一种基于双模态层析成像的多相流成像测量装置和方法

摘要

本发明属于电磁传感器技术领域，涉及一种基于电磁传感器的线材圆度测量装置，其电磁传感器包括由4个相同的线圈两两配对构成的2组线圈对，4个线圈分布在一个圆周上，构成每组线圈对的两个线圈的中轴连线均经过圆心；由上位计算机控制通过多路模拟开关一次选通两组线圈对中的一对，其两个线圈，一个与电感测量仪的激励信号输出端相连，一个与电感测量仪的测量信号输入端相连，在无线材存在的空场和有线材存在的满场情况下分别采集电感测量仪输出的电感值个电感值导入上位计算机，上位计算机根据采集得到的数据即可判断线材的圆度。本发明同时提供一种采用上述测量装置实现的线材圆度测量方法。本发明最大优点是非接触式测量线材的圆度，并且可以实时测量。

说明书

技术领域

本发明属于多相流体成像技术领域，涉及一种基于双模态(ECT/EMT)层析成像技术的装置。

技术背景

多相流动现象广泛存在于石油、化工、能源动力等现代工程领域。多相流的测量对生产过程的监控、故障诊断等具有重要意义。

电学层析成像技术(Electrical Tomography，ET)是自上世纪80年代后期出现的一种新的层析成像技术。它采用非侵入手段，通过断层成像揭示被测对象内部结构及参数分布，实现可视化测量。它在工业及生物医学领域有广泛的应用前景，可以实现长期、持续监测。电学层析成像技术主要包括电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography，ERT)、电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)、电磁层析成像(Electrical MagneticTomography，EMT，也叫做磁感应层析成像Magnetic induction tomography，MIT)。

William Daily(William Daily，Abelardo Ramirez，Binley Andrew M，LaBrecque Douglas，Electical Resistance Tomography.The Leading Edge，23(5).pp.438-442.2004)、Beck，M S(Beck MS，Byars M，Dyakowski T，Waterfall R，He R，Wang S J，Yang，W Q，Principles and industrialapplications of electrical capacitance tomography.MEAS CONTROL.Vol.30，no.7，pp.197-200.1997)、H Griffiths(H Griffiths，Magnetic inductiontomography.Meas.Sci.Technol.12(2001)1126-1131.)分别给出了ERT、ECT及EMT的测量原理，它们可以分别对导电物质、介电物质和既导电又导磁物质进行测量。Robert Merwa(RobertMerwa，Hermann Scharfetter，Magnetic induction tomography：comparison of the image qualityusing different types of receivers.Physiol.Meas.29(2008)S417-S429.)，A J Peyton(A J Peyton，Z ZYu，G Lyon，S Al-Zeibak，J Ferre-ira，J Velez，F Linhares，A R Borges，H L Xiong，N H Saunders，M S Beck，An overview of electromagnetic inductance tomography：description of three differentsystems.Meas.Sci.Technol.7(1996)261-271.)对线圈的设计也提出了一些建议。但是这些测量方法也有各自的局限。例如：ECT无法正确准确测量导电物质，而ERT无法测量导磁和介电物质。它们都无法同时实现对导电、导磁和介电物质的测量。

发明内容

针对以上提到的现有多相流测量中电学层析成像技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种双模态(ECT和EMT)电学层析成像装置，可以同时测量导电、导磁和介电物质。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于双模态层析成像的多相流成像测量装置，用于对流经待测管道的流体进行多相流成像测量，包括激励信号发生单元、模拟选通开关、传感器阵列、信号调理和采集单元和上位计算机；传感器阵列包括分布在待测管道外部同一个截面上的至少两个激励传感器及至少两个接收传感器，激励传感器为平板线圈，接收传感器包括一个接收板和与其相连的平板线圈，两个平板线圈均由线芯为平板形的绝缘平板导线同轴层叠绕制而成，接收板的宽度大于与其相连的平板线圈；激励信号发生单元包括两个激励信号源，模拟选通开关用于选通激励传感器，两个激励信号源输出的信号经过功率放大后接在被选通的激励传感器的两端，接收传感器所感应的信号经由信号调理和采集单元处理后被送入上位计算机，测量装置的模态由两个激励信号源确定，若两个激励信号源输出相同波形、幅值和相位的交流信号，则测量装置用于介电物质的成像测量，若两个激励信号源输出相同波形、幅值和相反相位的交流信号，则测量装置用于导电或导磁物质的成像测量；上位机通过模拟选通开关一次选通一个激励传感器，对其施加激励信号，并控制信号调理和采集单元依次采集各个接收传感器感应的信号，根据由两个激励信号源所确定的模态，对所采集的数据进行图像重建，得到电导率、磁导率或介电常数的分布图像，从而得到多相流体的分布。

作为优选实施方式，本发明的基于双模态(ECT/EMT)层析成像技术的多相流成像测量装置，平板线圈均为矩形结构；平板线圈的长10mm-100mm，宽10mm-100mm，其所采用的绝缘平板导线的宽度为1mm-20mm，厚度为0.01mm-1mm，绕线的匝数为1-1000匝；所述的接收板宽度为10mm-100mm，厚度为0.01mm-1mm。

本发明同时提供一种利用上述系统实现的多相流成像测量方法，包括下列步骤：

(1)根据被测物质的不同，选择测量的模态，当被测物质导电或者导磁时，在激励传感器两端分别加载输出相同波形、幅值和相反相位的交流信号的两个激励信号源，当被测物质为介电物质时，在激励传感器两端分别加载输出相同波形、幅值和相位的交流信号的两个激励信号源；

(2)通过模拟选通开关一次选通一个激励传感器，对其施加激励信号，由信号调理和采集单元依次采集各个接收传感器感应的信号，并将其送入上位计算机；

(3)根据由两个激励信号源所确定的模态，对所采集的数据进行图像重建，得到电导率、磁导率或介电常数的分布图像，从而得到多相流体的分布。

上述的图像重建过程可以包括下列步骤：

(1)利用所采集的数据得到灵敏度矩阵S(M×N)，其中M是独立测量数，N为像素数，设激励传感器个数为m，接收传感器个数为n，那么独立测量数M为m×n；

(2)建立基于灵敏度矩阵的线性化模型，对其归一化：g＝S^-1λ，其中，λ是由各个测量值组成的M×1阶向量矩阵，用S^T代替S^-1，构建目标函数式中，是灰度值g的估计解，表征物场电学特征分布，是最小平方解的约束，α即为标准Tikhonov正则因子，取值范围为1e-5到1e-3；

(3)求取目标函数的最小平方解的近似解其中(S^TS+αI)^-1为Tikhonov正则化过程，I为单位矩阵；

(4)由各个像素上的灰度值进行成像。

本发明的测量方法，所采用的像素数N可以为4-1000000之间

本发明的装置和方法，能够用在多相流测量中得到流体的导电或导磁参数，进而判断是何种物质。该发明是对之前电学层析成像技术的扩展和补充，通过对激励传感器和接收传感器的改进并采用两种激励方式，将ECT和EMT的测量原理组合在一起，即能测量导电导磁物质也能测量介电物质，克服了传统电学层析成像单一测量的不足，使其更适于工业和生物医学中多相流的测量。

附图说明

图1是本发明的基于双模态(ECT/EMT)层析成像技术的多相流成像测量装置原理图；

图2是4个激励传感器4个接收传感器双模态(ECT/EMT)层析成像装置示意图；

图3是单个激励传感器和接收传感器所组成的传感对的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

参见图1，本发明中的装置是由激励信号发生单元、功率放大器、模拟选通开关、激励传感器、接收传感器、信号调理和采集单元、上位计算机组成。一个激励传感器和一个接收传感器可组成一个传感对，且激励传感器和接收传感器不可交换。激励信号发生单元为激励线圈提供不同的激励方式，可采用直接数字合成(DDS)芯片AD7008，该芯片可以产生不同幅度和相位的正弦激励信号。激励信号的幅度和相位可由计算机设置，通过功率放大器放大后加到激励线圈上。

上位计算机控制信号调理和采集单元对接收传感器上感应信号的采集，其中的采集顺序由模拟选通开关控制。通常，对于本发明的双模态(ECT/EMT)层析成像，若激励传感器个数为m，接收传感器个数为n，那么独立测量数M为m×n。

模拟选通开关将功率放大器输出的信号分配到需要的激励线圈上，模拟开关的电流承受值应为10mA至1A之间。模拟选通开关可以采用MAXIUM公司的大电流开关芯片(如MAX4656)。

图2为4激励传感器4接收传感器双模态(ECT/EMT)层析成像装置示意图；4个激励传感器和4个接收传感器分别布置在圆柱形管道的两侧。如图所示，1及其上方的三个线圈为4个激励传感器，2及其下方的三个线圈表示4个接收传感器。3为圆柱形管道。

图3为单个激励传感器和接收传感器组成的传感对结构示意图。图中，1为激励线圈，2为接收板，3为接收线圈，4和5为两个电源，用以组成不同的激励方式。6为低阻抗分流器。

激励线圈和接收线圈同为矩形结构，都由绝缘平板导线绕制而成，导线的宽度远大于其厚度。激励线圈导线的宽度为1mm-20mm，厚度为0.01mm-1mm，绕线的匝数为1-1000匝。接收线圈导线的宽度为1mm-20mm，厚度为0.01mm-1mm，绕线的匝数为1-1000匝。接收板宽度为10mm-100mm，厚度为0.01mm-1mm。线圈为同心结构，长10mm-100mm，宽10mm-100mm。

由模拟选通开关选通一个激励传感器，对其进行正弦电流激励，并在两种工作模式下，对n个接收传感器进行数据采集。将所测的数据通过放大和解调送入数据采集板。之后，对下一个激励传感器进行激励，同样对所有的n个接受传感器数据采集。以此类推，可以得到m×n个测量数据。

最后对两种情况下所测的数据分别进行图像重建。本发明采用Tikhonov正则算法实现，有关改算法，现有技术多有论述，过程如下：

(1)利用测量数据得到灵敏度矩阵S(M×N)，其中M是独立测量数，N为像素数，设激励传感器个数为m，接收传感器个数为n，那么独立测量数M为m×n。

(2)为了简化问题，可用基于灵敏度矩阵的线性化模型，并用归一化形式λ＝Sg表示，则g＝S^-1λ。λ是测量值组成的M×1阶向量矩阵，由于S阵往往不是方阵，且是病态的，故可用S^T来代替S^-1。Tikhonov正则化过程的思想是通过最小化目标函数来求取灰度值g。目标函数式中，是灰度值g的估计解，表征了物场电学特征分布。是最小平方解的约束。α即为标准Tikhonov正则因子，其与图像最终平滑度相关，取值范围为1e-5到1e-3。

(3)由于灵敏度矩阵的欠定性，可求的灰度值的最小平方解的近似解其中(S^TS+αI)^-1为Tikhonov正则化过程，I为单位矩阵。

(4)最后由各个像素上的灰度值可以进行成像。