專利名稱：基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及油氣兩相流測量，尤其涉及一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測量裝置。
背景技術(shù)：
兩相流系統(tǒng)在石油、化工等眾多工業(yè)領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。兩相流參數(shù)如流型、空隙率等的測量，對工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。由于兩相流動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，這些參數(shù)的在線測量十分困難，目前，能夠應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)中的兩相流在線測量儀表為數(shù)很少。
在實(shí)際工業(yè)兩相流系統(tǒng)中，兩相流流型的不同，不但影響兩相流的流動(dòng)特性、傳熱和傳質(zhì)性能，而且影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和效率。兩相流流型的在線顯示及辨識對生產(chǎn)過程的監(jiān)控、故障診斷和管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行等均具有重要意義。同時(shí)，對兩相流其它參數(shù)的測量也有很大的幫助。因此，流型是兩相流系統(tǒng)中具有重要工程意義的基本參數(shù)，流型的自動(dòng)辨識有著重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值。遺憾的是兩相流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，各相間存在隨機(jī)可變的相界面，致使流型的種類多種多樣，并且導(dǎo)致流型在流體流動(dòng)過程中的變化帶有隨機(jī)性。兩相流流型不僅受各相介質(zhì)自身特性的影響，而且受工業(yè)系統(tǒng)工況(包括壓力、各分相流量、各分相含率、管道的幾何形狀、壁面特性以及安裝方式等)的影響，因此流型的在線自動(dòng)辨識十分困難。目前，流型辨識方法有目測法、高速攝影法、射線衰減法，以及基于差壓/壓力、空隙率波動(dòng)信號的信號分析技術(shù)等方法。但是現(xiàn)有的這些方法由于難以獲取真正反映流型的管截面相分布信息，流型辨識準(zhǔn)確率往往不夠高，實(shí)際應(yīng)用也十分有限。
氣液兩相流中的氣相含率又稱為空隙率，表征氣體截面含率，該參數(shù)的獲取對工業(yè)系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)行狀況監(jiān)控，兩相流系統(tǒng)的自動(dòng)控制和計(jì)量以及進(jìn)一步的兩相流流量的測量等均具有重要的意義。目前的測量空隙率的方法主要有三大類第一類是采用單相流測量儀表。這類方法需要經(jīng)過大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到兩相流測量模型，其應(yīng)用范圍往往局限于獲得測量模型時(shí)所處工況。第二類是采用分離法，將兩相流體的各相分離，測量各相含量。這類方法可以對兩相流空隙率進(jìn)行計(jì)量，但由于要對兩相流體進(jìn)行分離，系統(tǒng)復(fù)雜，可能影響工業(yè)過程的連續(xù)性，因此限制了其應(yīng)用范圍。第三類方法是采用各種新技術(shù)，研制特定的儀表直接測量兩相流混合物。這類技術(shù)包括輻射線技術(shù)、核磁共振技術(shù)、電磁技術(shù)、超聲波技術(shù)、光譜技術(shù)、激光多普勒技術(shù)以及過程層析成像技術(shù)等，但基于這類技術(shù)的兩相流參數(shù)測量目前大多仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段。
電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography，簡記ECT)技術(shù)是近20年發(fā)展起來的一種新型檢測技術(shù)，其技術(shù)原理源于醫(yī)學(xué)CT，適用于非導(dǎo)電介質(zhì)構(gòu)成的兩相流系統(tǒng)的參數(shù)測量，是目前廣泛研究的一種過程成像技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、非介入性、速度快、成本低和安全性能佳等特點(diǎn)。由于ECT技術(shù)可以在不干擾流場情況下非介入性地測得反映管截面內(nèi)相分布局部的和微觀的實(shí)時(shí)信息，因此它的出現(xiàn)為解決兩相流流型辨識、空隙率測量等問題提供了一條有效途徑。但基于該技術(shù)的兩相流參數(shù)測量儀表仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用尚有一定距離。
油氣兩相流是一種常見的氣液兩相流動(dòng)，廣泛存在于石油(油氣田的開采和油氣輸送)、化工、煉油、動(dòng)力等領(lǐng)域，油氣兩相流的流型、空隙率等重要參數(shù)的測量對能源儲備、管道輸送、過程控制和計(jì)量核算均有著重要的意義，但目前尚未有很好的測量方法。隨著生產(chǎn)過程計(jì)量、節(jié)能和控制要求的提高，這些參數(shù)的測量就變得越來越迫切。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測量裝置。
裝置依次具有陣列式電容傳感器，電容數(shù)據(jù)采集單元和用于圖像重建、數(shù)據(jù)處理與顯示的計(jì)算機(jī)，所說的陣列式電容傳感器以兩端帶有連接法蘭的絕緣管作為傳感管段，傳感管段外側(cè)軸向均勻粘貼有銅箔電極陣列，傳感管段外側(cè)設(shè)有固定支架、屏蔽罩、徑向電極，在徑向電極上設(shè)有電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)流型的實(shí)時(shí)顯示、流型的在線自動(dòng)辨識和空隙率測量。采用反投影算法進(jìn)行流型顯示的圖像重建，流型顯示速度50幀/秒以上。依據(jù)反投影算法重建出的兩相流介質(zhì)分布圖像，采用模糊模式識別方法進(jìn)行流型在線自動(dòng)辨識，對于均相流、層狀流、波狀流和環(huán)狀流等典型流型，其辨識的準(zhǔn)確率高于95％，判別一個(gè)流型所用的時(shí)間小于0.3秒，對于塞狀流的辨識準(zhǔn)確率高于90％。采用基于Tikhonov正則化原理和代數(shù)重建技術(shù)的組合型新型圖像重建算法，重建出油氣兩相流截面圖像，并根據(jù)圖像的灰度值計(jì)算出油氣兩相流的空隙率，空隙率誤差小于5％。


圖1是油氣兩相流測量框圖；圖2是水平管氣液兩相流的典型流型圖；圖3a～e是一組典型的流型圖圖4是圖像重建場域剖分圖；圖5是流型辨識框圖；圖6是組合型圖像重建算法框圖；圖7是空隙率測量結(jié)果圖。
圖8是基于電容層析成像系統(tǒng)油氣兩相流測量裝置示意圖；圖9是陣列式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖10是電容測量電路和時(shí)序圖；圖11是電容數(shù)據(jù)采集模塊方框圖具體實(shí)施方式
利用電容層析成像技術(shù)可以測量由具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)所組成的兩相流體的特征參數(shù)。對于具有不同介電常數(shù)的兩相流體，當(dāng)各相組分的空間分布或濃度(含率)發(fā)生變化時(shí)，將引起兩相流體在管截面上的介電常數(shù)分布發(fā)生變化，從而使測量電極對間的電容發(fā)生變化。采用陣列式電容傳感器，通過各電極之間相互組合，測量這些電容變化量，便可反映兩相流體的濃度以及在管截面上的相分布情況。以這些電容變化量的測量值為投影數(shù)據(jù)，采用合適的圖像重建算法，便可重建出某一時(shí)刻兩相流體流經(jīng)管道橫截面上的相分布圖像，實(shí)現(xiàn)流型的可視化。通過圖像處理等技術(shù)對重建圖像進(jìn)一步進(jìn)行分析，可以得出流型的判別結(jié)果和兩相流體的空隙率。
圖像重建是電容層析成像系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，其實(shí)質(zhì)是求解如下圖像重建模型P＝WF其中，P＝[p1，p2，…，pN]T為測量電容投影數(shù)據(jù)向量，其元素pi值由歸一化處理后的測量電容值及其靈敏度分布確定。
pi=(∫∫DSi(x,y)dxdy)·Cri]]>式中，Cri歸一化電容值，計(jì)算方法為Cri=Ci-CoiCm-Coi]]>
Ci為混合流體電容測量值，Coi為管中充滿氣相時(shí)的電容測量值，Cmi為管中充滿油相時(shí)的電容測量值。Si(x，y)為第i個(gè)測量電極對的靈敏度分布函數(shù)，該函數(shù)在各個(gè)像素點(diǎn)上的值通過電磁場的有限元分析得到。W為權(quán)重系數(shù)矩陣，其元素wij，i＝1，2，…，N，j＝1，2，…，M，由第i個(gè)測量電容的在第j個(gè)像素上的靈敏度和該像素的面積所決定。F＝[f1，f2，…，fM]T為待求圖像灰度向量，其中的元素fi∈[0，1]，0表示該像素點(diǎn)上的介質(zhì)為氣相，1表示該像素點(diǎn)上的介質(zhì)為油相。N表示測量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，M表示圖像重建場域的像素剖分個(gè)數(shù)。
圖像重建算法的選取對圖像重建的實(shí)時(shí)性和圖像質(zhì)量有著重要的影響，依據(jù)各種應(yīng)用場合的對圖像重建速度和質(zhì)量的不同要求，可以采用不同的圖像重建算法。
如圖1所示，針對流型的特點(diǎn)和應(yīng)用要求，流型顯示主要應(yīng)用于兩相流工業(yè)系統(tǒng)的監(jiān)測，由此用于流型顯示的圖像需采用簡單快捷的反投影圖像重建算法(LBP)。流型辨識為一定性參數(shù)測量，因此仍舊采用反投影圖像重建算法，經(jīng)圖像處理，利用模糊模式識別技術(shù)進(jìn)行流型辨識。而空隙率是一個(gè)定量的參數(shù)，重建圖像質(zhì)量越高，越有益于提高測量精度，所以采用基于Tikhonov正則化和代數(shù)重建技術(shù)(ART)的組合型新型圖像重建算法重建出質(zhì)量較高的介質(zhì)分布圖像，再利用圖像處理技術(shù)計(jì)算圖像灰度，從而得到油氣兩相流的空隙率。
如圖4a所示，在流型顯示和流型辨識的圖像重建過程中，采用有限元三角剖分將圖像重建場域剖分成54個(gè)像素，采用反投影算法進(jìn)行圖像重建。重建完成后，為使介質(zhì)分布圖像與數(shù)字圖像相對應(yīng)，經(jīng)過插值、平滑等技術(shù)處理，將圖像轉(zhuǎn)換成32×32的網(wǎng)格平面圖像以表征管截面上的兩相流體分布。同時(shí)，選取3秒鐘內(nèi)所有截面圖像的縱向直徑上的一組像素，依次顯示，可以表征在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)沿流體流動(dòng)方向上的介質(zhì)分布圖像。
反投影算法的特點(diǎn)在于計(jì)算量較小，速度快，重建出的圖像也能夠滿足流型在線顯示和定性流型辨識的應(yīng)用要求，其計(jì)算公式如下式所示fj=Σi=1NCri·wi,jΣi=1Nwi,j]]>式中，Cri歸一化電容值。
根據(jù)重建的兩相流介質(zhì)分布圖像，采用模糊模式識別的方法進(jìn)行流型辨識，其思想方法描述如下1.定義論域U＝{A1，A2，A3}，其中A1＝{均相流}，A2＝(層狀流}，A3＝{環(huán)狀流}。如圖2所示，油氣兩相流動(dòng)系統(tǒng)中典型的流型包括層狀流、環(huán)狀流、波狀流、塞狀流、泡狀流以及管中充滿油相(定義為滿管)和管中充滿氣相(定義為空管)。泡狀流、滿管和空管可以歸結(jié)為均相流；波狀流可以認(rèn)為是由不同層高的層狀流組成；塞狀流可以認(rèn)為是由均相流和層狀流組成。因此設(shè)定三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式A1＝{均相流}，A2＝{層狀流}，A3＝{環(huán)狀流}。
2.定義與U有關(guān)的特征量X＝{x}，根據(jù)流型的隨機(jī)性和模糊特性，并且考慮到均相流、層狀流、環(huán)狀流等典型流型下介質(zhì)在管道截面上的分布特點(diǎn)，把重建的介質(zhì)分布圖像的下述三個(gè)統(tǒng)計(jì)特征作為Fuzzy判別變量(1)整個(gè)圖像的平均灰度值x1；(2)位于上半管道27個(gè)像素的平均灰度和位于下半管道27個(gè)像素的平均灰度之差的絕對值x2；(3)靠近管壁一圈30個(gè)像素的平均灰度和位于管中心24個(gè)像素的平均灰度之差的絕對值x3。
3.選取正態(tài)Fuzzy分布函數(shù)為隸屬度函數(shù)的結(jié)構(gòu)形式，則流型判別問題歸結(jié)為一個(gè)多因素模糊模式識別問題。此時(shí)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式與三個(gè)Fuzzy特征量相對應(yīng)的隸屬度函數(shù)集為A1:μ1=(μ11,μ12,μ13)=(e-(x1-β11σ11)2,e-(x2-β12σ12)2,e-(x3-β13σ13)2)]]>A2:μ2=(μ21,μ22,μ23)=(e-(x1-β21σ21)2,e-(x2-β22σ22)2,e-(x3-β23σ23)2)]]>A3:μ3=(μ31,μ32,μ33)=(e-(x1-β31σ31)2,e-(x2-β32σ32)2,e-(x3-β33σ33)2)]]>其中參數(shù)βij，σij由人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定；i＝1，2，3；j＝1，2，3。通過大量的實(shí)驗(yàn)研究獲得用于流型辨識的參數(shù)βij、σij如下β=1.590.00.00.00.960.00.00.00.95]]>σ=0.480.080.080.081.00.080.080.081.0]]>待識別模式μ相對于標(biāo)準(zhǔn)模式A1，A2，A3的隸屬度函數(shù)為μAi=Mm[μi1(x1),μi2(x2),μi3(x3)]----i=1,2,3]]>其中Mm稱為綜合函數(shù)，其含義是綜合三個(gè)Fuzzy特征給出一個(gè)總體的評價(jià)。取綜合函數(shù)Mm為映射∑的形式，則待識別模式相對于A1，A2，A3的隸屬度分別為μA1=13(e-(x1-β11σ11)2+e-(x2-β12σ12)2+e-(x3-β13σ13)2)]]>μA2=13(e-(x1-β21σ21)2+e-(x2-β22σ22)2+e-(x3-β23σ23)2)]]>μA3=13(e-(x1-β31σ31)2+e-(x2-β32σ32)2+e-(x3-β33σ33)2)]]>4.根據(jù)Fuzzy判別變量求出隸屬度值μA1、μA2、μA3，并依據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則判別當(dāng)前管截面圖像表征何種流型。
圖5示出了流型辨識框圖，具體的流型辨識的流程和步驟如下(1)采集電容值，對于12電極電容層析成像系統(tǒng)，共有66個(gè)獨(dú)立測量電容值；(2)圖像重建，得到截面各像素灰度值；(3)根據(jù)重建圖像像素灰度值計(jì)算三個(gè)統(tǒng)計(jì)特征值x1、x2、x3；(4)利用模糊模式識別的方法進(jìn)行模式識別求得三個(gè)隸屬度值μA1、μA2、μA3；(5)根據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則判別流型，若μA1最大則是均相流，若μA2最大則是層狀流。若μA3最大則是環(huán)狀流。環(huán)狀流、層狀流通過一次辨識便可以得到。
(6)若辨識結(jié)果為均相流，可根據(jù)管截面液相含率進(jìn)一步辨識當(dāng)前兩相流是滿管、空管還是泡狀流。如果圖像的灰度接近1(大于0.98)，則認(rèn)為是滿管；如果圖像灰度接近0(小于0.02)，則認(rèn)為是空管；如果圖像灰度介于0.02和0.98之間，則認(rèn)為是泡狀流。
(7)波狀流可以認(rèn)為是由不同層高的層狀流組成，因此在判別結(jié)果為層狀流的前提下，分析圖像灰度的波動(dòng)，如果波動(dòng)達(dá)到一定的幅度，則認(rèn)為是波狀流。
(8)塞狀流可以認(rèn)為是由層狀流和均相流組成，因此當(dāng)辨識結(jié)果是層狀流或均相流(空管、滿管、泡狀流)時(shí)便需要進(jìn)一步辨識當(dāng)前流型是否為塞狀流。其策略是考察本次辨識的流型和前幾次辨識的結(jié)果，如果是層狀流與均相流交替出現(xiàn)且有一定的時(shí)間間隔(由于工況不同，段塞長度有所不同，所以設(shè)置的時(shí)間間隔根據(jù)工況而定)，則認(rèn)為當(dāng)前流型為塞狀流，否則維持原來的流型辨識結(jié)果。最后是流型辨識結(jié)果的顯示并返回進(jìn)行下一次流型辨識。
流型顯示的實(shí)驗(yàn)表明，該電容層析成像系統(tǒng)流型顯示的速度50幀/秒以上，顯示的圖像與實(shí)際的圖像相符。圖3a～e給出了該氣液兩相流測量裝置顯示的一組水平管中典型流型。流型在線自動(dòng)辨識實(shí)驗(yàn)表明，對于均相流、層狀流、波狀流和環(huán)狀流等流型，其辨識的準(zhǔn)確率高于95％，判別一個(gè)流型所用的時(shí)間小于0.3秒，對于塞狀流的辨識準(zhǔn)確率高于90％；依據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘，可以計(jì)算出段塞的時(shí)間跨度(連續(xù)均相流所持續(xù)的時(shí)間)。
空隙率為一量化參數(shù)，簡單的反投影算法不能滿足要求，因此本系統(tǒng)在測量空隙率時(shí)，采用了組合型新型圖像重建算法，該算法利用Tikhonov正則化克服求解圖像重建模型的逆問題時(shí)遇到的不適定性并求出初始圖像灰度值，在此初始圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)一步應(yīng)用代數(shù)重建技術(shù)進(jìn)行迭代改善，得到高質(zhì)量的重建圖像，通過計(jì)算圖像灰度獲得油氣兩相流的空隙率。
圖6示出了該組合型圖像重建算法。該算法分兩步進(jìn)行第一步，圖像重建場域剖分成54個(gè)像素(如圖4a所示)，采用Tikhonov正則化求解初始截面圖像的灰度值；第二步，將圖像重建場域剖分成216個(gè)像素(如圖4b所示)，以初始圖像的灰度值為迭代初值，應(yīng)用ART算法進(jìn)行迭代改善以重建出獲得高質(zhì)量的介質(zhì)分布圖像。
在第一步的圖像重建中，投影數(shù)據(jù)(電容測量值)有66個(gè)，用有限元三角剖分將管截面剖分成54個(gè)像素，圖像重建是在數(shù)據(jù)完備的情況下進(jìn)行。由于電容層析成像的圖像重建問題是一不適定逆問題。不適定性主要表現(xiàn)為解的不穩(wěn)定，即測量數(shù)據(jù)的微小變化會(huì)導(dǎo)致解的很大波動(dòng)?？朔贿m定問題的不適定性的方法是正則化，因此采用Tikhonov正則化，通過構(gòu)造正則化廣義逆圖像重建算法可以克服圖像重建中的不適定問題，獲得初始截面圖像的灰度值。引入正則化參數(shù)λ＞0，圖像重建模型的求解可歸結(jié)為如下最優(yōu)化問題定義輔助函數(shù)J(F)J(F)＝‖WF-P‖2+λ‖F(xiàn)‖2→min由∂J∂F=0,]]>從而極小化J，經(jīng)推導(dǎo)可得圖像重建模型的正則解，即初始截面圖像的灰度向量估計(jì)值 F^=(WTW+λI)-1WTP]]>λ是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)，一般取值為0.1左右。
在此基礎(chǔ)上進(jìn)行第二步圖像重建，對管截面進(jìn)行細(xì)分，剖分成216個(gè)像素，將54個(gè)像素的灰度值作為迭代的初始值，采用ART圖像重建算法，以獲得高質(zhì)量的圖像。
ART算法的主迭代公式為fj[i]=fj[i-1]+[(pi-qi)/Σk=1Mwik2]wij.]]>其中qi=Σk=1Mfk[i-1]wik]]>在迭代過程中，引入fj[i]∈[0,1]]]>的先驗(yàn)知識，對迭代結(jié)果進(jìn)行濾波 對重建圖像作進(jìn)一步處理，可以算得氣液兩相流體的空隙率，由于重建的圖像各像素的灰度值對應(yīng)于該像素區(qū)域內(nèi)液相含率，則根據(jù)最終所獲的圖像，可得空隙率α為α=1-(Σj=1MfjAjA)×100%]]>式中Aj為第j個(gè)像素的面積，A為測量管道的截面面積。
以柴油和空氣為介質(zhì)進(jìn)行了空隙率測量實(shí)驗(yàn)，靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空隙率的測量誤差可小于5％(注目前尚無空隙率的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法，只能對其進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定)。一組典型的空隙率測量結(jié)果如圖7所示，圖中橫坐標(biāo)為空隙率設(shè)定值，縱坐標(biāo)為采用電容層析成像系統(tǒng)測量出的空隙率值。空隙率值測量的實(shí)時(shí)性也比較好，測量獲得空隙率值所需的時(shí)間小于0.1秒。
測量系統(tǒng)的硬件組成如圖8、圖9所示，裝置依次具有陣列式電容傳感器1，電容數(shù)據(jù)采集單元2和用于圖像重建、數(shù)據(jù)處理與顯示的計(jì)算機(jī)3，所說陣列式電容傳感器以兩端帶有連接法蘭5的絕緣管4作為傳感管段，傳感管段外側(cè)軸向均勻粘貼有銅箔電極9陣列，傳感管段外側(cè)設(shè)有固定支架6、屏蔽罩7、徑向電極8，在徑向電極8上設(shè)有電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊10。
傳感管段采用的材料為聚乙烯管(PE管)長500～1000mm，管材規(guī)格為PE63，SDR11，公稱直徑25mm～160mm，公稱壓力1.0～2.0MPa。外殼為屏蔽罩，由半圓型兩片不銹鋼片組成，兩端各有2個(gè)螺絲開孔，可固定在支架上。電極片為12片，均勻粘貼在傳感管段的外壁。電極所采用的材料為銅片，電極張角為26°，電極片長度為管道內(nèi)徑的1.2倍。電極之間設(shè)有徑向電極，電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊安裝在徑向電極上，共有12個(gè)模塊，每個(gè)電極對應(yīng)一個(gè)模塊。
圖10示出了電容/電壓模塊進(jìn)行微弱電容測量電路和測量時(shí)序。Vi為充放電的激勵(lì)電壓源，運(yùn)放U1，電容Cf和開關(guān)S1構(gòu)成電荷放大器；開關(guān)S2和S3，運(yùn)放U2和U3構(gòu)成兩個(gè)采樣保持器(S/H)；U4為儀表放大器。電路的工作過程分為兩步。第一步是測量開關(guān)S1的電荷注入效應(yīng)在電路開始工作之前，Vi電壓為高，開關(guān)S1閉合，兩個(gè)采樣保持器都處于采樣模式。由于S1閉合，U1輸出為0V。在t1時(shí)刻將S1斷開，在理想情況下，V1將保持為0V，但由于開關(guān)S1的電荷注入效應(yīng)，有電荷Qc被注入Cf，導(dǎo)致V1被拉低至VL。在t2時(shí)刻，U1的輸出趨于穩(wěn)定，將S3斷開使采樣保持器U3進(jìn)入保持模式，則U1的輸出值由采樣保持器U3保持，即U3的輸出V3等于VL。第2步是測量激勵(lì)源引起的Cx中的電荷變化量在t3時(shí)刻，激勵(lì)源Vi產(chǎn)生由高到低的跳變，跳變幅度為ΔV，則在測量電極上得到感應(yīng)電荷為Q＝-ΔViCxU1的輸出為VH=VL+QCf]]>在t4時(shí)刻，S2斷開使采樣保持器U2進(jìn)入保持模式，即U2的輸出V2等于VH。以采樣保持器U2的輸出VH和采樣保持器U3的輸出VL作為儀表放大器U4的輸入，則儀表放大器的輸出為V4=VH-VL=-ΔViCxCf]]>該值與被測電容成正比關(guān)系，可以表征被測電容的大小。
圖11示出的是電容數(shù)據(jù)采集模塊的方框圖，在一個(gè)測量周期中，首先是微處理器發(fā)出通道控制信號，用于控制某一電極處于激勵(lì)狀態(tài)而其余電極處于檢測狀態(tài)，其激勵(lì)與檢測機(jī)制為選擇電極1為激勵(lì)電極，電極2～電極12為檢測電極，依次測量電極1與電極2，電極1與電極3，……，電極1與電極12之間的電容值；然后選擇電極2為激勵(lì)電極，電極3～電極12為檢測電極，依次測量電極2與電極3，電極2與電極4，……，電極2與電極12之間的電容值；以此類推，最后測量電極11與電極12之間的電容值，完成一次測量。傳感器測出的電容值經(jīng)C/V模塊(電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊)后轉(zhuǎn)換為電壓值，減掉空管時(shí)電容所對應(yīng)的電壓值(這些值在系統(tǒng)初始化的時(shí)候得到并存于微處理器中)，得到表征管道內(nèi)電容變化量的電壓增量，再經(jīng)增益可編程放大器(其增益根據(jù)不同的電極對由微處理器配置)對信號進(jìn)行放大后，送給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由微處理器經(jīng)通訊單元傳送至圖像重建和流型顯示的計(jì)算機(jī)。通過通訊單元，儀表可以采用RS-232或RS-485與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。如果采用RS-232進(jìn)行通訊，需要將儀表和計(jì)算機(jī)的串行口連接起來，此方式下的傳輸距離為15米，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為115.2KBps。如果采用RS-485進(jìn)行通訊，要求計(jì)算機(jī)配有RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器，此方式下的傳輸距離為1200米，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為921.6KBps。
基于12電極電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測量裝置的圖像重建、數(shù)據(jù)處理和顯示的計(jì)算機(jī)采用PC-104總線計(jì)算機(jī)，其處理器為奔騰MMX300MHz，內(nèi)存128MByte，主板型號為PCM3350，顯示器采用9英寸的TFT顯示屏。
權(quán)利要求1.一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測量裝置，其特征在于它依次具有陣列式電容傳感器(1)，電容數(shù)據(jù)采集單元(2)和用于圖像重建、數(shù)據(jù)處理與顯示的計(jì)算機(jī)(3)，所說的陣列式電容傳感器以兩端帶有連接法蘭(5)的絕緣管(4)作為傳感管段，傳感管段外側(cè)軸向均勻粘貼有銅箔電極(9)陣列，傳感管段外側(cè)設(shè)有固定支架(6)、屏蔽罩(7)、徑向電極(8)，在徑向電極(8)上設(shè)有電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測量裝置，其特征在于所說的傳感管段采用聚乙烯管，聚乙烯管長度為500～1000mm，公稱直徑25mm～160mm，公稱壓力1.0～2.0MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測量裝置，其特征在于所說的銅箔電極為12片，材料為銅片，電極張角為26°，電極片長度為管道內(nèi)徑的1.2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測量裝置，其特征在于所說的電容數(shù)據(jù)采集單元采用RS-232或RS-485進(jìn)行通訊。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測量裝置。它采用反投影算法重建出油氣兩相流介質(zhì)分布圖像，實(shí)時(shí)顯示管道內(nèi)流型，采用模糊模式識別進(jìn)行流型的在線自動(dòng)辨識，采用基于Tikhonov正則化原理和代數(shù)重建技術(shù)的組合型新型圖像重建算法重建出反映油氣兩相流介質(zhì)分布的圖像，并經(jīng)圖像處理獲得油氣兩相流的空隙率。該裝置依次具有陣列式電容傳感器，電容數(shù)據(jù)采集單元和用于圖像重建、數(shù)據(jù)處理與顯示的計(jì)算機(jī)。該裝置可以對油氣兩相流進(jìn)行非介入性測量，流型顯示速度50幀/秒以上，對于均相流、層狀流、波狀流和環(huán)狀流等典型流型，其辨識的準(zhǔn)確率高于95％，判別一個(gè)流型時(shí)間小于0.3秒，對于塞狀流的辨識準(zhǔn)確率高于90％，空隙率測量誤差小于5％。
文檔編號G01N27/22GK2695964SQ20032010917
公開日2005年4月27日 申請日期2003年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月21日
發(fā)明者黃志堯, 謝代梁, 冀海峰, 王保良, 李海青 申請人:浙江大學(xué)