₄，E₅，E₆，E₇，E₈；单个电容激励电极轴向设置，8个电容激励电极均匀周向布置在传感器管道上，电容激励电极与静电-电容双模复用弧状检测电极间隔设置。

完整的一次颗粒介质分布测量过程步骤如下：

步骤一：将电容激励电极E₁(图2)置为激励状态，其余所述电容激励电极接地，分别测量上游电极对E₁和S₁₁，E₁和S₁₂，E₁和S₁₃，E₁和S₁₄，E₁和S₁₅，E₁和S₁₆，E₁和S₁₇，E₁和S₁₈之间的电容值c_1-11、c_1-12、c_1-13、c_1-14、c_1-15、c_1-16、c_1-17、c_1-18以及下游电极对E₁和S₂₁，E₁和S₂₂，E₁和S₂₃，E₁和S₂₄，E₁和S₂₅，E₁和S₂₆，E₁和S₂₇，E₁和S₂₈之间的电容值c_1-21、c_1-22、c_1-23、c_1-24、c_1-25、c_1-26、c_1-27、c_1-28；

步骤二：将E₂置为激励状态，其余激励电极接地，分别测量上游电极对E₂和S₁₁，E₂和S₁₂，…，E₂和S₁₈之间的电容值c_2-11、c_2-12、…、c_2-18以及下游电极对E₂和S₂₁，E₂和S₂₂，…，E₂和S₂₈之间的电容值c_2-21、c_2-22、…、c_2-28。

步骤三：依此类推，直至测量到上游电极对E₈和S₁₈之间的电容值c_8-18以及下游电极对E₈和S₂₈之间的电容值c_8-28。这样，上游和下游电极阵列分别可获得64个电容测量值。

步骤四：通过数据采集系统获得这些电容数据，并将这些电容数据进行归一化处理，得到上下游两个64×1维归一化电容向量C₁和C₂，则上游管道截面介质分布与电容之间的关系可以描述为：

C₁＝S·g (1)

式中，S为电容灵敏场矩阵；g为归一化介电常数。利用LBP算法得到上游管道截面介电常数的估计值：

式中，S^T为S的装置矩阵。利用Landweber算法对LBP算法获取的上游管道截面介电常数分布作进一步优化：

式中，m为迭代次数；η为增量因子，通常是一常数，η的取值会影响算法的收敛性，从而影响图像重建效果，一般用S^TS的最大特征值λ_max来确定η值的大小：η＝2/λ_max；W为投影算子，其表达形式为：

下游管道截面介质分布与电容之间的关系描述为：

C₂＝S·g (5)

式中，S为电容灵敏场矩阵；g为归一化介电常数；利用LBP算法得到下游管道截面介电常数的估计值：

式中，S^T为S的装置矩阵；利用Landweber算法对LBP算法获取的下游管道截面介电常数分布作优化：

式中，m为迭代次数；η为增量因子；W为投影算子，其表达形式为：

Claims (4)

1.静电耦合电容双模复用阵列传感器，其特征是，所述传感器包括16个静电-电容双模复用弧状检测电极和8个电容激励电极；所述16个静电-电容双模复用弧状检测电极分别为S₁₁，S₁₂，S₁₃，S₁₄，S₁₅，S₁₆，S₁₇，S₁₈，S₂₁，S₂₂，S₂₃，S₂₄，S₂₅，S₂₆，S₂₇，S₂₈；S₁₁，S₁₂，S₁₃，S₁₄，S₁₅，S₁₆，S₁₇，S₁₈组成上游检测电极组，S₂₁，S₂₂，S₂₃，S₂₄，S₂₅，S₂₆，S₂₇，S₂₈组成下游检测电极组，每组8个静电-电容双模复用弧状检测电极均匀周向布置在传感器管道上，单个静电-电容双模复用弧状检测电极轴向设置，上游检测电极组的8个检测电极与下游检测电极组的8个检测电极一一相对设置构成双阵列结构；

所述8个电容激励电极为E₁，E₂，E₃，E₄，E₅，E₆，E₇，E₈；单个电容激励电极轴向设置，8个电容激励电极均匀周向布置在传感器管道上，电容激励电极与静电-电容双模复用弧状检测电极间隔设置。

2.根据权利要求1所述的静电耦合电容双模复用阵列传感器，其特征是，所述静电-电容双模复用弧状检测电极的长度小于电容激励电极长度的一半，静电-电容双模复用弧状检测电极的宽度大于电容激励电极的宽度。

3.单切换激励模式的电容层析成像方法，其特征是，所述成像方法包括以下步骤：

步骤一：将权利要求1所述的电容激励电极E₁置为激励状态，其余所述电容激励电极接地，分别测量上游电极对E₁和S₁₁，E₁和S₁₂，E₁和S₁₃，E₁和S₁₄，E₁和S₁₅，E₁和S₁₆，E₁和S₁₇，E₁和S₁₈之间的电容值c_1-11、c_1-12、c_1-13、c_1-14、c_1-15、c_1-16、c_1-17、c_1-18以及下游电极对E₁和S₂₁，E₁和S₂₂，E₁和S₂₃，E₁和S₂₄，E₁和S₂₅，E₁和S₂₆，E₁和S₂₇，E₁和S₂₈之间的电容值c_1-21、c_1-22、c_1-23、c_1-24、c_1-25、c_1-26、c_1-27、c_1-28；

步骤二：将权利要求1所述的E₂置为激励状态，其余激励电极接地，分别测量上游电极对E₂和S₁₁，E₂和S₁₂，…，E₂和S₁₈之间的电容值c_2-11、c_2-12、…、c_2-18以及下游电极对E₂和S₂₁，E₂和S₂₂，…，E₂和S₂₈之间的电容值c_2-21、c_2-22、…、c_2-28；

步骤三：依此类推，直至测量到上游电极对E₈和S₁₈之间的电容值c_8-18以及下游电极对E₈和S₂₈之间的电容值c_8-28；上游和下游电极阵列分别获得64个电容测量值；

步骤四：将64个电容测量值进行归一化处理，得到上下游两个64×1维归一化电容向量C₁和C₂，则上游管道截面介质分布与电容之间的关系描述为：

C₁＝S·g (1)

式中，S为电容灵敏场矩阵；g为归一化介电常数；利用LBP算法得到上游管道截面介电常数的估计值：

式中，S^T为S的装置矩阵；利用Landweber算法对LBP算法获取的上游管道截面介电常数分布作优化：

式中，m为迭代次数；η为增量因子；W为投影算子，其表达形式为：

下游管道截面介质分布与电容之间的关系描述为：

C₂＝S·g (5)

式中，S为电容灵敏场矩阵；g为归一化介电常数；利用LBP算法得到下游管道截面介电常数的估计值：

式中，S^T为S的装置矩阵；利用Landweber算法对LBP算法获取的下游管道截面介电常数分布作优化：

式中，m为迭代次数；η为增量因子；W为投影算子，其表达形式为：

4.单切换激励模式的电容层析成像装置，其特征是，所述成像装置包括权利要求1所述的静电耦合电容双模复用阵列传感器、电容信号调理模块、数据采集模块、成像计算机；静电耦合电容双模复用阵列传感器、电容信号调理模块、数据采集模块、成像计算机顺序连接。