專利名稱：一種基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于兩相流體的層析成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
兩相流動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在于石油、化工、能源動(dòng)力等現(xiàn)代工程領(lǐng)域。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，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(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控、故障診斷等均具有重要意 義。同時(shí)，在一些流體計(jì)量領(lǐng)域，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地對(duì)兩相或多相流體在流動(dòng)截面進(jìn)行成 像，是工業(yè)界許多應(yīng)用所迫切需要的技術(shù)。
過(guò)程層析成像技術(shù)以多相流為主要研究對(duì)象，可以獲得多相流體的二維/三維的時(shí)空 局部微觀分布信息，這為流動(dòng)特性復(fù)雜多變、常規(guī)方法檢測(cè)參數(shù)難度較大的多相流領(lǐng)域 提供了一條有效的在線測(cè)量和觀測(cè)途徑。其中，X射線、^射線過(guò)程層析成像是最早發(fā) 展起來(lái)的技術(shù)，它是依據(jù)射線穿透被測(cè)介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的衰減作用來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。這類技術(shù)的 圖像重建算法簡(jiǎn)單，具備較高的成像精度，但由于其放射性特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)使用防護(hù)成本
較高，目前未能普及到許多的應(yīng)用場(chǎng)合。
電學(xué)層析成像是一種通過(guò)在物體邊緣/表面進(jìn)行電/磁測(cè)量而得到物體內(nèi)部切面分布
的層析成像方法。它包含有三個(gè)主要的模態(tài)，即電阻(Electrical Resistance Tomography, ERT)、電容(Electrical Capacitance Tomography,ECT)及電磁(Electromagnetic Tomography,
EMT)層析成像。它們可用于多相流的成像與檢測(cè)，但是它們也有各自的局限。例如，ECT 無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)電物質(zhì)，而ERT無(wú)法測(cè)量導(dǎo)磁物質(zhì)。國(guó)內(nèi)外的研究人員在單獨(dú)發(fā)展這兩 項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，也嘗試將它們?nèi)诤蟻?lái)發(fā)展雙模態(tài)層析成像技術(shù)。如公開號(hào)為CN1793879 的ERT/ECT雙模態(tài)成像系統(tǒng)復(fù)合陣列傳感器，但是其電阻模態(tài)和電容模態(tài)同步激勵(lì)會(huì)產(chǎn) 生耦合現(xiàn)象，增加硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度；分時(shí)激勵(lì)又對(duì)應(yīng)分時(shí)測(cè)量，無(wú)法做到對(duì)同一流型 剖面的同步測(cè)量。雖然EMT可以應(yīng)用于能用導(dǎo)電率或?qū)Т怕时碚魑矬w特性的所有領(lǐng)域， 彌補(bǔ)了 ECT/ERT在應(yīng)用范圍上的不足。它通過(guò)在激勵(lì)線圈內(nèi)通入交變電流產(chǎn)生激勵(lì)磁 場(chǎng)，檢測(cè)線圈獲得物場(chǎng)在邊界上的信息，由此重建物場(chǎng)空間導(dǎo)電率或?qū)Т怕实姆植肌５?它有和ECT和ERT共有的缺點(diǎn)。這三種技術(shù)都具有極強(qiáng)的非線性、病態(tài)性和軟場(chǎng)特性， 這使圖像重建過(guò)程變得復(fù)雜，即使采用實(shí)時(shí)性很差的復(fù)雜的迭代算法，圖像的空間分辨 率也較低。這些特點(diǎn)限制了電學(xué)層析成像技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。
申請(qǐng)?zhí)枮?00610074260.9的兩相流體網(wǎng)絲電容層析成像方法采用介入式方法對(duì)兩 相流進(jìn)行測(cè)量，但是它基于電容原理，無(wú)法對(duì)導(dǎo)電和導(dǎo)磁流體進(jìn)行測(cè)量。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上提到現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的是提供一種新型的介入式 絲網(wǎng)電感成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電，或?qū)Т诺膬上嗔黧w或粉體進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速的成像方法。
考慮到兩相流系統(tǒng)的多變性、快速性以及各相在空間分布的復(fù)雜性，成像的速度和 精度是需要著重解決的問(wèn)題。本發(fā)明所提供的絲網(wǎng)電感層析成像方法就是上述問(wèn)題的一 種技術(shù)解決方案。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像系統(tǒng)，用于測(cè)量至少有一相導(dǎo)電或?qū)Т诺膬上嗔黧w， 包括安裝在垂直于管道軸向上的絲網(wǎng)電感成像傳感器、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)測(cè)量單 元、模擬選通開關(guān)、上位成像計(jì)算機(jī)；所述的絲網(wǎng)傳感器由相互垂直、并在軸向方向靠 近的第一和第二組絕緣導(dǎo)體組成，每組絕緣導(dǎo)體的各條絕緣導(dǎo)體之間相互平行，對(duì)于第 一組絕緣導(dǎo)體，由上位成像計(jì)算機(jī)利用模擬選通開關(guān)依次選通一對(duì)相鄰的絕緣導(dǎo)體，該 對(duì)相鄰的絕緣導(dǎo)體， 一端相通，另一端分別接到激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元的輸出端上，形成激 勵(lì)通路，對(duì)于第二組絕緣導(dǎo)體，由上位成像計(jì)算機(jī)利用模擬選通開關(guān)依次選通一對(duì)相鄰 的絕緣導(dǎo)體，該對(duì)相鄰的絕緣導(dǎo)體， 一端相通，另一端分別接到信號(hào)測(cè)量單元的輸入端
上，形成測(cè)量通路;被同時(shí)選通的激勵(lì)通路和測(cè)量通路圍成一個(gè)空間交叉區(qū)域，定義- = ^
為該空間交叉區(qū)域的磁通，其中，C/為感應(yīng)電壓，/為激勵(lì)電流，由上位成像計(jì)算機(jī)根 據(jù)加載在激勵(lì)通路上的激勵(lì)信號(hào)和從測(cè)量通路上接收的感應(yīng)信號(hào)計(jì)算相應(yīng)空間交叉區(qū)域 的磁通，得到各個(gè)空間交叉區(qū)域的磁通，從而獲取待測(cè)導(dǎo)電或?qū)Т艃上嗔黧w的實(shí)時(shí)圖像。
本發(fā)明的基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像系統(tǒng)，第一組和第二組絕緣導(dǎo)體可以分別由3-200 條絕緣導(dǎo)體構(gòu)成；絕緣導(dǎo)體可以為單根導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑可以在0.1mm-10mm之間。
本發(fā)明同時(shí)提供一種利用上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的電磁傳感成像方法，包括下列步驟
(1) 選通一個(gè)通路作為激勵(lì)通路，以其它與之垂直的通路為測(cè)量通路，對(duì)激勵(lì)通 路施加激勵(lì)信號(hào)；
(2) 對(duì)垂直通路上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到測(cè)量數(shù)據(jù)；
(3) 選通下一個(gè)激勵(lì)通路，對(duì)垂直通路上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；直至所有的 通路組合完成；
(4) 通過(guò)計(jì)算各個(gè)空間交叉區(qū)域的磁通，從而獲取待測(cè)導(dǎo)電或?qū)Т艃上嗔黧w的實(shí) 時(shí)圖像。
本發(fā)明的測(cè)量方法，所采用的像素?cái)?shù)N可以在4-39601 (即199*199)之間，每個(gè)像 素對(duì)應(yīng)一個(gè)由激勵(lì)和測(cè)量通路圍成的空間交叉區(qū)域。
與現(xiàn)有的其他層析成像方法相比，本發(fā)明采用了介入式的絲網(wǎng)傳感器，將管道的橫截面轉(zhuǎn)化為絲網(wǎng)中空間交叉處的集合，避開了復(fù)雜的圖像重建算法，極大的提高了獲取 實(shí)時(shí)圖像的效率。同時(shí)在測(cè)量原理上僅要求一相具有導(dǎo)電或?qū)Т判?，具備很好的通用性?另一方面，本發(fā)明原理是以磁通回路為感應(yīng)單元，具體形狀可以視實(shí)際情況改變，能夠 適應(yīng)特殊流通截面的要求。
本發(fā)明所得到的實(shí)時(shí)圖像能實(shí)現(xiàn)兩相流的流型識(shí)別，以及獲取各相成分在管道橫截 面上的濃度分布，同一管道像素點(diǎn)的數(shù)目越多，實(shí)時(shí)圖像所能提供的信息越詳細(xì)；還可 以在管道內(nèi)布置兩個(gè)或兩個(gè)以上的絲網(wǎng)傳感器，通過(guò)上下游的檢測(cè)，可以進(jìn)一步獲取兩 相流體的各相流量、速度和運(yùn)動(dòng)軌跡的信息。
圖1是本發(fā)明的基于絲網(wǎng)的電磁傳感系統(tǒng)裝置原理圖； 圖2是8導(dǎo)線9像素的絲網(wǎng)電磁傳感器示意圖3磁通回路選通示意圖。圖中，9模擬選通開關(guān)；10激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元；11信 號(hào)測(cè)量單元
具體實(shí)施方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像系統(tǒng)和成像方法，適于用于測(cè)量至少有一 相導(dǎo)電或?qū)Т诺膬上嗔黧w，例如水/油兩相流，其中水導(dǎo)電，油不導(dǎo)電。尤其是近海油 田開發(fā)中的水/油兩相流中的水導(dǎo)電性更強(qiáng)，導(dǎo)電物體中會(huì)產(chǎn)生渦流，會(huì)使磁通變化。 磁性流體的例子有微小的磁粒子(直徑為10納米)懸浮在在溶液中形成磁性流體，這 在納米科學(xué)中有重要應(yīng)用。導(dǎo)磁流體也會(huì)使磁通變化。
圖1是按照本發(fā)明實(shí)施的一種基于絲網(wǎng)的電磁傳感系統(tǒng)裝置原理圖。它由絲網(wǎng)式傳 感器、數(shù)據(jù)采集和上位成像計(jì)算機(jī)三個(gè)主要部分構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集部分包括了激勵(lì)信 號(hào)發(fā)生、模擬選通開關(guān)以及信號(hào)測(cè)量幾個(gè)單元。激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元可采用直接數(shù)字合成
(DDS)芯片AD7008，該芯片可以產(chǎn)生不同幅度和相位的正弦激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)的幅 度和相位可由計(jì)算機(jī)設(shè)置，通過(guò)功率放大器放大后加裝在由模擬選通開關(guān)選通的激勵(lì)線 圈上。
使用時(shí)，絲網(wǎng)傳感器垂直于管道軸線布置，計(jì)算機(jī)控制測(cè)量單元對(duì)測(cè)量通路上的感 應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中的順序由模擬選通開關(guān)控制。對(duì)本發(fā)明的層析成像而言，若 激勵(lì)通路的個(gè)數(shù)為N，測(cè)量通路的個(gè)數(shù)為M，那么成像的像素為M*N。
.模擬選通開關(guān)將功率放大器輸出的信號(hào)分配到需要的激勵(lì)線圈上，模擬選通開關(guān)的 電流承受值應(yīng)為10mA至1A之間。模擬選通開關(guān)可以采用MAXIUM公司的大電流開 關(guān)芯片(如MAX4656)。
絲網(wǎng)式電磁傳感器的形式如圖2所示，以8導(dǎo)線為例。將導(dǎo)線l, 2—端電相連，另 一端施加激勵(lì)構(gòu)成激勵(lì)通路；與它垂直的導(dǎo)線5和6、 6和7、 7和8則分別構(gòu)成測(cè)量通路。對(duì)各個(gè)測(cè)量通路上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用公式- = , (t/為感應(yīng)電壓，/為
激勵(lì)電流，-為磁通)可以分別得到空間交叉區(qū)域①、②、③的磁通。將導(dǎo)線2， 3 — 端電相連，另一端施加激勵(lì)構(gòu)成激勵(lì)通路；與它垂直的導(dǎo)線5和6、 6和7、 7和8則分 別構(gòu)成測(cè)量通路。同理分別得到空間交叉區(qū)域④、⑤、⑥的磁通。同理，將導(dǎo)線3， 4， 一端電相連，另一端施加激勵(lì)構(gòu)成激勵(lì)通路，與它垂直的導(dǎo)線5和6、 6和7、 7和8則
分別構(gòu)成測(cè)量通路?？梢缘玫娇臻g交叉區(qū)域⑦、⑧、⑨的磁通。磁通回路選通示意圖 如圖3。在圖3中，激勵(lì)信號(hào)10通過(guò)模擬選通開關(guān)9加載到其中兩個(gè)相鄰的導(dǎo)線上，這 兩個(gè)導(dǎo)線的另一端通過(guò)模擬選通開關(guān)9電相連，形成激勵(lì)通路，信號(hào)測(cè)量單元ll的輸出 端通過(guò)模擬選通開關(guān)連接到與激勵(lì)通路垂直的兩條導(dǎo)線上，這兩條導(dǎo)線的另一端通過(guò)模 擬選通開關(guān)電相連，形成測(cè)量通路。
通過(guò)圖2可以清楚看到，8條導(dǎo)線在管道橫截面上均勻形成了 9個(gè)空間交叉區(qū)域。因 此，通過(guò)獲取這些空間交叉區(qū)域的磁通，可以不需通過(guò)復(fù)雜的重建算法得到導(dǎo)電或?qū)Т?流體和粉體的空間分布，從而直接獲取兩相流體的實(shí)時(shí)圖像。在磁通回路足夠多的情況 下，實(shí)時(shí)圖像可以達(dá)到很高的分辨率。
本實(shí)施例采用單根絕緣導(dǎo)線構(gòu)成絲網(wǎng)，繞線的直徑為0.1mm-10mm，。 本發(fā)明的絲網(wǎng)式電磁傳感器，由上位成像計(jì)算機(jī)依次選通一對(duì)相鄰的絕緣導(dǎo)線形成 激勵(lì)環(huán)路，并施加激勵(lì)信號(hào)；以其他與激勵(lì)環(huán)路相垂直的環(huán)路作為接收環(huán)路，并控制感 應(yīng)信號(hào)采集單元采集各個(gè)接收環(huán)路上的感應(yīng)信號(hào)。因?yàn)榛ハ啻怪钡膬蓚€(gè)回路形成的空間 交叉區(qū)域的磁通受此處物質(zhì)的導(dǎo)電率和導(dǎo)磁率的影響，所以通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)回路空間交叉 處的磁通，就可以不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的重建算法，得到導(dǎo)電或?qū)Т帕黧w和粉體的空間分布。 本發(fā)明的絲網(wǎng)電感層析成像裝置，每個(gè)傳感器可以由6-400條絕緣導(dǎo)線組成；導(dǎo)線的直 徑為O.lmm-lOmm。
測(cè)量方法具體包括以下步驟
(1) 選通一個(gè)通路作為激勵(lì)通路，以其他與之垂直的通路為測(cè)量通路，對(duì)激勵(lì)通 路施加激勵(lì)信號(hào)；
(2) 對(duì)垂直通路上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到測(cè)量數(shù)據(jù)。
(3) 選通下一個(gè)激勵(lì)通路，對(duì)垂直通路上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；直至所有的 通路組合完成；
(4) 通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)回路的空間交叉區(qū)域的磁通(感應(yīng)電壓除以激勵(lì)電流)，將空 間交叉區(qū)域的磁通值表示為二維圖像的灰度值，從而直接得到兩相流體的實(shí) 時(shí)圖像。
權(quán)利要求
1.一種基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像系統(tǒng)，用于測(cè)量至少有一相導(dǎo)電或?qū)Т诺膬上嗔黧w，包括安裝在垂直于管道軸向上的絲網(wǎng)電感成像傳感器、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)測(cè)量單元、模擬選通開關(guān)、上位成像計(jì)算機(jī)；所述的絲網(wǎng)傳感器由相互垂直、并在軸向方向靠近的第一和第二組絕緣導(dǎo)體組成，每組絕緣導(dǎo)體的各條絕緣導(dǎo)體之間相互平行，對(duì)于第一組絕緣導(dǎo)體，由上位成像計(jì)算機(jī)利用模擬選通開關(guān)依次選通一對(duì)相鄰的絕緣導(dǎo)體，該對(duì)相鄰的絕緣導(dǎo)體，一端相通，另一端分別接到激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元的輸出端上，形成激勵(lì)通路，對(duì)于第二組絕緣導(dǎo)體，由上位成像計(jì)算機(jī)利用模擬選通開關(guān)依次選通一對(duì)相鄰的絕緣導(dǎo)體，該對(duì)相鄰的絕緣導(dǎo)體，一端相通，另一端分別接到信號(hào)測(cè)量單元的輸入端上，形成測(cè)量通路；被同時(shí)選通的激勵(lì)通路和測(cè)量通路圍成一個(gè)空間交叉區(qū)域，定義<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>φ</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>U</mi> <mi>I</mi></mfrac> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100695640002C1.tif" wi="10" he="9" top= "91" left = "52" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>為該空間交叉區(qū)域的磁通，其中，U為感應(yīng)電壓，I為激勵(lì)電流，由上位成像計(jì)算機(jī)根據(jù)加載在激勵(lì)通路上的激勵(lì)信號(hào)和從測(cè)量通路上接收的感應(yīng)信號(hào)計(jì)算相應(yīng)空間交叉區(qū)域的磁通，得到各個(gè)空間交叉區(qū)域的磁通，將空間交叉區(qū)域的磁通值表示為二維圖像的灰度值，從而得到待測(cè)導(dǎo)電或?qū)Т艃上嗔黧w的實(shí)時(shí)圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一組和 第二組絕緣導(dǎo)體分別由3-200條絕緣導(dǎo)體構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的絕緣導(dǎo)體 為單根導(dǎo)線，導(dǎo)線的直徑為O.lmm-lOmm。
4. 一種采用權(quán)利要求1所述的基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像方法，其特征在于，包括下列步 驟(1) 選通一個(gè)通路作為激勵(lì)通路，以其它與之垂直的通路為測(cè)量通路，對(duì)激勵(lì) 通路施加激勵(lì)信號(hào)；(2) 對(duì)垂直通路上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到測(cè)量數(shù)據(jù)；(3) 選通下一個(gè)激勵(lì)通路，對(duì)垂直通路上的感應(yīng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；直至所有的 通路組合完成；(4) 通過(guò)計(jì)算各個(gè)空間交叉區(qū)域的磁通，從而獲取待測(cè)導(dǎo)電或?qū)Т艃上嗔黧w的實(shí) 時(shí)圖像。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像系統(tǒng)，其特征在于，實(shí)時(shí)圖像所采 用的像素?cái)?shù)N在4-39601之間，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)由激勵(lì)和測(cè)量通路圍成的空間交 叉區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明屬于流體層析成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于絲網(wǎng)的電磁傳感成像系統(tǒng)，用于測(cè)量至少有一相導(dǎo)電或?qū)Т诺膬上嗔黧w，包括安裝在垂直于管道軸向上的絲網(wǎng)電感成像傳感器、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)測(cè)量單元、模擬選通開關(guān)、上位成像計(jì)算機(jī)。絲網(wǎng)傳感器由相互垂直、并在軸向方向靠近的第一和第二組絕緣導(dǎo)體組成，每組絕緣導(dǎo)體的各條絕緣導(dǎo)體之間相互平行。本發(fā)明同時(shí)提供一種采用上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成像方法。本發(fā)明的成像系統(tǒng)和方法，可以不需通過(guò)復(fù)雜的重建算法，而得到導(dǎo)電或?qū)Т帕黧w和粉體的空間分布。
文檔編號(hào)G01N27/74GK101609066SQ20091006956
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者劍 姜, 尹武良 申請(qǐng)人:天津大學(xué)