專利名稱：非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉 及檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography，簡(jiǎn)稱ERT)技術(shù)是目前兩相流過程層析成像(Process Tomography，簡(jiǎn)稱PT)技術(shù)的一個(gè)重要分支。該技術(shù)的原理是通過獲取管道截面上介質(zhì)的電導(dǎo)率分布信息來重建介質(zhì)分布的圖像。與射線PT、光學(xué)PT等 PT技術(shù)相比，該技術(shù)由于具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性好以及易操作等特點(diǎn)，受到了研究者的廣泛關(guān)注和重視，成為了過程層析成像技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。然而，目前的ERT技術(shù)是一種接觸式測(cè)量方法，其電極與被測(cè)流體直接接觸，存在電極極化效應(yīng)、電化學(xué)腐蝕等問題，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性和圖像的質(zhì)量，并且縮短了電極的使用壽命。而且該方法需要在管道上鑿孔安裝電極，破壞了管道的結(jié)構(gòu)，降低了管道的強(qiáng)度，同時(shí)也影響被測(cè)流體的流動(dòng)狀態(tài)。這些缺點(diǎn)限制了 ERT在實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是存在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等腐蝕性液體的工業(yè)生產(chǎn)過程。電容華禹合__接角蟲電導(dǎo)檢IlJ (Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection，簡(jiǎn)寫為C4D)方法是由Zemann等和Fracassi da Silva等在1998年分別獨(dú)立提出的。這種方法已在分析化學(xué)領(lǐng)域的毛細(xì)管電泳中得到了較成功的應(yīng)用。而在工業(yè)過程生產(chǎn)領(lǐng)域，利用C4D技術(shù)進(jìn)行兩相流過程層析成像未見使用。本發(fā)明針對(duì)當(dāng)前電阻層析成像的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一種基于電容耦合原理進(jìn)行電阻層析成像的測(cè)量系統(tǒng)，克服現(xiàn)有ERT存在的電極極化、腐蝕等問題，提高測(cè)量準(zhǔn)確性和圖
像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可避免電極極化、電極腐蝕的非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置及方法。非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置由電阻傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)組成，電阻傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊連接，數(shù)據(jù)采集模塊與計(jì)算機(jī)連接；電阻傳感器包括絕緣管道、矩形的金屬電極和激勵(lì)/檢測(cè)模塊，金屬電極等間距地安裝在絕緣管道的外壁，每個(gè)金屬電極上都固定有各自的激勵(lì)/檢測(cè)模塊，所有激勵(lì)/檢測(cè)模塊通過排線與數(shù)據(jù)采集模塊連接。所述的激勵(lì)/檢測(cè)模塊包括石英晶體、第一開關(guān)、交流激勵(lì)源、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、整流濾波電路、第二開關(guān)、控制總線和數(shù)據(jù)總線；石英晶體與第一開關(guān)的第一端口連接， 第一開關(guān)的第二端口與交流激勵(lì)源連接，第一開關(guān)的第三端口與電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與整流濾波電路的輸入端連接，整流濾波電路的輸出端與第二開關(guān)的第一端口連接，第二開關(guān)的第二端口與數(shù)據(jù)總線連接，第一開關(guān)的控制端口和第二開關(guān)的控制端口分別與控制總線連接；控制總線上的控制信號(hào)控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)激勵(lì)/檢測(cè)模塊作為激勵(lì)時(shí)，信號(hào)通過第一開關(guān)從交流激勵(lì)源流入石英晶體；當(dāng)激勵(lì)/檢測(cè)模塊作為檢測(cè)時(shí)，信號(hào)通過第一開關(guān)從石英晶體流入電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端，再經(jīng)過整流濾波電路和第二開關(guān)從電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端流入數(shù)據(jù)總線。所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括譯碼器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和通信模塊，單片機(jī)分別與譯碼器的輸入端、A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端、A/D轉(zhuǎn)換電路的控制端和通訊模塊連接，譯碼器的輸出端與控制總線連接，A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端與數(shù)據(jù)總線連接。非接觸式電阻層析成像測(cè)量方法包括利用絕緣管道外壁上安裝的金屬電極與絕緣管道內(nèi)流體形成的耦合電容，將激勵(lì)/檢測(cè)模塊的激勵(lì)端產(chǎn)生的交流信號(hào)耦合到絕緣管道內(nèi)，交流信號(hào)流經(jīng)絕緣管道后，再通過耦合電容將交流信號(hào)傳送到激勵(lì)/檢測(cè)模塊的檢測(cè)端；設(shè)置激勵(lì)/檢測(cè)模塊的激勵(lì)端產(chǎn)生的交流信號(hào)的頻率等于測(cè)量裝置等效電路的諧振頻率，測(cè)量激勵(lì)/檢測(cè)模塊的檢測(cè)端上的交流信號(hào)，得到被測(cè)流體的阻抗，利用各電極對(duì)之間的阻抗重建絕緣管道截面上被測(cè)流體分布的圖像。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有有益效果
1)測(cè)量方法為非接觸測(cè)量，有效克服了接觸式ERT存在的電極極化、腐蝕等問題。 2)電極安裝方便，無需在管道上打孔，不破壞管道結(jié)構(gòu)，實(shí)施簡(jiǎn)單。3)非侵入，不影響管道內(nèi)被測(cè)流體的流動(dòng)狀態(tài)。


圖1是非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的激勵(lì)/檢測(cè)模塊方框圖3是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集模塊方框圖； 圖4是本發(fā)明的電阻傳感器沿管截面方向的剖面圖； 圖5是本發(fā)明的電阻傳感器的金屬電極分布圖； 圖6是本發(fā)明的電極對(duì)之間的等效電路圖； 圖中絕緣管道1、金屬電極2、激勵(lì)/檢測(cè)模塊3、數(shù)據(jù)采集模塊4、計(jì)算機(jī)5。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置，它由電阻傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊4 和計(jì)算機(jī)5組成，電阻傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊4連接，數(shù)據(jù)采集模塊4與計(jì)算機(jī)5連接；電阻傳感器包括絕緣管道1、矩形的金屬電極2和激勵(lì)/檢測(cè)模塊3，金屬電極2等間距地安裝在絕緣管道1的外壁，每個(gè)金屬電極2上都固定有各自的激勵(lì)/檢測(cè)模塊3，所有激勵(lì)/ 檢測(cè)模塊3通過排線與數(shù)據(jù)采集模塊4連接。如圖2所示，激勵(lì)/檢測(cè)模塊3包括石英晶體、第一開關(guān)、交流激勵(lì)源、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、整流濾波電路、第二開關(guān)、控制總線和數(shù)據(jù)總線；石英晶體與第一開關(guān)的第一端口連接，第一開關(guān)的第二端口與交流激勵(lì)源連接，第一開關(guān)的第三端口與電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與整流濾波電路的輸入端連接，整流濾波電路的輸出端與第二開關(guān)的第一端口連接，第二開關(guān)的第二端口與數(shù)據(jù)總線連接，第一開關(guān)的控制端口和第二開關(guān)的控制端口分別與控制總線連接；控制總線上的控制信號(hào)控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)激勵(lì)/檢測(cè)模塊3作為激勵(lì)時(shí)，信號(hào)通過第一開關(guān)從交流激勵(lì)源流入石英晶體；當(dāng)激勵(lì)/檢測(cè)模塊3作為檢測(cè)時(shí)，信號(hào)通過第一開關(guān)從石英晶體流入電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端，再經(jīng)過整流濾波電路和第二開關(guān)從電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端流入數(shù)據(jù)總線。如圖3所示，數(shù)據(jù)采集模塊包括譯碼器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和通信模塊，單片機(jī)分別與譯碼器的輸入端、A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端、A/D轉(zhuǎn)換電路的控制端和通訊模塊連接， 譯碼器的輸出端與控制總線連接，A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端與數(shù)據(jù)總線連接。非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置的工作流程為單片機(jī)發(fā)送控制命令至譯碼器， 譯碼器對(duì)控制命令進(jìn)行譯碼，并把命令傳送到控制總線上?？刂瓶偩€上的控制信號(hào)控制第一開關(guān)的狀態(tài)，使得其中一個(gè)激勵(lì)/檢測(cè)模塊上的第一開關(guān)的一端口與二端口導(dǎo)通，另一個(gè)激勵(lì)/檢測(cè)模塊上的第一開關(guān)的一端口與三端口導(dǎo)通，其余的激勵(lì)/檢測(cè)模塊上的第一開關(guān)斷開，則這兩個(gè)電極構(gòu)成的電極對(duì)形成一個(gè)交流通路，交流激勵(lì)源產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)從一個(gè)電極流入，流過管道內(nèi)的被測(cè)流體后從另一個(gè)電極上流出。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路將從電極上流出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該信號(hào)由整流濾波電路進(jìn)行整流濾波。控制總線上的控制信號(hào)控制第二開關(guān)的狀態(tài)，使第二開關(guān)導(dǎo)通，將整流濾波后的信號(hào)傳送至A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并通過通訊模塊送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)則依據(jù)一定的圖像重建算法完成圖像的重建。如圖4、圖5所示，電阻傳感器的12個(gè)電極環(huán)繞管道一周，等間距地安裝在管道外壁上，絕緣管道1采用聚氯乙烯材料，公稱直徑110mm，管壁厚度2mm，金屬電極2為銅片電極，張角為25°，尺寸為25mmX150mm。如圖6所示，測(cè)量裝置的任意兩個(gè)電極對(duì)之間的等效電路為第一電感、的一端與第一電阻巧的一端連接，第一電阻巧的另一端與第一電容G的一端連接，第一電容G的另一端與被測(cè)流體等效電阻W的一端連接，被測(cè)流體等效電阻W的另一端與第二電容G的一端連接，第二電容G的另一端與第二電阻A的一端連接，第二電阻&的另一端與第二電感4的一端連接。其中，&、巧分別為激勵(lì)信號(hào)入口處石英晶體的等效電感和等效電阻，4、 A分別為激勵(lì)信號(hào)出口處石英晶體的等效電感和等效電阻，G、G分別為激勵(lì)信號(hào)入口處和出口處金屬電極與被測(cè)流體形成的耦合電容。交流激勵(lì)源輸出的激勵(lì)信號(hào)+的頻率為測(cè)量裝置等效電路的諧振頻率，電路中的感抗與容抗相抵消，電極對(duì)之間的等效電路呈現(xiàn)純阻性，總阻抗為被測(cè)流體的等效電阻和石英晶體的等效電阻之和，通過測(cè)量流過電極對(duì)的電流，可以得到電極對(duì)之間被測(cè)流體的等效電阻。利用各電極對(duì)之間的等效電阻值，可獲得管道截面上被測(cè)流體分布的圖像。非接觸式電阻層析成像測(cè)量方法包括利用絕緣管道1外壁上安裝的金屬電極2 與絕緣管道1內(nèi)流體形成的耦合電容，將激勵(lì)/檢測(cè)模塊3的激勵(lì)端產(chǎn)生的交流信號(hào)耦合到絕緣管道1內(nèi)，交流信號(hào)流經(jīng)絕緣管道1后，再通過耦合電容將交流信號(hào)傳送到激勵(lì)/檢測(cè)模塊3的檢測(cè)端；設(shè)置激勵(lì)/檢測(cè)模塊3的激勵(lì)端產(chǎn)生的交流信號(hào)的頻率等于測(cè)量裝置等效電路的諧振頻率，測(cè)量激勵(lì)/檢測(cè)模塊3的檢測(cè)端上的交流信號(hào)，得到被測(cè)流體的阻抗，利用各電極對(duì)之間的阻抗重建絕緣管道1截面上被測(cè)流體分布的圖像。
權(quán)利要求
1.一種非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置，其特征在于它由電阻傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊(4)和計(jì)算機(jī)(5)組成，電阻傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊(4)連接，數(shù)據(jù)采集模塊(4)與計(jì)算機(jī)(5)連接；電阻傳感器包括絕緣管道(1)、矩形的金屬電極(2)和激勵(lì)/檢測(cè)模塊(3)，金屬電極(2)等間距地安裝在絕緣管道(1)的外壁，每個(gè)金屬電極(2)上都固定有各自的激勵(lì)/ 檢測(cè)模塊(3)，所有激勵(lì)/檢測(cè)模塊(3)通過排線與數(shù)據(jù)采集模塊(4)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置，其特征在于所述的激勵(lì)/檢測(cè)模塊(3)包括石英晶體、第一開關(guān)、交流激勵(lì)源、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、整流濾波電路、第二開關(guān)、控制總線和數(shù)據(jù)總線；石英晶體與第一開關(guān)的第一端口連接，第一開關(guān)的第二端口與交流激勵(lì)源連接，第一開關(guān)的第三端口與電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與整流濾波電路的輸入端連接，整流濾波電路的輸出端與第二開關(guān)的第一端口連接，第二開關(guān)的第二端口與數(shù)據(jù)總線連接，第一開關(guān)的控制端口和第二開關(guān)的控制端口分別與控制總線連接；控制總線上的控制信號(hào)控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)激勵(lì)/檢測(cè)模塊(3)作為激勵(lì)時(shí)，信號(hào)通過第一開關(guān)從交流激勵(lì)源流入石英晶體；當(dāng)激勵(lì)/檢測(cè)模塊(3)作為檢測(cè)時(shí)，信號(hào)通過第一開關(guān)從石英晶體流入電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端，再經(jīng)過整流濾波電路和第二開關(guān)從電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端流入數(shù)據(jù)總線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括譯碼器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和通信模塊，單片機(jī)分別與譯碼器的輸入端、 A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端、A/D轉(zhuǎn)換電路的控制端和通訊模塊連接，譯碼器的輸出端與控制總線連接，A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端與數(shù)據(jù)總線連接。
4.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的非接觸式電阻層析成像測(cè)量方法，其特征在于 利用絕緣管道(1)外壁上安裝的金屬電極(2)與絕緣管道(1)內(nèi)流體形成的耦合電容，將激勵(lì)/檢測(cè)模塊(3)的激勵(lì)端產(chǎn)生的交流信號(hào)耦合到絕緣管道(1)內(nèi)，交流信號(hào)流經(jīng)絕緣管道(1)后，再通過耦合電容將交流信號(hào)傳送到激勵(lì)/檢測(cè)模塊(3)的檢測(cè)端；設(shè)置激勵(lì)/檢測(cè)模塊(3)的激勵(lì)端產(chǎn)生的交流信號(hào)的頻率等于測(cè)量裝置等效電路的諧振頻率，測(cè)量激勵(lì) /檢測(cè)模塊(3)的檢測(cè)端上的交流信號(hào)，得到被測(cè)流體的阻抗，利用各電極對(duì)之間的阻抗重建絕緣管道(1)截面上被測(cè)流體分布的圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非接觸式電阻層析成像測(cè)量裝置及方法。它由電阻傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)組成，電阻傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊連接，數(shù)據(jù)采集模塊與計(jì)算機(jī)連接。電阻傳感器包括絕緣管道、矩形的金屬電極和激勵(lì)/檢測(cè)模塊，金屬電極等間距地安裝在絕緣管道的外壁，每個(gè)金屬電極上都固定有各自的激勵(lì)/檢測(cè)模塊，所有激勵(lì)/檢測(cè)模塊通過排線與數(shù)據(jù)采集模塊連接。本發(fā)明有效克服了接觸式ERT存在的電極極化、腐蝕等問題，同時(shí)具有安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非侵入、對(duì)管道內(nèi)流體流動(dòng)無影響等優(yōu)點(diǎn)，為兩相流體的非接觸電阻層析成像提供了有益借鑒。
文檔編號(hào)G01N27/08GK102183550SQ20111004981
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者傅三富, 冀海峰, 李海青, 王保良, 黃志堯 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)