CN1241032C - 基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像数据采集系统，其特征在于它依次具有电阻数据采集传感器、电阻测量模块、数据采集模块、数据通讯模块和单片机控制模块，单片机控制模块分别与电阻测量模块、数据采集模块、数据通讯模块相连，电阻数据采集传感器的电极通过高频屏蔽线与电阻测量模块的输入端相连。本发明实现电阻测量电路与数据采集系统的一体化，数据采集系统的微机化，通讯系统的模块化。

Description

基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像数据采集系统

                          技术领域

本发明涉及一种基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像数据采集系统。

                          背景技术

电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography，简称ERT)技术是当前两相流过程层析成像(Process Tomography)技术的研究热点之一。该技术具有非侵入性，成本低廉，速度快，安全性好以及操作维护简单等特点，可应用于以连续相为导电性的气液、液固两相流参数检测。电阻层析成像起源于上世纪20年代，地质学家们提出了线性电极阵列的电阻率成像(Resistivity Imaging)技术。70年代，生物医学研究者提出了圆形电极阵列的断层电阻率测量技术(Tomographic Resistivity Measurement Technique)，发展成为医学ERT(E1ectrical Resistance Tomography)技术。至20世纪80年代末期，医学ERT技术被移植于工业领域，成为过程层析成像(Process Tomography，PT)技术的一种。由于测量对象从相对熟悉的人体转变为复杂的工业过程，ERT技术需在硬件和软件两方面做许多工作，包括电极阵列设计的多样化(如提出了金属管壁测量对象的电极阵列设计方案)、检测对象电阻率分布范围的扩大、激励电流幅值的提高等等。

当前，电阻层析成像技术离工业实际应用尚有一定的距离。ERT系统应用于实际两相流系统参数测量目前存在的主要问题之一在于传统的ERT系统基本上都是采用的高频的交流正弦波作为激励源进行触发，这就不可避免地需要引入一系列的环节对交流信号进行处理，耗费了很多的数据采集时间，导致系统实时性能不尽人意。

虽然现有的高频交流正弦波激励的ERT系统对加快数据采集速度提出了很多改进和优化措施，如采用并行测量、改进滤波器的滤波时间等，但由于其设计原理的局限，数据采集速度的提升空间有限。针对这一问题，本系统采用了不同的设计原理，利用双向脉冲电流作为系统的激励源，在测量的时间段内，系统可以看作是受到了直流信号的激励，这样，一些传统的ERT系统中耗时极大的环节就可以省略，同时系统还采用了并行测量的方法，这些措施较大的提高了数据的采集速度。

                          发明内容

本发明的目地是提供了一种基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像数据采集系统。

它依次具有电阻数据采集传感器、电阻测量模块、基于高速器件AD774和AD667的数据采集模块、基于16C550芯片的数据通讯模块和基于W77E58的单片机控制模块，单片机控制模块分别与电阻测量模块、数据采集模块、数据通讯模块相连，电阻数据采集传感器的电极通过高频屏蔽线与电阻测量模块的输入端相连，具体电路：电阻数据采集传感器包括16个矩形的不锈钢电极，每个不锈钢电极与各自的电阻/电压转换通道相连，通道控制模块与电阻数据采集传感器、激励模块、采样/保持器1、采样/保持器2相连，它将双向电流源的激励电流送入指定的激励电极激励被测介质，感应电压通过电阻/电压转换通道，被通道控制模块送入到了指定的采样/保持器1和2中保存；采样/保持器1、采样/保持器2的输出端分别连接差动放大器的两个输入端，采样/保持器1和2中保存的正负两个半周期的测量电压与数/模转换器输出的平衡电压值相减后，再通过增益可编程放大器程控放大，然后经过模/数转换器进行模/数转换存入单片机。双向电流源、通道选择模块、采样/保持器1、采样/保持器2、数/模转换器、模/数转换器、增益可编程放大器的控制端均与单片机连接，通道选择、采样/保持器控制、数/模转换器输出控制、模/数转换器采样控制、增益可编程放大器增益设置等均由单片机完成，模/数转换结果由单片机通过通讯模块送至上位PC机进行数据处理。

本发明的优点：

1)系统激励信号的改进

本系统采用双向脉冲电流源作为系统的激励源，削弱了采用直流信号作为系统的激励源时难以解决的电极化问题。从激励信号上对现有的ERT系统进行一些改进。

2)较高的数据采集速度

由于在数据采集时间间隔内激励电流可视作直流信号，传统的采用高频交流正弦波激励的ERT系统中所必需的一些耗时的环节可以省略，这样大大简化了系统。同时，为了进一步的提高数据采集速度，在电阻/电压转换模块中采用了并行测量的方法，只需在某一激励电极对上激励一次即可获得其余检测电极上的电压值。

3)数据采集系统的微机化

目前国内外研制的系统中数据采集系统的所有控制信号完全由计算机来控制实现。由于采集一帧电阻数据时电子线路的动作很多，因而需要大量的数据传输。一些系统中采用了并行接口卡来实现控制信号的实现，这种系统要求微机必须在距传感器很近的地方，无法实现信号的远距离传输，因而对于控制室距现场较远的场所不能适用。本系统中采用了计算机和单片机的两级控制模式，计算机作为系统的上层控制器只须发出有关的数据采集命令，具体的数据采集过程由下层控制器单片机来完成。下层的单片机数据采集系统与上层的控制计算机之间的通讯内容主要是电阻测量结果，因而可在较低通讯速度下实现较高的数据采集速度。

4)通讯系统的模块化

数据通讯电路采用了模块化结构，根据使用中通讯距离的不同更换相应的模块即可满足要求。

                         附图说明

图1是基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像数据采集系统方框图；

图2是电阻层析成像数据采集系统电路框图；

图3是电阻数据采集传感器结构示意图。

                       具体实施方式

如图2所示，该数据采集系统的具体电路实现如下：电阻数据采集传感器包括16个矩形的不锈钢电极，每个不锈钢电极与各自的电阻/电压转换通道相连，每个通道的设计完全一致，通道控制模块接受单片机发出的通道控制信号，将激励信号传送到指定的激励电极，其余的检测电极上的电压值全部被采样保存，相应的检测电极对的电压差动信号通过通道控制模块输出，将正负两个半周期的测量电压差通过与数/模(D/A)转换模块输出的平衡电压值相减后，再通过增益可编程放大器程控放大，然后经过模/数(A/D)转换模块进行模/数转换存入单片机，通道选择、采样/保持控制、数/模转换器(D/A)输出控制、模/数转换器(A/D)采样控制、增益可编程放大器(PGA)增益设置等均由单片机(W77E58)完成。模/数转换结果由单片机通过通讯模块送至上位PC机进行数据处理。

通讯模块收发串行通讯的数字信息。为适应不同现场对数据传输速度和距离的需要，该仪表以RS232和RS422接口标准来满足不同传输速度和距离的需要。RS232接口标准适合于近距离，低速通讯，它只占用PC机的一个串口；RS422接口标准的通讯距离远，速度块，适合工业现场，它要求PC机配有RS232/RS422转换器；采用不同通讯接口时只需更换仪表的通讯模块。本系统中采用了16C550芯片为系统的通讯控制器，通讯的波特率可达921.6Kbps。为提高通讯系统的抗干扰性能，采用了隔离电源给通讯电路供电。计算机与单片机间的通讯以帧应答的方式实现。同时在通讯数据链路层协议中采用了CRC-CCITT型校验码，大大提高了数据传输的可靠性。

计算机与单片机间的通讯以帧应答的方式实现。为了实现计算机对ERT系统的各种操作，设计了各种指令，包括：设定平衡电压、设定PGA的增益、设定仪表的配置数据、读指定电极间的电阻值、读平衡电压、读PGA增益、读仪表配置数据、读单帧电阻值、进入连续电阻测量状态、进入单帧电阻测量状态、系统自检(检查仪表配置数据)、仪表复位(单片机复位)、读版本信息、读设计者信息、写指定的单片机内部寄存器、读指定的单片机内部寄存器。

本电阻层析成像数据采集系统较传统的电阻层析成像数据采集系统而言结构简单，成本低，体积小巧，采集速度高，抗干扰能力强。该系统的实时成像速度主要取决于系统的双向脉冲电流源的频率、采样/保持器的采样保持时间、A/D转换器和D/A转换器的转换时间、以及与上位机的通讯速度。本系统中采用了新型的电流源器件DH901B，其激励频率可达2.5KHz，同时由于采用了并行测量方式，只需双向激励14次就可以测得一帧104个测量值。A/D转换和D/A转换均选用了高速器件AD774和AD667，其转换时间分别为8.5μS和4μS，经实验测试，该电阻层析成像数据采集系统的数据采集速度有了明显的提高，达到了60帧/秒。若计算数据通讯时间，其最高数据采集速度可达50帧/秒。

如图3所示，电阻数据采集传感器具有传感管段2，传感管段两端通过连接法兰1与被测管道相连，传感器腔内壁等间距开有16个矩形槽，矩形槽内嵌有不锈钢矩形电极7，不锈钢电极由矩形电极片和不锈钢螺杆两部分组成，矩形电极片的几何中心被凿开一个螺孔，然后用不锈钢螺杆4旋入，不锈钢电极从传感管段的螺孔引出，用垫圈3和不锈钢螺母5旋紧固定，在电极和传感管段螺孔之间填充防漏填充料6以防渗漏，电极的输出端通过高频屏蔽线与电导测量模块相连。

电阻数据采集传感器的传感管段内径为80mm，电极张角为7.16°，电极片尺寸为5mm×50mm，长度与管道直径之比为5∶8。电阻数据采集传感器的传感管段采用聚乙烯材料，传感管段的管长500～1000mm，公称直径20mm～160mm，公称最大压力1.0MPa。

Claims (4)

1.一种基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像数据采集系统，其特征在于它依次具有电阻数据采集传感器、电阻测量模块、基于高速器件AD774和AD667的数据采集模块、基于16C550芯片的数据通讯模块和基于W77E58的单片机控制模块，单片机控制模块分别与电阻测量模块、数据采集模块、数据通讯模块相连，电阻数据采集传感器的电极通过高频屏蔽线与电阻测量模块的输入端相连；具体电路：电阻数据采集传感器包括16个矩形的不锈钢电极，每个不锈钢电极与各自的电阻/电压转换通道相连，通道控制模块与电阻数据采集传感器、激励模块、采样/保持器1、采样/保持器2相连，它将双向电流源的激励电流送入指定的激励电极激励被测介质，感应电压通过电阻/电压转换通道，被通道控制模块送入到了指定的采样/保持器1和2中保存；采样/保持器1、采样/保持器2的输出端分别连接差动放大器的两个输入端，采样/保持器1和2中保存的正负两个半周期的测量电压与数/模转换器输出的平衡电压值相减后，再通过增益可编程放大器程控放大，然后经过模/数转换器进行模/数转换存入单片机。双向电流源、通道选择模块、采样/保持器1、采样/保持器2、数/模转换器、模/数转换器、增益可编程放大器的控制端均与单片机连接，通道选择、采样/保持器控制、数/模转换器输出控制、模/数转换器采样控制、增益可编程放大器增益设置等均由单片机完成，模/数转换结果由单片机通过通讯模块送至上位PC机进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像数据采集系统，其特征在于所说的电阻数据采集传感器：它具有传感管段(2)，传感管段两端通过连接法兰(1)与被测管道相连，传感器腔内壁等间距开有16个矩形槽，矩形槽内嵌有不锈钢矩形电极(7)，不锈钢电极由矩形电极片和不锈钢螺杆两部分组成，矩形电极片的几何中心被凿开一个螺孔，然后用不锈钢螺杆(4)旋入，不锈钢电极从传感管段的螺孔引出，用垫圈(3)和不锈钢螺母(5)旋紧固定，在电极和传感管段螺孔之间填充防漏填充料(6)以防渗漏，电极的输出端通过高频屏蔽线与电导测量模块相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像数据采集系统，其特征在于所说的电阻数据采集传感器的传感管段内径为80mm，电极张角为7.16°，电极片尺寸为5mm×50mm，长度与管道直径之比为5∶8。

4.根据权利要求2所述的一种基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像数据采集系统，其特征在于所说的电阻数据采集传感器的传感管段采用聚乙烯材料，传感管段的管长500～1000mm，公称直径20mm～160mm，公称最大压力1.0MPa。

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