CN1414381A - 基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的微型计算机与光电隔离、总线、激励电极选择模拟开关、电极驱动、传感器的输入极顺序连接；传感器与电极驱动、检测电极选择模拟开关、带通滤波单元A、差动放大单元、相敏解调单元、低通滤波单元、模数转换模块、总线顺序连接；总线与正弦波发生器、压控电流源、激励电极选择模拟开关顺序连接，总线还分别与差动放大单元、检测电极选择模拟开关连接，正弦波发生器与相敏解调单元连接，带通滤波单元B分别与检测电极选择模拟开关、差动放大单元连接。方法有：1.定时间隔采集流型的三维信息。2.对采集的信息进行数据压缩，输出三维信息特征数据。3.定义目标向量和确定神经网络的各项参数。4.进行仿真和目标向量比对，即可得出流型。

Description

基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器及方法

                        技术领域

本发明属于测量类，尤其涉及气液两相流流型识别的辨识器及辨识方法

                        背景技术

目前，公知的工业过程层析成像技术(Process Tomography)，是本世纪80年代中期正式形成和发展起来的一种以两相流或多相流为主要研究对象的过程参数(二维或三维分布状况的)在线实时测量的技术。电阻层析成象(Electrical Resistance Tomography，简称ERT)技术是PT技术之一的电阻抗层析成象(Electrical Impedance Tomography，简称EIT)技术的简化形式，其在检测中它只利用了电阻抗的实部信息，只适用于液相为连续相的测量场合。ERT技术的主要原理是基于不同的媒质具有不同的电导率这一性质，通过判断处于敏感场中的物体电导率分布来推断出物场的媒质分布状况。

作为两相流基本参数流型的研究，目前还处在起步阶段。传统的技术是通过流型判别图及判别公式的方法是不能实现在线的流型识别。而传统的单点测量和连续时间序列信号分析等方法，由于其测量信息范围的限制，也不能很好的表达管道截面的二维或三维信息，因此测量准确度不高。

                        发明内容

本发明的目的是提供一种基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器及方法，解决上述难题，以满足实时在线辨识和提高测量精度等多方面的需要。

本发明的目的是这样实现的：基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器，其微型计算机与光电隔离、总线、激励电极选择模拟开关、电极驱动的一端、传感器的输入极顺序连接；传感器的输出极与电极驱动另一端、检测电极选择模拟开关、带通滤波单元A、差动放大单元、相敏解调单元、低通滤波单元、模数转换模块、总线顺序连接；总线与正弦波发生器、压控电流源、激励电极选择模拟开关的另一端顺序连接，总线还分别与差动放大单元的另一端、检测电极选择模拟开关的另一端连接，正弦波发生器的另一端与相敏解调单元的另一端连接，带通滤波单元B分别与检测电极选择模拟开关、差动放大单元连接。

基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器的方法，包括下列步骤：

1，在气液两相流的动态检测中，在已知流型下，以一定时间间隔采集流型的三幅数据来表征流型的三维信息。

2，对每次采集到的每一幅数据信息采用主分量分析方法进行数据压缩，输出已知流型的三维信息特征数据。

3，将不同流型采集的三维信息特征数据作为输入向量，对已知的不同流型，定义不同的输出作为目标向量。

4，由输入向量和目标向量形成径向基神经网络，确定网络的各项参数。

5，读取待识别流型测量数据，并经过特征提取后输入的径向基神经网络进行仿真，再将网络的输出与定义的目标向量比对，即可得出流型。

由于本发明采用了以上的技术方案，因而具有以下的优点：

1，基于电阻层析成像技术的气液两相流流型识别的辨识器，其构造简单，调节控制方便。

2，比较基于传统PT技术的流型识别方法，本发明控制、操作、计算程序都十分简单，容易实现，且实时性较好。

3，检测结果是基于对能够反映管道截面分布信息的电压测量数据的分析而得出，准确性有了很大的提高，还可以实现在线的流型识别。

4，提出基于神经网络的特征辨识方法，进一步提高了流型辨识的精度。

                        附图说明

图1是本发明的一种电路原理示意框图；

图2是本发明中的传感器的一种形状构造示意图；

图3是本发明的基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器的方法原理示意图。

图中：

1，正弦波发生器                 2，压控电流源                     3，电极驱动

4，激励电极选择模拟开关         5，检测电极选择模拟开关           6，带通滤波单元A

7，带通滤波单元B                8，差动放大单元                   9，相敏解调单元

10，低通滤波单元                11，模数转换模块                  12，总线

13，光电隔离                    14，微型计算机                    15，传感器

16，激励电流信号                17，检测电压信号                  18，管道断面

19，管道内壁                    20，管道外壁                      21，电极引出端

22，电极                        23，敏感场激励单元                24，被测信号转换单元

25，数据采集与处理单元          26，图像重建与物场参数提取单元    27，显示器

28，测量参数输出端

                        具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作如下详述：

在图1中，一种基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器，其微型计算机14由导体与光电隔离13、总线12、激励电极选择模拟开关4、电极驱动3的一端、传感器15的输入极顺序连接；传感器15的输出极由导体与电极驱动3的另一端、检测电极选择模拟开关5、带通滤波单元A6、差动放大单元8、相敏解调单元9、低通滤波单元10、模数转换模块11、总线12顺序连接；总线12与正弦波发生器1、压控电流源2、激励电极选择模拟开关4的另一端顺序连接，总线12还分别与差动放大单元8的另一端、检测电极选择模拟开关5的另一端连接，正弦波发生器1的另一端由导体与相敏解调单元9的另一端连接，带通滤波单元B7由导体分别与检测电极选择模拟开关5、差动放大单元8连接。其中，

正弦波发生器1，用于在微型计算机14的控制下，产生电阻层析成像系统所需检测的激励正弦波，其可采用数字式波形发生器EPROM2764。

压控电流源2，用于将正弦波发生器输出的电压信号转换成电流信号。压控电流源2输入为电压正弦波信号，输出为电流正弦波信号(激励信号)。经过压控电流源得到电流激励信号其激励信号的频率分别为5.86KHz，11.72KHz，23.44KHz，46.88KHz，93.75KHz，共五级工作频率。激励源输出电流的幅值在0-10mA之问256级可选，相位在0-180°之间或0°—-180°之间256级可调；其可采用双运算放大器LF411正反馈构成。

电极驱动3，用于将激励电流加在传感器15上，以及将传感器15上感应电压作为检测信号传出，其可采用运算放大器LF411。

激励电极选择模拟开关4，用于选择激励电极(每次选通两个相邻激励)；其采用的模拟开关可选择2片16选1的多路开关MAX306芯片，其中U1的公共端连接激励电流，U2的公共端连模拟地。由计算机14通过触发器74LS374产生MAX306的地址选择信号。每次U1，U2各选通一个电极(且这两个电极是相邻的，构成相邻激励)，其中激励电流信号由U1的公共端流入加到U1所选通的激励电极上，感应电流由U2所选通的电极流出经过U2的公共端接地，这样就形成了一个激励回路。

检测电极选择模拟开关5，用于选择检测电极(每次选通两个相邻检测)；其采用的模拟开关可选择2片16选1的多路开关，如MAX306芯片；其中的U3公共端为检测电压输出端V1，U4公共端为另一路检测电压输出端V2，由计算机14通过触发器74LS374产生。

带通滤波单元A6、带通滤波单元B7，用于滤掉其它噪声频率的波形；其可由两片8选8多路开关MAX307和一片8选1多路开关MAX308以及运算放大器LF411构成。由于本系统可以在5个不同的频率下工作，带通滤波正是使检测到的电压波形通过，达到滤掉其它噪声的目的。检测到的电压波形的频率与激励电流的频率相同，因此带通滤波可以通过波形的中心频率正是激励电流的频率。因为本系统可以在5个频率下工作，因此带通滤波器的中心频率应该与之对应也为5个。通过改变带通滤波器的RC值，可以改变其中心频率，它们的控制信号正是频率选择信号。带通滤波单元的输入信号是检测到的电压信号V₁，V₂；输出为经过滤波的电压信号V₁′，V₂′。

差动放大单元8，用于在不需要外加电路的条件下完成信号的差模放大(放大倍数可以为100，200等)。差动放大单元的输入信号为V₁′，V₂′；输出信号为V＝n*(V₁′-V₂′)，式中V为输出信号，n为放大倍数。差动放大单元由精密仪表放大器AD624构成。

相敏解调单元9，用于将正弦波信号转换为半波信号。本发明采用开关解调的方式，其采用MAX301作为解调开关，计数器CD4024最高地址位信号作为解调信号控制MAX301的开关，解调部分的输入信号为V，输出信号为半波形。

低通滤波单元10，用于解调以后的半波信号，经过四阶Butterworth低通滤波器转化成直流信号输出；其可采用运算放大器LF411。

模数转换模块11，用于将低通滤波单元10输出的模拟直流信号，由12位模数转换器AD1674转换成数字信号输出；其可采用AD1674。

总线12，用于传递数据信号，地址信号和控制信号。

光电隔离13，用于将系统的电源与计算机的电源隔离；可选用快速光电隔离器件6N137。

微型计算机14，用于控制信号的产生，数据处理，图像重建以及特征参数的计算；其可采用普通的微型机。

传感器15，用于定时间隔采集同一流型的三幅数据来表征流型的三维信息数据信号，并将采集的数据信号输送至电极驱动3。

在图2中，传感器15由激励电流信号16、检测电压信号17、管道内壁19、管道外壁20、电极端21、电极22等构成。管道内壁19设置有均布的16只电极22，管道外壁20上并连接有相配的电极引出端21，电极引出端21分别由导线连接至电极驱动器3。在本发明中，对气液两相流管道采用敏感场的激励和感应边界电压的方法进行采样。首先由相邻电流激励，相邻电压检测的方式对管道进行激励和电压采样。然后每一次选择相邻的两个电极分别作为激励电流的流入和流出电极，同时测量剩余14个电极两两相邻感应出的电压值。而后变换激励角度(共16个激励角度)；依次类推，最后将得到16×13个(共208个)测量电压值的1帧数据的采样信号，并输送至电极驱动3，从而获得定时间隔时采集同一流型的三幅数据来表征流型的三维信息数据。

在图3中，

敏感场激励单元23，由正弦波发生器1和压控电流源2构成，用于产生激励信号。

被测信号转换单元24，由电极驱动3、激励电极选择模拟开关4、检测电极选择模拟开关5构成，用于激励和检测信号。

数据采集与处理单元25，由带通滤波单元A6、带通滤波单元B7、差模放大单元8、相敏解调单元9、低通滤波单元10和模数转换模块11构成，用于将检测信号中有用的信息转换为数字量。

图像重建与物场参数提取单元26，由微型计算机14和相应的计算法构成，用于数据的特征提取和图像重建。

显示器27，用于将微型计算机14输出的检测信号以图象方式显示其测量结果。

测量参数输出端28，由显示器或打印机等构成，用于显示或输出其测量、计算结果，其可采用任意显示器或打印机等件。(当测量参数输出端28采用显示器时，其可省略上述的显示器27)。

本发明在实际应用时，其基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器的方法，具体步骤如下：

1，在气液两相流的动态检测中，首先在已知流型的情况下，气液两相流管道中设置的传感器由激励单元(正弦波发生器1和压控电流源2)产生激励信号，(正弦波电流)通过激励电极选择模拟开关4以一定的时间间隔进行敏感场的激励；检测电极选择模拟开关5选通两两相邻的电极(激励电极除外)检测到电压正弦波信号V₁，V₂，经过带通滤波得到信号V1′、V2′，再经过差摸放大输出信号为V＝n*(V1′-V2′)，然后经过低通滤波转换为直流电压信号，输送到模数转换模块11转换成数字信号。这样16个电极两两相邻激励一周，可得到208个检测点为一幅测量数据；并以一定时间间隔采集流型的三幅数据来表征流型的三维信息数据；之后对每一种已知流型采集数据建立该流型的数据库。

2，对定时间隔采集到的每一幅数据，采用主分量分析方法进行数据压缩，输出已知流型的特征数据。

3，将不同流型的特征数据作为输入向量，对不同的流型，定义不同的输出作为目标向量。

4，由输入向量和目标向量形成径向基神经网络，确定网络的各项参数。

5，读取待识别流型测量数据，并经过特征值提取后输入的径向基神经网络进行仿真，和与网络的输出与定义的目标向量比对，即可得出流型。

本发明在工业生产过程中具有广阔的应用前景，如在工业过程中的锅炉传热、水利、化工、石油、冶金等工业领域，可用来检测两相流(气液、液液、气固)，和两相流参数的测量。同时，各行业中涉及到两相流的热动力学、反应动力学、流体力学等领域的研究、实验时，本发明的精确测量和方法都是必不可少的环节。

Claims (3)

1.一种基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器，其特征在于，微型计算机与光电隔离、总线、激励电极选择模拟开关、电极驱动的一端、传感器的输入极顺序连接；传感器的输出极与电极驱动另一端、检测电极选择模拟开关、带通滤波单元A、差动放大单元、相敏解调单元、低通滤波单元、模数转换模块、总线顺序连接；总线与正弦波发生器、压控电流通源、激励电极选择模拟开关的另一端顺序连接，总线还分别与差动放大单元的另一端、检测电极选择模拟开关的另一端连接，正弦波发生器的另一端与相敏解调单元的另一端连接，带通滤波单元B分别与检测电极选择模拟开关、差动放大单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器，其特征在于，传感器设置有均布的16只电极，管道外壁上设置有与电极相配连接的电极端，电极端分别与电极驱动器连接。

3.一种根据权利要求1所述的基于电阻层析成像的气液两相流流型识别的辨识器的方法，包括下列步骤：

1)在气液两相流的动态检测中，在已知流型下，以一定时间间隔采集流型的三幅数据来表征流型的三维信息；

2)对每次采集到的每一幅数据信息采用主分量分析方法进行数据压缩，输出已知流型的三维信息特征数据；

3)将不同流型采集的三维信息特征数据作为输入向量，对已知的不同流型定义不同的输出作为目标向量；

4)由输入向量和目标向量形成径向基神经网络，确定网络的各项参数；

5)读取待识别流型测量数据，并经过特征提取后输入的径向基神经网络进行仿真，再将网络的输出与定义的目标向量比对，即可得出流型。