一种非接触式电阻抗层析成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种非接触式电阻抗层析成像装置及方法，包括绝缘测量管道、非接触阵列式电阻抗传感器、激励与检测单元、信号处理与数据采集单元以及图像重建计算机。其中，非接触阵列式电阻抗传感器中的每个金属电极有和相应的激励与检测单元通过导线相连接，激励与检测单元和信号处理与数据采集单元通过柔性排线连接，信号处理与数据采集单元和图像重建计算机通过通用串行总线(USB)连接。本发明专利技术可有效克服接触式测量带来的电化学腐蚀和电极极化等缺点，系统的测量性能得到提高。同时，本发明专利技术还可获取管道内气液两相流体的完整电阻抗(电阻抗实部、虚部和幅值)信息来进行图像重建，结合信息融合和数据挖掘技术，可有效提高图像重建质量。

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式电阻抗层析成像装置及方法
本专利技术涉及两相流流体检测技术，尤其涉及一种非接触式电阻抗成像装置及方法。
技术介绍
气液两相流在石化、能源、动力、航空航天、环保和军工等众多工业领域中有着十分广泛和重要的应用。动态监测其流动过程对于气液两相流的机理研究以及相应工业应用系统的可靠运行、节能增效、质量控制和自动化水平提高等均具有重要意义。电阻层析成像(ElectricalResistanceTomography,ERT)是一种重要的电学过程成像技术。该技术基于电阻/电导传感机理，可非侵入性地获取导电气液两相流介质二维/三维空间分布信息，并具有安全、实时性能佳和成本低等优点。经过多年的发展，目前ERT已成为工业过程层析成像领域中的主流技术之一，并已展示出它在解决两相/多相流系统监测和参数测量方面的巨大潜力。遗憾的是，由于技术发展水平的限制，现有的各种ERT系统的性能还未能满足气液两相流领域日益增长的测量需求，仍有不少工程和科学问题需要进一步研究和探索。目前大多数ERT系统是基于接触式电导测量，相应阵列式传感器的各个测量电极是穿过绝缘管道与管道内被测气液两相流体直接接触的，易发生电极极化效应和电化学腐蚀等问题，在环境恶劣的应用场合常常出现由于电极粘污从而影响测量性能的情况。因此，有必要寻求一种非接触式测量方式以解决这一工程实际问题。针对ERT技术的现状，已有专利(非接触式电阻层析成像数据采集装置及方法，专利公开号：CN102323302A)提出了一种非接触式电阻层析成像数据采集装置及方法。该专利结合电容耦合式非接触电导检测技术，并利用模拟相敏解调技术，实现了ERT技术的非触式测量。其测量电极安装在管道外壁，不与被测流体直接接触，因此有效地克服了电极极化和电化学腐蚀等问题。然而，作为一种新技术，这种非接触式电阻层析成像技术的成像效果和测量性能还不尽人意，仍有待提高。一方面，两个耦合电容的存在虽然使非接触测量成为了可能，但是从电阻测量角度来看，其容抗是背景信号，限制了电导/电阻测量的灵敏度，降低了系统的信噪比。另一方面，现有各种ERT(包括非接触式电阻层析成像技术)的测量基点均是基于电导测量，即仅利用被测流体电阻抗信号中的实部信号或简单地将电阻抗幅值信号视为反映气液两相流等效电导的信息并进行分析和处理，而对于气液两相流电阻抗信号中的虚部信号(电抗信号)未给予足够重视和充分利用。气液两相流为一种混合流体，其完整的电阻抗信号包括幅值信号、实部信号(一般对应于气液两相流等效电导/电阻信号)和虚部信号电抗(对于气液两相流而言主要为容抗，已有研究表明它与气液两相流的气相/气泡含率及其分布密切相关，也包含了反映气液两相流流动特性的丰富信息)。现有ERT系统忽视气液两相流电阻抗虚部信息，不可避免地将导致气液两相流流动特征信息提取的不完备性，相应的成像效果和参数测量性能受到制约。本专利技术针对当前电阻层析成像的发展现状，提出了一种非接触式电阻抗层析成像装置及方法。通过采用阻抗相消技术、模拟电感技术和数字相敏解调技术，克服耦合电容对测量带来的影响，并获取被测流体(气液两相流)完整的电阻抗信息(实部、虚部和幅值)。相比于过去的电阻层析成像系统，新系统的测量性能和信噪比得到了提升，同时利用被测流体完整的电阻抗信息进行图像重建，提高系统的成像效果和参数测量性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种新型的非接触式电阻抗层析成像装置和方法。具体技术方案如下：非接触式电阻抗层析成像装置包括绝缘测量管道、非接触阵列式电阻抗传感器、激励与检测单元、信号处理与数据采集单元和图像重建计算机。N块金属电极安装在绝缘测量管道外壁上，构成非接触阵列式电阻抗传感器，每一块金属电极通过金属导线与相应的激励与检测单元相连接，N组激励与检测单元和信号处理与数据采集单元通过柔性排线相连接，信号处理与数据采集单元通过USB数据线和图像重建计算机相连接。进一步的，所述的激励与检测单元的结构包括模拟电感模块、电流-电压(I/V)转换模块、高速电子开关和通用阵列逻辑(GAL)。其连接关系为：电子开关S2的一端与信号处理与数据采集单元相连接，用于接收激励信号，另一端与电子开关S0和S1的一端分别相连接。电子开关S0的另一端接地，电子开关S1的另一端与电极和电子开关S3的一端分别相连接，电子开关S3的另一端与模拟电感模块的输入端相连接。模拟电感的输出端与I/V转换器的输入端相连接，I/V转换器的输出端与电子开关S4的一端相连接，电子开关S4的另一端与信号处理与数据采集单元相连接，用于传递检测信号。电子开关S0/S1/S2/S3和S4均收到由通用阵列逻辑(GAL)设计的译码器控制。进一步的，当所述高速电子开关的开关S1和开关S2闭合，其他开关打开时，激励与检测单元(3)工作在激励模式，此时，激励与检测单元(3)所连接的电极为激励电极；当所述高速电子开关的开关S0、S3和S4闭合，其他开关打开时，激励与检测单元(3)工作在检测模式，此时，激励与检测单元(3)所连接的电极为检测电极；当所述高速电子开关的开关S0闭合，其他开关打开时，激励与检测单元(3)工作在空闲模式，此时，激励与检测单元(3)所连接的电极既不是激励电极，也不是检测电极。进一步的，所述的激励与检测单元中，所包含的模拟电感模块的结构为：第一运算放大器的正相输入端为虚拟电感模块的输入端，检测电极、第三电阻的一端与第一运算放大器的正相输入端相连，第一电阻、第一电容及第六电阻的一端与第一运算放大器的反相输入端相连，第一电容的另一端、第二电阻的一端、第六电阻的另一端分别与第一运算放大器的输出端相连，第二运算放大器的正相输入端与第一运算放大器的正相输入端相连，第二电阻的另一端、第五电阻的一端与第二运算放大器的反相输入端相连，第二运算放大器的输出端通过串联的第四电阻、第三电阻与第二运算放大器的正相输入端相连，第五电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相连，第一电阻的另一端与信号处理与通讯模块中电流-电压转换电路的运算放大器的反相端相连，作为模拟电感模块的输出端。所述模拟电感模块的等效电感值为Leq值通过调节R3的值进行改变；等效内阻值为调节R6足够大，则模拟电感等效内阻的影响可以忽略不计。所述的信号处理与数据采集单元包括数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)、通用串行总线(USB)芯片以及一些外围辅助的模拟电路等，其连接关系为：DSP芯片与FPGA芯片和USB芯片通过控制总线和数据总线相连接，以完成数据信号和控制信号的传递与交互。FPGA芯片与高速DAC芯片的输入端、ADC芯片的输出端通过数据总线相连接。DAC芯片的输出端通过柔性排线与N组激励与检测单元相连接，ADC芯片的输入端通过柔性排线与N组激励与检测单元相连接。USB芯片与图像重建计算机相连接。所述装置的电阻抗测量原理为：将绝缘测量管道(1)内的被测流体(气液两相流)等效为电阻抗Zx，则等效电路为Zx与耦合电容C1、C2的串联。利用模拟电感技术构造电感模块，。根据阻抗相消原理，在特定的激励频率下，电感模块的感抗消除掉耦合电容的容抗，使整个测量回路只剩下待测电阻抗Zx。利用数字相敏解调(D本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非接触式电阻抗层析成像装置，其特征在于包括绝缘测量管道(1)、非接触阵列式电阻抗传感器(2)、激励与检测单元(3)、信号处理与数据采集单元(4)、图像重建计算机(5)；N块金属电极安装在绝缘测量管道(1)外壁上，构成非接触阵列式电阻抗传感器(2)，每一块金属电极通过金属导线与相应的激励与检测单元(3)相连接，N组激励与检测单元(3)和信号处理与数据采集单元(4)通过柔性排线相连接，信号处理与数据采集单元(4)通过通用串行总线(USB)数据线和图像重建计算机(5)相连接。

【技术特征摘要】
1.一种非接触式电阻抗层析成像装置，其特征在于包括绝缘测量管道(1)、非接触阵列式电阻抗传感器(2)、激励与检测单元(3)、信号处理与数据采集单元(4)、图像重建计算机(5)；N块金属电极安装在绝缘测量管道(1)外壁上，构成非接触阵列式电阻抗传感器(2)，每一块金属电极通过金属导线与相应的激励与检测单元(3)相连接，N组激励与检测单元(3)和信号处理与数据采集单元(4)通过柔性排线相连接，信号处理与数据采集单元(4)通过通用串行总线(USB)数据线和图像重建计算机(5)相连接。2.根据权利要求1所述的非接触式电阻抗层析成像装置，其特征在于所述的激励与检测单元(3)的结构包括模拟电感模块、电流-电压(I/V)转换模块、高速电子开关和通用阵列逻辑(GAL)；其连接关系如下：电子开关S2的一端与信号处理与数据采集单元相连接，用于接收激励信号，另一端与电子开关S0和S1的一端分别相连接；电子开关S0的另一端接地，电子开关S1的另一端与电极和电子开关S3的一端分别相连接，电子开关S3的另一端与模拟电感模块的输入端相连接；模拟电感的输出端与I/V转换器的输入端相连接，I/V转换器的输出端与电子开关S4的一端相连接，电子开关S4的另一端与信号处理与数据采集单元相连接，用于传递检测信号；电子开关S0/S1/S2/S3和S4均收到由通用阵列逻辑(GAL)设计的译码器控制。3.根据权利要求2所述的非接触式电阻抗层析成像装置，其特征在于：当所述高速电子开关的开关S1和开关S2闭合，其他开关打开时，激励与检测单元(3)工作在激励模式，此时，激励与检测单元(3)所连接的电极为激励电极；当所述高速电子开关的开关S0、开关S3和开关S4闭合，其他开关打开时，激励与检测单元(3)工作在检测模式，此时，激励与检测单元(3)所连接的电极为检测电极；当所述高速电子开关的开关S0闭合，其他开关打开时，激励与检测单元(3)工作在空闲模式，此时，激励与检测单元(3)所连接的电极既不是激励电极，也不是检测电极。4.根据权利要求1所述的非接触式电阻抗层析成像装置，其特征在于所述的信号处理与数据采集单元(4)包括数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、通用串行总线(USB)芯片以及一些外围辅助的模拟电路等，其连接关系如下：DSP芯片与FPGA芯片和USB芯片通过控制总线和数据总线相连接，以完成数据信号和控制信号的传递与交互；FPGA芯片与高速DAC芯片的输入端、ADC芯片的输出端通过数据总线相连接；DAC芯片的输出端通过柔性排线与N组激励与检测单元相连接，ADC芯片的输入端通过柔性排线与N组激励与检测单元相连接；USB芯片与图像重建计算机相连接。5.一种如权利要求1所述的非接触式电阻抗成像装置的电阻抗信息获取方法，其特征在于具体步骤如下：1)信号处理与数据采集单元(4)中的现场可编程门阵列(FPGA)，在接受到数字信号处理器(DSP)的信号后，向激励与检测单元(3)发送电极选择控制信号，通过柔性排线送至激励与检测单元(3)，选中1号电极作为激励电极，2号电极作为检测电极；2)FPGA内部的数字式频率合成器(DDS)模块辅以数模转换器(DAC)产生特定频率f的正弦激励信号，施加在相应的激励电极上；该状态下激励电极与绝缘测量管道(1)内的气液两相流体通过管壁形成耦合电容C1，绝缘测量管道(1)内两个电极间的气液两相流体电阻抗Zx，检测电极与绝缘测量管道(1)内的气液两相流体通过管壁形成耦合电容C2，模拟电感模块的等效电感Leq和等效内阻req构成交流测量通路；此时，交流测量通路的总阻抗为3)根据阻抗相消原理，当激励频率时，模拟电感模块等效电感Leq的感抗可...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志尧，王宇鑫，王保良，冀海峰，李海青，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33