CN1793879A - Ert/ect双模态成像系统复合阵列传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，旨在实现对任何被测多相流体在任意导电能力范围的成像测量。其构成包括电极数量一致的ERT电极阵列与ECT电极阵列，所述ERT电极阵列和ECT电极阵列中的电极分别通过密封绝缘垫圈和固定螺母以圆周均布方式位置相对地设置在被测流体管道的同一截面处的内、外壁上，所述两种电极阵列中的电极数为8～64个，在每两个ECT电极之间设置有径向屏蔽电极，所述径向屏蔽电极的外部设置有屏蔽罩。本发明的优点是：可同时获取被测流体在同一时间、同一位置的流场分布信息，从而使现有的ERT技术和ECT技术的互补成为现实，为进一步研究电学过程成像技术打下良好的基础。

Description

ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器

                              技术领域

本发明涉及一种电学成像技术，尤其涉及一种应用于电学成像技术的传感器。

                              背景技术

在石油、化工、电力、冶金、建材、食品等工业生产中，存在着大量多相物质混合流动的情况。如石油工业中的油/气、油/水两相流、油/气/水多相流等；又如冶金、电力工业中各种气力物料输送管道中的气/固两相流等；还有化工、医药、能源等领域中，物质的干燥过程、混合过程、流态化过程、扩散过程、反应过程等，均涉及多相流的问题。所以，研究两(多)相流的流动特性及变化规律，并对其相关参数进行检测，对于相关科研、设计以及生产过程中的安全、高效的运作具有十分重要的意义。

过程成像(PT，process tomography)技术，是近年来发展起来的一种两相流/多相流检测技术，它采用特殊设计的敏感器空间阵列，以非接触或非侵入方式获取被测对象的流场信息，目前的种类主要有光学成像、射线成像、核磁共振成像、超声成像、电学成像等。其中的电学成像方法具有成本低廉、装置简单、无核辐射等优势，已经得到国内外许多研究机构的重视。而电阻成像(ERT，Electrical Resistance Tomography)和电容成像(ECT，Electrical Capacitance Tomography)则是电学成像中得以广泛研究的两种成像方式，比如工业过程成像和生物阻抗测量等。

在工业过程成像应用中，传感器空间阵列电极固定在流体管道上，在生物阻抗测量中，传感器空间阵列电极安装在柔性软带上，然后将传感器固定在被测部位。以工业过程成像为例，在ERT和ECT系统中，阵列电极安装在流体管道壁上，按照一定的激励模式，通过对阵列电极施加交变电压(或电流)激励信号，测量阵列电极的响应信号，可提取被测对象的电特性(电阻率、介电常数的空间分布)信息，再经数据采集单元处理后，运用图像重建算法再现两相/多相流体在管道内部或反应装置内部某一横截面上的分布状况，得到两相流中离散相浓度分布及其随时间的变化规律，从而实现被测两相流体在某一截面上的可视化。

由于ERT测量电阻率信息，流场可等效为电阻模型，所以一般地将电极安装在管道的内壁以便激励电流注入流场；而ECT测量介电常数，流场可等效为电容模型，所以一般地将电极安装在管道的外壁。ERT系统要求被测流体具有较好的导电能力，而ECT系统要求被测流体的电导率不能太高，否则电容模型不能成立。因此，如果要分析石油工业中的油水两相流，则水的含量较大时，因其电导率较大，可采用ERT技术，而水的含量较小时，因其电导率较小，可采用ECT技术。

目前在国内外，ERT和ECT技术是分别独立运行的，其传感器也是各自独立的。应用这样的测量方式研究油水两相流，如果水和油的相对含量无法预知，那麽ERT和ECT方法就会受到极大限制。此时需要将两项技术结合使用，以互相补充二者的不敏感测量区。传统的方法是将ERT和ECT两套传感器的电极安装在流体管道轴向相隔一定距离的两个截面上，这样的设置，可使其敏感场互不影响，测量方法也很简单。但由于两套传感器安装在不同位置，体现的问题是测量结果不能反映同一时间、同一位置的流场分布信息，因而难以体现ERT和ECT技术的互补特点。

                              发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种将ERT和ECT技术真正融为一体的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，以拓宽电学成像技术的测量范围和适用面，充分发挥多传感器的数据融合优势，使其可以对任何被测多相流体在任意导电能力范围实现成像测量。

本发明的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，包括电极数量一致的ERT电极阵列与ECT电极阵列，所述ERT电极阵列和ECT电极阵列中的电极分别通过密封绝缘垫圈和固定螺母以圆周均布方式位置相对的设置在被测流体管道的同一截面处的内、外壁上，所述两种电极阵列中的电极数分别为8～64个，在每两个ECT电极之间设置有径向屏蔽电极，所述径向屏蔽电极的外部设置有屏蔽罩。

所述ERT电极阵列和ECT电极阵列中的电极数可选用8个、12个、16个或32个，最好为16个。

所述复合电极阵列中的ERT电极为螺栓状，它以不锈钢、钛合金或氯化银制成；所述复合电极阵列中的ECR电极为中间有孔的矩形状，它以金属铜制成。

本发明的有益效果是：由于在使用所述的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器时，将其两套电极同时安装于流体管道的同一截面位置，故可同时获取被测流体在同一时间、同一位置的流场分布信息，从而使现有的ERT技术和ECT技术的互补真正成为现实。

                               附图说明

图1是本发明传感器的截面结构示意图；

图2是图1中A部的局部放大图；

图3是图2的A向视图(省去螺母和垫圈)；

图4是本发明中ECT电极的结构示意图；

图5是本发明中ERT电极的结构示意图。

                        具体实施方式

下面结合各附图以及实施例对本发明技术作进一步描述：

本发明的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，包括电极数量一致的ERT电极阵列与ECT电极阵列，如图1、图2所示，所述ERT电极阵列中的ERT电极2和ECT电极阵列中的ECT电极3分别通过密封绝缘垫圈4和固定螺母5以圆周均布方式位置相对的设置在被测流体管道1的同一截面处的内、外壁上，在每两个ECT电极3之间设置有径向屏蔽电极7，所述径向屏蔽电极7的外部设置有屏蔽罩6。

本发明的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器中的各种电极的个数相等，根据测量需要，可设置为8、12、16、32、64等各种系列。在本实施例中，各种电极的个数设置为16个。安装在被测流体管道1内侧的ERT电极2设置为如图5所示的螺栓状，与被测流体接触；安装在被测流体管道1外侧的ECT电极3呈图4所示的中心位置有孔的矩形状，与被测流体绝缘。从理论上说，为了可靠安装的需要，所述的ECT电极3应该略带一定的弧度以便紧密贴在被测管道1的外壁上，但考虑到每次测量的被测流体的管道直径不可能一致的情况，以及在流体管道的圆周上均布多个电极可以忽略很小的电极张角(比如在本实施例中设置16个电极，电极的张角小于360°/16＝22.5°)，故可以将所述的ECT电极3做成平面型，为了满足可靠安装的需要，可以把管道外壁略加修正，使其呈小平面形状。

所述的ERT电极2，以电化学性能稳定的导体材料制作，一般选用不锈钢、钛合金或氯化银等；所述的ECT电极3，以电的良导体材料制作，一般选用金属铜；所述的径向屏蔽电极7在每两个ECT电极3之间设置一个，其形状为采用薄铜板制成的矩形片状，其长度大于ECT电极3的长度(如图3所示)，如此设置的目的是为了发挥其屏蔽各电极之间干扰的作用；所述的屏蔽罩6采用铜箔制作，并设置在整个传感器的最外层，以屏蔽传感器整体。各电极的引出导线可以直接焊接在电极上，也可以用线卡固定在螺钉上。

多相流的测量是本发明的最佳应用场合。考虑到被测流场内电流密度和电场分布的均匀性以及测量信号的信噪比等因素，该传感器以设置16个电极为最佳应用模式，其它技术数据可根据应用系统中管道的实际尺寸按比例改变。例如：被测流体管道1的内径102mm，外径110mm，则所用传感器技术数据的最佳设置为：ERT电极2的直径6mm；ECT电极3的长宽尺寸80mm×18mm，电极圆周张角18.5°；径向屏蔽电极7的长宽尺寸120mm×20mm。

由于ERT电极阵列和ECT电极阵列用于测量流场的不同参数，所以两套电极阵列不能同时工作。即在对所述的ERT电极2施加激励信号时，就不能同时对所述的ECT电极3施加激励信号，反之亦然。因此，当本发明的传感器和数据采集电路连接后，其中的ERT电极2和ECT电极3将通过切换电路分时工作。又由于数据采集系统能以很高的速度在两者之间切换，所以，可以认为两套电极阵列所测量的结果能够反映同一时间、同一位置流场的电导率和介电常数的分布信息。

本发明可应用到多相流的电学成像测量中，也可用于生物阻抗的电学成像测量。生物阻抗是能够反映生物组织、器官、细胞或整个生物机体电学性质的物理量，而生物阻抗技术则是利用生物组织与器官的电特性(阻抗、导纳、介电常数等)及其变化提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。它通常是借助置于体表的电极系统向被测体施加交流激励电流或电压，检测相应的电阻抗及其变化，根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。将本发明的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器应用在生物组织功能性图像监护系统，是其具有的广泛应用前景中的又一有益成效。

在用于生物阻抗测量时，由于生物测量的特殊性(比如人体胸部的断层成像)，不方便传感器的安装。为了本发明传感器的方便使用，可将所述的ERT电极2和ECT电极3均加工成薄片状，并使所述的ERT电极2与被测组织接触，而所述的ECT电极3采用薄膜绝缘层和被测组织隔离，从而省略以上实施列中的径向屏蔽电极7。

现有的ERT技术只能测量有一定导电能力的流体，对导电能力较弱的流体如油气两相流则常常测量失效，反之，现有的ECT技术则又会对导电能力较好的流体测量失效。而本发明的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器则可以克服该缺陷。

本发明ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，与现有技术相比较，其优点在于：将两种电极阵列中的电极同时安装于被测流体管道的同一截面位置，可同时获取被测流体在同一时间、同一位置的流场分布信息，从而充分发挥多传感器的数据融合优势，以获取任何被测多相流体在任意导电能力范围的电学图像信息，真正实现ERT和ECT技术的互补，拓宽电学成像技术的测量范围和适用面，为进一步研究电学过程成像技术打下了良好基础。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构形式或实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，其特征在于：它包括电极数量一致的ERT电极阵列与ECT电极阵列，所述ERT电极阵列和ECT电极阵列中的电极分别通过密封绝缘垫圈和固定螺母以圆周均布方式位置相对的设置在被测流体管道的同一截面处的内、外壁上，所述两种电极阵列中的电极数分别为8～64个，在每两个ECT电极之间设置有径向屏蔽电极，所述径向屏蔽电极的外部设置有屏蔽罩。

2.根据权利要求1所述的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，其特征在于：所述ERT电极阵列和ECT电极阵列中的电极数分别为8个、12个、16个或32个。

3.根据权利要求1所述的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，其特征在于：所述ERT电极阵列和ECT电极阵列中的电极数为16个。

4.根据权利要求1所述的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，其特征在于：所述复合电极阵列中的ERT电极为螺栓状，它以不锈钢、钛合金或氯化银制成。

5.根据权利要求1所述的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，其特征在于：所述复合电极阵列中的ECR电极为中间有孔的矩形状，它以金属铜制成。

Images