CN110186999A - 基于lcr表/阻抗分析仪的电容/电磁双模态成像测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于LCR表/阻抗分析仪的电容/电磁双模态成像测量系统，包括电容/电磁双模态成像传感器、LCR表和图像重建计算机，LCR表通过四端口测量单通道的电容值或互感值，图像重建计算机依据图像重建算法完成图像重建工作，其特征在于，所述的电容/电磁双模态成像测量系统还包括两个多通道阻抗测量切换电路，两个多通道阻抗测量切换电路各包含一个微处理器，通过通讯总线接收图像重建计算机发送的激励/测量策略，并由各自的微处理器控制相应通道循环切换激励/测量状态，实现电容/电磁双模态成像系统阻抗测量的多通道切换；LCR表通过四端口测量单通道的电容或互感值，由通讯总线传输至图像重建计算机。
Description
技术领域
本发明涉及测量电参数，特别是一种基于LCR表/阻抗分析仪的电容/电磁双模态成像测量系统。
背景技术
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)和电磁层析成像(ElectromagneticTomography,EMT)是电学层析成像的两种模态。两者基本原理相似：通过布置于被测场域边界的多通道电极/线圈传感器获取一系列的电容/互感测量值，并利用电容/互感测量值与被测场域内的介质分布之间的关系进行图像重建，得到被测场域内的介质分布图像。其中，ECT主要对介质的介电常数ε敏感(其测量值也会受到电导率σ的影响)，而EMT则主要对介质的磁导率μ和电导率σ敏感。通常ECT电极传感器在每个截面上的测量通道数为8、12或16；EMT线圈传感器在每个截面上的测量通道数也多为8、12或16。在电容/互感测量时，1个激励通道上的电极/线圈与1个测量通道上的电极/线圈以成对工作。这种情况下，有效的电容/互感测量值为n(n-1)/2，其中n为通道数。当通道数为12时，有效的测量数为66个。
电容/电磁双模态层析成像测量系统所涉及的电容、互感的测量都属于电阻抗的测量范畴。传统的阻抗测量方法有：桥式、共振法、I-V及RF I-V法、网络分析法以及自平衡电桥阻抗测量电路等。其中自平衡电桥法可以在很宽的频率范围内保证较高的测量精度，在LCR表、阻抗分析仪中得到了广泛的应用。
在目前的ECT系统中，主要有基于充放电原理的电容测量和交流法电容测量两种方法。这些测量方法虽然测量速度相对较快，但是相较于LCR表/阻抗分析仪测量阻抗，其测量精度相对较低。基于LCR表/阻抗分析仪的电学层析成像测量系统具有可靠，稳定、高精度等良好测量特性，可用于对传感器进行标定或测试新型测量模式。
在石油化工行业中，重油加氢过程中使用的气液固三相流化床应用日益广泛，需要对其各相分布进行检测与监控。气液固三相流是一种十分复杂的流动过程，很难准确地进行预测、计算和测量，其流动状态会随流速、流体的性质、操作条件和流体管道的变化而变化，在一些工业应用中往往还伴随着质量、动量、以及热量的瞬时传递，使得流动过程更加复杂，难以用数学公式完全将其描述出来。因而单模态的电学层析成像技术难以对气液固三相流进行有效的识别，这使得多模态电学层析成像技术的研究具有现实意义。
国内外研究人员已经开发出多种多模态电学层析成像系统。Qiu C等人设计了基于电容/电阻双模态的电学层析成像系统(Qiu C,Hoyle B S,PoddF J W.Engineering andapplication of a dual-modality process tomography system.Flow Measurement andInstrumentation,18(5),247-254.)，两种模态简单组合，不同模态的传感器位于不同截面，相互独立，分别进行数据采集和图像重建。HjertakerB T等人设计了ECT/CT双模态测量系统(Hjertaker B T,Tjugum S A,Hammer E A,et al.Multimodality tomography formultiphase hydrocarbon flow measurements.IEEE sensorsjournal,5(2),153-160.)，其传感器采取集成式设计，但不同模态测量原理相差较大，系统结构复杂。在目前的多模态电学层析成像系统中，不同模态分别采用适合各自特点的测量方法，导致系统结构复杂，部分测量功能冗余，数据格式难以统一，给多模态的数据融合带来困难。
发明内容
针对上述技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种结构简单基于LCR表/阻抗分析仪的电容/电磁双模态成像测量系统，实现ECT及EMT模态的稳定、可靠、高精度测量。技术方案如下：
一种基于LCR表/阻抗分析仪的电容/电磁双模态成像测量系统，包括电容/电磁双模态成像传感器、LCR表和图像重建计算机，LCR表通过四端口测量单通道的电容值或互感值，图像重建计算机依据图像重建算法完成图像重建工作，其特征在于，所述的电容/电磁双模态成像测量系统还包括实现电容测量的ECT多通道阻抗测量切换电路和互感测量的EMT多通道阻抗测量切换电路，两个多通道阻抗测量切换电路各包含一个微处理器，通过通讯总线接收图像重建计算机发送的激励/测量策略，并由各自的微处理器控制相应通道循环切换激励/测量状态，实现电容/电磁双模态成像系统阻抗测量的多通道切换；LCR表通过四端口测量单通道的电容或互感值，由通讯总线传输至图像重建计算机。
设通道数为n，多通道电容测量的切换由n个四路单刀单掷SPST模拟开关实现，对于每个通道上的电极传感器，四路SPST模拟开关分别与LCR表的四端口相连，微处理器通过控制SPST模拟开关的接通或关断状态实现每个通道上的电极的激励或测量状态切换，从而实现测量系统的多通道切换；多通道互感测量的切换也由n个四路单刀单掷SPST模拟开关实现，对于每个通道上的电感传感器，四路SPST模拟开关分别与LCR表的四端口相连，微处理器通过控制SPST模拟开关的接通或关断状态实现每个通道上的电感的激励或测量状态切换，从而实现测量系统的多通道切换。
本发明的基于LCR表/阻抗分析仪的电容/电磁双模态层析成像测量系统，具有较高的系统集成度，结构简单可靠，测量数据准确稳定，ECT模态的测量数据信噪比可达41.6dB-70.6dB，EMT模态的测量数据信噪比高达56.8dB-76.7dB。
附图说明
图1是LCR表自平衡电桥阻抗测量原理图；
图2是LCR表进行电容/互感测量时端口连接图；
图3是基于LCR表的电容/电磁双模态成像测量系统的结构示意图；
图4是电容/电磁双模态成像测量系统多通道切换示意图。
图中：
1、LCR表HC端口 2、LCR表HP端口 3、LCR表LP端口 4、LCR表LC端口 5、激励信号源6、基准电阻 7、待测器件 8、激励电极 9、测量电极 10、测量线圈 11、激励线圈 12、电容/电磁双模态成像传感器 13、LCR表 14、图像重建计算 机15、ECT多通道阻抗测量切换电路16、EMT多通道阻抗测量切换电路 17、Arduino Nano单片机
具体实施方式
结合附图及实施例对本发明的基于LCR表/阻抗分析仪的电容/电磁双模态成像测量系统加以说明。
图1所示为LCR表/阻抗分析仪的阻抗测量原理示意图，LCR表/阻抗分析仪采用自平衡电桥和HC、HP、LP、LC四端口(图中编号1、2、3、4)结构实现阻抗测量。如图1所示，激励信号源5产生幅值固定的正弦信号，作为基准信号源，流过待测器件7的电流Ix与流过基准电阻6的电流Ir平衡，运算放大器将LP端口3虚地，所以的待测器件7的阻抗Zx为：
其中Vx是HP端口2处的电压值，Vr是经过基准电阻6后的电压。
图2所示为LCR表电容/互感测量时端口连接图。在测量ECT激励电极8与测量电极9间的电容时，采用两端法，即LCR表的HC端口1与HP端口2短接，再与ECT传感器的激励电极8连接，LP端口3、LC端口4短接，再与测量电极9连接；在测量EMT激励线圈11与测量线圈10间的互感时采用四端法，即LCR表的HC端口1、HP端口2分别与激励线圈11的两端相连接，LP端口3、LC端口4分别与测量线圈10的两端相连接。
图3所示为基于LCR表的电容/电磁双模态成像测量系统的结构示意图。系统主要分为三部分：12通道电容/电磁双模态成像传感器12，基于LCR表的数据采集系统和图像重建计算机14。数据采集系统由LCR表13和ECT、EMT12通道阻抗测量切换电路15、16组成。图像重建计算机14将激励测量策略通过USB总线发送给ECT、EMT12通道阻抗测量切换电路15、16上的Arduino Nano单片机17，Arduino Nano单片机17根据激励测量策略控制各个通道ECT电极/EMT线圈的激励/测量状态，LCR表13测量当前状态下的激励电极/线圈与测量电极/线圈间的电容/互感，并将测量值由USB/RS232总线传输给图像重建计算机14，计算机14依据相应图像重建算法完成图像重建工作。
图4所示为电容/电磁双模态成像测量系统多通道切换示意图。系统多通道电容/互感测量的切换是由n(n为通道数)个四路单刀单掷开关(SPST)模拟开关芯片DG413构成。对于每个通道上的电极/线圈传感器，都通过4个SPST模拟开关(SPST1，SPST2，SPST3，SPST4)分别与LCR表的4端口HC、HP、LP、LC(图中编号1、2、3、4)相连，Arduino Nano单片机17通过控制每个SPST模拟开关的接通/关断状态实现每个通道上的电极/线圈的激励/测量状态切换，从而实现测量系统的多通道切换。由于Arduino Nano单片机17的I/O数量有限，采用I/O扩展芯片PCF8574扩展了其输出端口数量。如图4所示，在ECT模态测量激励通道与测量通道间的电容时：Arduino Nano单片机17控制激励通道上的模拟开关SPST1，SPST2接通，SPST3，SPST4断开，使激励通道上的电极与HC端口1、HP端口2接通，与LP端口3、LC端口4断开，电极处于激励状态；控制测量通道上的模拟开关SPST1，SPST2断开，SPST3，SPST4接通，使测量通道上的电极与HC端口1、HP端口2断开，与LP端口3、LC端口4接通，电极处于测量状态。在EMT模态测量激励通道与测量通道间的互感时：Arduino Nano单片机17控制激励通道上的模拟开关SPST2，SPST3接通，SPST1，SPST4断开，使激励通道上的线圈与HC端口1、LC端口4接通，与HP端口2、LP端口3断开，线圈处于激励状态；控制测量通道上的模拟开关SPST2，SPST3断开，SPST1，SPST4接通，使测量通道上的线圈与HC端口1、LC端口4断开，与HP端口2、LP端口3接通，线圈处于测量状态。
在基于LCR/阻抗分析仪的电容/电磁双模态成像测量系统中，信号源、差分电压测量电路、相敏解调及模数转换等功能均由高精度的LCR表/阻抗分析仪实现，ECT电极/EMT线圈多通道阻抗测量切换电路由Arduino Nano单片机实现，具有较高的系统集成度，能够实现可靠、稳定、准确的数据测量。
本实施例中，ECT、EMT各包含12个测量通道，但本发明亦可采用其他通道数目，如4、6、8、16等。
本实施例中，采用日本NF公司的ZM2372型LCR表实现单通道的阻抗测量，亦可以采用其他公司、其他型号的LCR表或阻抗分析仪。
本实施例中，多通道阻抗测量切换电路由Arduino Nano单片机控制，也可由其他类型单片机或控制器实现。
在本实施例中，采用PCF8574芯片扩展Arduino Nano单片机的输出端口数量，也可采用其他类型的I/O扩展芯片。
在本实施例中，采用四路SPST模拟开关芯片DG413实现电极/线圈状态改变，多通道切换，也可采用其他模拟开关芯片实现。
在本实施例种，基于LCR表/阻抗分析仪设计了电容/电磁双模态成像测量系统，也可为ECT或EMT或ERT单模态测量系统，也可为ECT/ERT双模态系统。
以上对本发明进行示意性描述，并不局限于此，附图中所示只有是本发明的实施方式之一，若本领域研究人员在不脱离本发明宗旨的情况下，提出与该技术方案相似的结构形式，均应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于LCR表/阻抗分析仪的电容/电磁双模态成像测量系统，包括电容/电磁双模态成像传感器、LCR表和图像重建计算机，LCR表通过四端口测量单通道的电容值或互感值，图像重建计算机依据图像重建算法完成图像重建工作，其特征在于，所述的电容/电磁双模态成像测量系统还包括实现电容测量的ECT多通道阻抗测量切换电路和互感测量的EMT多通道阻抗测量切换电路，两个多通道阻抗测量切换电路各包含一个微处理器，通过通讯总线接收图像重建计算机发送的激励/测量策略，并由各自的微处理器控制相应通道循环切换激励/测量状态，实现电容/电磁双模态成像系统阻抗测量的多通道切换；LCR表通过四端口测量单通道的电容或互感值，由通讯总线传输至图像重建计算机。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，设通道数为n，多通道电容测量的切换由n个四路单刀单掷SPST模拟开关实现，对于每个通道上的电极传感器，四路SPST模拟开关分别与LCR表的四端口相连，微处理器通过控制SPST模拟开关的接通或关断状态实现每个通道上的电极的激励或测量状态切换，从而实现测量系统的多通道切换；多通道互感测量的切换也由n个四路单刀单掷SPST模拟开关实现，对于每个通道上的电感传感器，四路SPST模拟开关分别与LCR表的四端口相连，微处理器通过控制SPST模拟开关的接通或关断状态实现每个通道上的电感的激励或测量状态切换，从而实现测量系统的多通道切换。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190830 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |