CN110470744A - 多模式曲面相控阵超声层析成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多模式曲面相控阵超声层析成像装置，用于对流经管道被测截面内的油气水三相流体相分布进行重建，包括超声传感器阵列，信号控制模块，高压激励模块，信号采集与解调模块、工业总线及上位机模块；信号控制模块可选通不同模式，通过固定时序控制其他所有模块与传感器阵列的激励、测量过程，在信号控制模块控制下，高压激励模块产生时长、频率、占空比可调的激励电压信号并施加在激励超声传感器上；接收超声传感器上的感应电压信号由信号采集与解调模块进行记录、处理和模数转换，将得到的数字信号传输至信号控制模块中的FPGA控制芯片以完成解调。
Description
技术领域
本发明属于多相流过程层析成像领域，涉及实现一种采用多模式曲面相控阵超声层析测量装置，可以实现多相流相分布的高精度可视化测量与分布参数在线估计。本发明针对但不限于广泛存在的油气水三相多相流过程，在其他工业过程和化学反应中存在的多相流动现象中本发明的测量装置仍适用。
背景技术
多相流现象广泛存在于生物工程、油气开采、化工产业、冶金工业、食品加工等现代工程领域与设备中，在工业生产与科学研究中有着十分重要的作用，对其流动过程参数的准确检测在生产过程监控、系统可靠运行保障及生产效率提升等方面具有重要的意义。由于多相流动机理的复杂性和不确定性，使得流动过程信息的准确获取和分析存在着诸多难题；而对多相流动状态的研究可以辅助动态流体模型的建立和流动机理的研究，对促进工程设备发展创新、提高工业生产效率等方面的技术研究有重要的推动作用。
过程层析成像技术(Process Tomography,PT)通过对多相流相介质分布进行在线成像的方法对多项流动状态及分布参数进行研究。其中，超声层析成像技术(UltrasoundTomography,UT)是一种结构层析成像技术，通过在被测场域外布置超声传感器阵列并施加一定的激励以得到边界电压测量数据，以此来重建被测场域内部的折射系数、衰减系数或声阻抗分布情况。超声层析成像技术在多相流动过程研究中具有独特的优势。超声波在流体中传播时不会破坏流体的流场，没有压力损失，且对于人体无害安全性较高。同时若将检测元件置于管道外壁，可以避免与流体直接接触，降低传感器腐蚀程度。由于超声波在不同声阻抗介质中传播速度不同，可以利用超声该特性获取投影路径上的相介质分布信息，如介质的平均声阻抗或声速等。对于气相与液相界面处声阻抗的巨大差异，超声在气液界面的反射特性极为明显(可达99％)，因此超声对气液分界面具有极好的分辨能力。
相比其他过程成像技术如电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)和电磁层析成像(Electrical Magnetic Tomography,EMT)，UT具有非侵入、分辨率高的优点，相比精度较高的硬场成像技术如射线层析成像(Xray Computed Tomography,X-CT)及光学层析成像方法(Optical Computed Tomography,OCT)，UT使用安全、结构简单、可以实现实时成像。此外UT还有着非接触、方向性好、成本低等优势，是一种较为理想的可视化监测手段。
目前，已有的超声层析成像装置主要通过单探头在单一频率下激励，并记录相应透射或反射模式下的采集数据，存在数据量较小、测试模式单一的缺陷。此外，已有的超声层析成像装置无调配声场能力，无法形成方向、角度、幅值、频率动态可调的激励声场，进而无法获取内含物对不同激励声场的多敏感调制信息。上述测试装置缺陷致使目前油气水多相介质超声层析成像效果较差、精度较低，无法进行实时流动状态监测与分布参数估计。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有多模式激励测量能力的曲面相控阵多相流超声层析成像装置，用于对油气水三相流动过程相介质分布信息进行在线测量。技术方案如下：
一种多模式曲面相控阵超声层析成像装置，用于对流经管道被测截面内的油气水三相流体相分布进行重建，包括超声传感器阵列，信号控制模块，高压激励模块，信号采集与解调模块、工业总线及上位机模块；信号控制模块可选通不同模式，通过固定时序控制其他所有模块与传感器阵列的激励、测量过程，在信号控制模块控制下，高压激励模块产生时长、频率、占空比可调的激励电压信号并施加在激励超声传感器上；接收超声传感器上的感应电压信号由信号采集与解调模块进行记录、处理和模数转换，将得到的数字信号通过LVDS通道差分传输至信号控制模块中的FPGA控制芯片以完成解调；解调后的数据打包通过CPCI总线发送至工业总线及上位机模块，进行图像重建、参数提取等后处理；所提装置中，超声传感器阵列由多个独立小尺寸超声换能器组成并在同一管道截面内沿管道外壁均匀分布以形成曲面阵列，相邻传感器的夹角相同，每个超声探头有独立的超声发射通道及电压测量、数据采集通道。其中，
信号控制模块包括直接数字合成电路DDS、现场可编程门阵列FPGA控制芯片、可编程超声波束成形器芯片LM96570；通过上位机向FPGA控制芯片发送指令，指定选定的激励测量模态及相关参数，利用FPGA控制芯片向DDS电路发送控制数据，给出时长、频率、占空比可调的控制信号；同时，由FPGA控制芯片计算给定波束合成参数所需的通道时延信息，并通过串行外设接口通信SPI控制可编程波束成形器LM96570生成不同时延下时长、频率、占空比可调的控制信号，以实现激励信号时长、频率、占空比的实时动态调节和方向、角度、幅值、频率可调的激励声场；直接数字合成电路DDS和可编程波束成形器生成的控制信号根据所需的敏感模态在FPGA控制下进行选通，作为信号控制模块的控制信号输出；
超声激励模块由多路并行的双极性脉冲电路组成，每路双极性脉冲电路包括光电耦合电路、MOSFET驱动电路、高压双极性直流开关电路、阻抗匹配网络电路；其中，光点耦合电路接收信号控制模块的控制信号输出，经光电隔离生成具有驱动能力的5V模拟驱动信号，其输出接在MOSFET驱动电路的输入端；MOSFET驱动电路将输入的5V模拟驱动信号转为12V，作为输出接入高压双极性直流开关电路的输入端；高压双极性直流开关电路使用12V模拟驱动信号驱动一对增强型功率MOSFET轮流导通，产生高压双极性电压信号，作为输出接入阻抗匹配网络电路；阻抗匹配网络电路将高压双极性电压信号转变为正弦信号并通过低谐波模拟开关阵列选通激励通道，作为超声激励模块的输出；
信号采集与解调模块包括单端转差分电路、模拟前端电路、FPGA采集电路；超声传感器接收到的感应电压信号接入单端转差分电路的输入端，其输出信号为差分电压信号，接入模拟前端电路的输入端；模拟前端电路包含AFE5801模拟前端芯片及其周边电路，生成经低噪声放大、可编程增益及抗混叠滤波处理后的数字信号作为输出，接入FPGA采集电路的输入端；FPGA采集电路的输入端包含FPGA采集芯片及其周边电路，并与FPGA控制芯片通信，其生成解调后的数字信号，作为信号采集与解调模块的输出；
工业总线及上位机模块将解调后的数据通过工业标准总线送往上位机进行实时图像重建。
本发明的有益效果及优点如下：
1.提供一套多敏感模式激励测量能力的曲面相控阵多相流超声层析成像装置，集成多模式激励方法以完成激励声场动态调节，可获取复杂流体分布对特定超声激励声场的调制信息并进行综合有效利用，较已有的超声层析成像技术具有更灵活的声场配置与更全面的信息获取能力。
2.采用以过程层析成像为对象的曲面超声相控阵，通过换能器阵列波束成形控制，动态配置多种声场分布形式，可以拓宽层析成像装置适用范围，丰富油气水三相介质超声调制信息。
3.通过工业总线同上位机进行通讯及数据传输，具备较强的抗电磁干扰能力，在工业复杂环境中能稳定工作。
附图说明
以下图为本发明所选择的实施例，均为示例性图而非穷举或限制性，其中：
图1为本发明的基本装置图及原理示意图；
图2为本发明装置的基本系统结构图；
图3为本装置FPGA控制芯片与FPGA采集芯片通讯及数据传输时序图；
图4为本装置所采用工业总线及上位机传输模块原理图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明的多模式曲面相控阵超声层析成像装置加以说明，旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。
图1为本发明装置的基本测试原理图，包括测试管段，一组单截面64探头超声换能器阵列。探头阵列由64个独立超声换能器构成并在同一管道截面内沿管道外壁均匀分布，相邻传感器的夹角相同，每个超声探头有独立的超声发射通道及电压测量、数据采集通道，可对每一探头的激励信号进行单独调制，对每一探头的声压响应进行采集。测试中采用“电压激励、电压测量”的基本模式。
图2为本发明装置的激励测量系统结构图，包括超声传感器阵列，超声信号控制模块，超声激励模块，超声信号采集与解调模块、工业总线及上位机模块。所述超声传感器阵列由一组单截面曲面超声探头阵列组成，探头阵列由64个独立超声换能器构成并在同一管道截面内沿管道外壁均匀分布，相邻传感器的夹角相同，每个超声探头有独立的超声发射通道及电压测量、数据采集通道。本发明所提的多模式曲面相控阵超声层析成像装置，可完成超声多模式激励并实现声场动态调控，记录探头响应信号并解调出对应敏感模态下不同相介质分布的超声调制信息。所提装置可实现连续波/脉冲波双模式下的单通道激励、多通道动态波束合成激励及单频/多频(多频率点、混频)激励。所提装置采用“串行激励、并行接收”的信号激励采集策略，检测信噪比52dB以上。
所提系统中信号控制模块包括直接数字合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)电路、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray,FPGA)控制芯片、可编程超声波束成形器。通过上位机向FPGA控制芯片发送指令，指定选定的激励测量模态及相关参数，利用FPGA控制芯片向DDS电路发送控制数据，给出时长、频率、占空比可调的控制信号。同时，由FPGA控制芯片计算给定波束合成参数所需的通道时延信息，并通过串行外设接口通信(Serial Peripheral Interface,SPI)控制8通道可编程波束成形器生成不同时延下时长、频率、占空比可调的控制信号，以实现激励信号时长、频率、占空比的实时动态调节,形成方向、角度、幅值、频率可调的激励声场。直接数字合成电路和可编程波束成形器生成的控制信号根据所需的敏感模态在FPGA控制下进行选通，作为超声信号控制模块的控制信号输出。
所提系统中超声激励模块由多路并行双极性脉冲生成电路组成，每路高压脉冲生成电路可独立选通传感器阵列中的任意超声探头进行激励。双极性脉冲生成电路中，首先将超声信号控制模块输出的控制进行经光电耦合器进行隔离并转为5V信号，再通过金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)驱动器将前级信号转为12V，驱动一对增强型功率MOSFET轮流导通，实现双极性高电压信号的发生。由于在高频下MOSFET快速开关存在阻尼振荡，每个MOSFET设计有“电阻-电容-二极管(Resistance-Capacitance-Diode,RCD)”吸收电路以减小MOSFET开关时的信号尖峰及阻尼振荡，保护电路进行长时间工作。之后，前级所产生的双极性激励信号进入阻抗匹配网络并转为对应的正弦激励信号，阻抗匹配网络通过“电感串联，电容并联”的方式形成不同的阻抗匹配网络，通过FPGA控制芯片控制接入网络的感值及容值，以在不同阻抗探头及不同激励频率下进行阻抗匹配。双极性脉冲生成电路所生成的正弦激励信号通过低谐波模拟开关阵列对传感器阵列中的任意多个超声探头进行选通激励。
所提系统中信号采集与解调模块由单端转差分电路单元、模拟前端、FPGA采集芯片等组成，模块由FPGA采集芯片控制，并通过4个状态位和16个数据位同FPGA控制芯片通信。当信号激励完成后，并行采集64个超声探头上感应的时变电压信号，经过低噪声放大、可编程增益及抗混叠滤波处理后，将模拟信号转换为数字信号并通过低压差分信号(LowVoltage Differential Signal,LVDS)发送到FPGA采集芯片进行数据解调。
工业总线及上位机模块将解调后的数据通过工业标准总线送往上位机进行实时图像重建。
图3为本发明装置中FPGA控制芯片与FPGA采集芯片通讯及数据传输时序图。在每个激励采集周期，FPGA采集芯片首先配置所有切换开关状态及采集模拟前端时序，然后激励电路产生正弦激励信号，同时模拟前端进行数据采集；待采集结束后，系统进行固定时间长度的间歇，等待场域内多重反射波完全衰减。
图4为本发明装置中工业总线及上位机模块结构图，数据上传的方式采用基于Compat PCI总线与FPGA相结合的结构。系统采用Compat PCI总线桥接芯片，通过搭建FPGA采集芯片与桥接芯片之间的本地通信和桥接芯片与工控机之间的CPCI通信，实现CPCI板卡与工控机之间的简介通信。在FPGA采集芯片内部构建异步FIFO与桥接芯片的通信模块以建立本地总线与桥接芯片间的通信。上位机通过CPCI总线对桥接芯片的访问实现其与PCI9054的通信。PCI总线与本地总线数据传输选择DMA传输模式，本地总线数据宽度为32位，工作频率可达50MHz。
Claims (1)
1.一种多模式曲面相控阵超声层析成像装置，用于对流经管道被测截面内的油气水三相流体相分布进行重建，包括超声传感器阵列，信号控制模块，高压激励模块，信号采集与解调模块、工业总线及上位机模块；信号控制模块可选通不同模式，通过固定时序控制其他所有模块与传感器阵列的激励、测量过程，在信号控制模块控制下，高压激励模块产生时长、频率、占空比可调的激励电压信号并施加在激励超声传感器上；接收超声传感器上的感应电压信号由信号采集与解调模块进行记录、处理和模数转换，将得到的数字信号通过LVDS通道差分传输至信号控制模块中的FPGA控制芯片以完成解调；解调后的数据打包通过CPCI总线发送至工业总线及上位机模块，进行图像重建、参数提取后处理；超声传感器阵列由多个独立小尺寸超声换能器组成并在同一管道截面内沿管道外壁均匀分布以形成曲面阵列，相邻传感器的夹角相同，每个超声探头有独立的超声发射通道及电压测量、数据采集通道。其中，
信号控制模块包括直接数字合成电路DDS、现场可编程门阵列FPGA控制芯片、可编程超声波束成形器芯片LM96570；通过上位机向FPGA控制芯片发送指令，指定选定的激励测量模态及相关参数，利用FPGA控制芯片向DDS电路发送控制数据，给出时长、频率、占空比可调的控制信号；同时，由FPGA控制芯片计算给定波束合成参数所需的通道时延信息，并通过串行外设接口通信SPI控制可编程波束成形器LM96570生成不同时延下时长、频率、占空比可调的控制信号，以实现激励信号时长、频率、占空比的实时动态调节和方向、角度、幅值、频率可调的激励声场；直接数字合成电路DDS和可编程波束成形器生成的控制信号根据所需的敏感模态在FPGA控制下进行选通，作为信号控制模块的控制信号输出；
超声激励模块由多路并行的双极性脉冲电路组成，每路双极性脉冲电路包括光电耦合电路、MOSFET驱动电路、高压双极性直流开关电路、阻抗匹配网络电路；其中，光点耦合电路接收信号控制模块的控制信号输出，经光电隔离生成具有驱动能力的5V模拟驱动信号，其输出接在MOSFET驱动电路的输入端；MOSFET驱动电路将输入的5V模拟驱动信号转为12V，作为输出接入高压双极性直流开关电路的输入端；高压双极性直流开关电路使用12V模拟驱动信号驱动一对增强型功率MOSFET轮流导通，产生高压双极性电压信号，作为输出接入阻抗匹配网络电路；阻抗匹配网络电路将高压双极性电压信号转变为正弦信号并通过低谐波模拟开关阵列选通激励通道，作为超声激励模块的输出；
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