专利名称：基于电阻层析成像的气液两相流分相含率的检测器及方法
技术领域：
本发明属于测量类，尤其涉及气液两相流的测量装置及测量方法。
背景技术：
目前，公知的电阻层析成像(ERT)技术是电阻抗层析成像(EIT)技术的一种简化情况，即只利用了实部(电阻的信息)。ERT技术的物理基础是，不同媒质具有不同的电导率，判断出敏感场的电导率分布便可知物场的媒质分布。目前采用的工作方式为电流激励(正弦波交流信号)，电压测量。当物场内电导率分布变化时，电流场的分布会随之变化，导致场内电势分布变化，从而场域边界上的测量电压电要发生变化。利用边界上的测量电压，通过一定的成像计算，可以重建出场内电导率分布，实现可视化测量。
但是，以前应用ERT技术进行相含率的估计是根据重建图像的像素分布进行分相含率的估计。由于场分布的不均匀和边界效应，往往会造成相含率估计时产生较大的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电阻层析成像的气液两相流分相含率的检测器及方法，解决上述难题，以满足提高测量精度，减少测量步骤及计算等多方面的需要。
本发明的目的是这样实现的一种基于电阻层析成像的气液两相流分相含率的检测器，其微型计算机与光电隔离、总线、激励电极选择模拟开关、电极驱动的一端、传感器的输入极顺序连接；传感器的输出极与电极驱动另一端、检测电极选择模拟开关、带通滤波单元A、差动放大单元、相敏解调单元、低通滤波单元、模数转换模块、总线顺序连接；总线与正弦波发生器、压控电流源、激励电极选择模拟开关的另一端顺序连接，总线还分别与差动放大单元的另一端、检测电极选择模拟开关的另一端连接，正弦波发生器的另一端与相敏解调单元的另一端连接，带通滤波单元B分别与检测电极选择模拟开关、差动放大单元连接。
基于电阻层析成像的气液两相流分相含率的检测器方法，包括下列步骤1，在流动管道中注入被测气液两相流；2，由气液两相流分相含率的检测器对气液两相流管道中设置的传感器进行一定时间间隔的敏感场的激励，和采集感应边界电压的检测信号；3，由微型计算机对定时间隔时采集的感应边界电压的检测信号数据进行计算，得到该帧数据的特征电压值VR值，并根据边界测量电压结合流型识别判断出所检测的两相流是分层流，或是泡状流；4，对于分层流，由微型计算机对特征电压值VR值进行计算，利用与分层流分相含率相关的特征值进行计算，即可得出分层流气液两相的分相含率；5，对于泡状流，由微型计算机对特征电压值VR值进行计算，利用与泡状流分相含率相关的特征值进行计算，即可得出泡状流气液两相的分相含率。
由于本发明采用了以上的技术方案，因而具有以下的优点1，采用多电极传感器阵列，可以获得管道截面分布的二维/三维测量信息。
2，采用测量边界电压数据特征提取的方法，可以将管道截面的信息与相含率相关的信息归纳提取，以较少对称的数据量，提高测量精度和速度。
3，根据特征值进行计算，可以实现在线分相含率的快速测量和计算。
图1是本发明的一种电路原理框图；图2是本发明中的一种传感器的形状构造示意图；图3是本发明的基于电阻层析成像的气液两相流分相含率的检测器方法示意图。
图中1，正弦波发生器 2，压控电流源 3，电极驱动4，激励电极选择模拟开关 5，检测电极选择模拟开关 6，带通滤波单元A7，带通滤波单元B 8，差动放大单元 9，相敏解调单元10，低通滤波单元 11，模数转换模块 12，总线13，光电隔离 14，微型计算机15，传感器16，激励电流信号 17，检测电压信号 18，管道断面19，管道内壁 20，管道外壁 21，电极引出端22，电极 23，敏感场激励单元24，被测信号转换单元25，数据采集与处理单元26，图像重建与物场参数提取单元27，显示器28，测量参数输出端具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施作如下详述在图1中，基于电阻层析成像技术的气液两相流分相含率的检测器，其微型计算机14与光电隔离13、总线12、激励电极选择模拟开关4、电极驱动3的一端、传感器15的输入极顺序连接；传感器15的输出极与电极驱动3的另一端、检测电极选择模拟开关5、带通滤波单元A6、差动放大单元8、相敏解调单元9、低通滤波单元10、模数转换模块11、总线12顺序连接；总线12与正弦波发生器1、压控电流源2、激励电极选择模拟开关4的另一端顺序连接，总线12还分别与差动放大单元8的另一端、检测电极选择模拟开关5的另一端连接，正弦波发生器1的另一端与相敏解调单元9的另一端连接，带通滤波单元B7分别与检测电极选择模拟开关5、差动放大单元8连接。其中，正弦波发生器1，用于在微型计算机14的控制下，产生电阻层析成像系统所需检测的激励正弦波，其可采用数字式波形发生器EPROM2764。
压控电流源2，用于将正弦波发生器输出的电压信号转换成电流信号。压控电流源2输入为电压正弦波信号，输出为电流正弦波信号(激励信号)。经过压控电流源得到电流激励信号其激励信号的频率分别为5.86KHz，11.72KHz，23.44KHz，46.88KHz，93.75KHz，共五级工作频率；激励源输出电流的幅值在0-10mA之间256级可选；相位在0°-180°之间或0°—-180°之间256级可调；其可采用双运算放大器LF411正反馈构成。
电极驱动3，用于将激励电流加在传感器15上，以及将传感器15上的感应电压作为检测信号输出；其可采用运算放大器LF411。
激励电极选择模拟开关4，用于选择激励电极(每次选通两个相邻激励)；其采用的模拟开关可选择2片16选1的多路开关MAX306芯片，其中U1的公共端连接激励电流，U2的公共端连模拟地。由计算机14通过触发器74LS374产生MAX306的地址选择信号。每次U1，U2各选通一个电极(且这两个电极是相邻的，构成相邻激励)，其中激励电流信号由U1的公共端流入加到U1所选通的激励电极上，感应电流由U2所选通的电极流出经过U2的公共端接地，这样就形成了一个激励回路。
检测电极选择模拟开关5，用于选择检测电极(每次选通两个相邻检测)；其采用的模拟开关可选择2片16选1的多路开关，如MAX306芯片，其中的U3的公共端为检测电压输出端V1，U4的公共端为另一路检测电压输出端V2，由计算机14通过触发器74LS374产生。
带通滤波单元A6、带通滤波单元B7，用于过滤其它噪声频率的波形；其可由两片8选8多路开关MAX307和一片8选1多路开关MAX308以及运算放大器LF411构成。由于本系统可以工作在5个不同的频率，带通滤波正是使检测到的电压波形通过，达到滤掉其它噪声的目的。且检测到的电压波形的频率与激励电流的频率相同，因此带通滤波可以通过波形的中心频率正是激励电流的频率。因为本发明可以在5个频率工作，因此带通滤波器的中心频率应该与之对应也为5个。通过改变带通滤波器的RC值，可以改变其中心频率，它们的控制信号正是频率选择信号。带通滤波单元的输入信号是检测到的电压信号V1，V2；输出为经过滤波的电压信号V1′，V2′。
差动放大单元8，用于在不需要外加电路的条件下完成信号的差模放大(放大倍数可以为100，200等)。差动放大单元的输入信号为V1′，V2′；输出信号为V＝n*(V1′-V2′)，式中V为输出信号，n为放大倍数。差动放大单元由精密仪表放大器AD624构成。
相敏解调单元9，用于将正弦波信号转换为半波信号；本发明采用的是开关解调的方式，其可采用MAX301作为解调开关，计数器CD4024最高地址位信号作为解调信号控制MAX301的开关，解调部分的输入信号为V，输出信号为半波形。
低通滤波单元10，用于解调以后的半波信号经过四阶Butterworth低通滤波器转化成直流信号输出；其可采用运算放大器LF411。
模数转换模块11，用于将低通滤波单元10输出的模拟直流信号由12位模数转换器AD1674转换成数字信号输出；其可采用AD1674。
总线12，用于传递数据信号，地址信号和控制信号。
光电隔离13，用于将系统的电源与计算机的电源隔离；可选用快速光电隔离器件6N137。
微型计算机14，用于控制信号的产生，数据处理，图像重建以及特征参数的计算；其可采用普通的微型机。
传感器15，用于定时间隔采集同一流型的三幅数据来表征流型的三维信息数据信号，并将采集的数据信号输送至电极驱动3。
在图2中，传感器15由激励电流信号16、检测电压信号17、管道内壁19、管道外壁20、电极引出端21、电极22等构成。管道内壁19设置有均布的16只电极22，管道外壁20上并连接有相配的电极引出端21，电极引出端21分别由导线连接至电极驱动3。
在本发明中，对气液两相流管道采用敏感场的激励和感应边界电压的方法进行采样。首先由相邻电流激励，相邻电压检测的方式对管道进行激励和电压采样。然后每一次选择相邻的两个电极分别作为激励电流的流入和流出电极，同时测量剩余14个电极两两相邻感应出的电压值。而后变换激励角度(共16个激励角度)；依次类推，最后将得到16×13个(共208个)测量电压值的1帧数据的采样信号，并输送至电极驱动3，从而获得定时间隔时采集同一流型的三幅数据来表征流型的三维信息数据。
在图3中，敏感场激励单元23，由正弦波发生器1和压控电流源2构成，用于产生激励信号。
被测信号转换单元24，由电极驱动3、激励电极选择模拟开关4、检测电极选择模拟开关5构成，用于激励和检测信号。
数据采集与处理单元25，由带通滤波单元A6、带通滤波单元B7、差模放大单元8、相敏解调单元9、低通滤波单元10和模数转换模块11构成，用于将检测信号中有用的信息转换为数字量。
图像重建与物场参数提取单元26，由微型计算机14和相应的计算法构成，用于数据的特征提取和图像重建。
显示器27，用于将微型计算机14输出的检测信号以图象方式显示其测量结果。
测量参数输出端28，由显示器或打印机等构成，用于显示或输出测量、计算的结果，其可采用任意显示器或打印机等。(当测量参数输出端28采用显示器时，其可省略上述的显示器27)。
本发明在实际测量使用时，其基于电阻层析成像的气液两相流分相含率的检测器方法，包括下列步骤1，在流动管道中注入被测气液两相流。
2，由气液两相流分相含率的检测器，对气液两相流管道中设置的传感器15由敏感场激励单元23(正弦波发生器1和压控电流源2)产生激励信号，并通过激励电极选择模拟开关4以一定的时间间隔进行敏感场的激励，和检测电极选择模拟开关5选通两两相邻的电极(激励电极除外)，进行采集感应边界电压的测量信号。
3，边界电压检测信号经过数据采集与处理单元25(中的带通滤波单元A6、带通滤波单元B7、差模放大单元8、相敏解调单元9、低通滤波单元10和模数转换模块11转换)，将数字信号输送到微型计算机14，由微型计算机14对定时间隔时采集的感应边界电压的检测信号数据进行计算，得到该帧数据的特征电压值VR值，并根据边界测量电压结合流型识别判断出所检测的两相流是分层流，还是泡状流。
4，对于分层流，由微型计算机14对特征电压值VR值进行计算，并利用与分层流分相含率相关的特征值，根据经验公式进行计算即可得出分层流气液两相的分相含率。
经验公式α=a5VR5+a4VR4+a3VR3+a2VR2+a1VR+a0,]]>式中VR是求得的特征电压值，a为气相相含率，a0--a5为待定系数，可根据介质的不同和管径的大小而标定。5，对于泡状流，由微型计算机14对特征电压值VR值进行计算，利用与泡状流分相含率相关的特征值根据经验公式进行计算即可得出泡状流气液两相的分相含率。
经验公式α=a3VR3+a2VR2+a1VR+a0,]]>式中VR是求得的特征电压值，a为气相相含率，a0--a3为待定系数，可根据介质的不同和管径的大小而标定。由上，本发明由检测到的边界特征提取后得到与相含率相关的值，就可得到精确的气液两相流分相含率。
本发明可应用于工业过程中的气/液、液/液两相流的分相含率的测量。如化工领域的多相流输送，硫化床中的应用，石油工业的流量测量以及环境监测、能源、冶金，制药等领域都具有广泛的应用前景。同时，由于两相流的分相含率是流体的基本参数，以上各行业中涉及到两相流的热力学、反应动力学，流体力学等方面的研究，以及工业生产过程中的流动参数测量时，都可应用本发明的检测器及方法进行分相含率的测量。
权利要求
1.一种基于电阻层析成像的气液两相流分相含率的检测器，其特征在于，微型计算机与光电隔离、总线、激励电极选择模拟开关、电极驱动的一端、传感器的输入极顺序连接；传感器的输出极与电极驱动另一端、检测电极选择模拟开关、带通滤波单元A、差动放大单元、相敏解调单元、低通滤波单元、模数转换模块、总线顺序连接；总线与正弦波发生器、压控电流源、激励电极选择模拟开关的另一端顺序连接，总线还分别与差动放大单元的另一端、检测电极选择模拟开关的另一端连接，正弦波发生器的另一端与相敏解调单元的另一端连接，带通滤波单元B分别与检测电极选择模拟开关、差动放大单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电阻层析成像的气液两相流分相含率的检测器，其特征在于，传感器设置有均布的16只电极，管道外壁上设置有连接相配的电极端，电极端分别与电极驱动器连接。
3.一种根据权利要求1所述的基于电阻层析成像的气液两相流分相含率的检测器方法，包括下列步骤1)在流动管道中注入被测气液两相流；2)由气液两相流分相含率的检测器，对气液两相流管道中设置的传感器进行一定时间间隔的敏感场的激励，和采集感应边界电压的检测信号；3)由微型计算机对定时间隔时采集的感应边界电压的检测信号数据进行计算，得到该帧数据的特征电压值VR值，并根据边界测量电压结合流型识别，判断出所检测的两相流是分层流，或是泡状流；4)对于分层流，由微型计算机对特征电压值VR值进行计算，利用与分层流分相含率相关的特征值进行计算，即可得出分层流气液两相的分相含率；5)对于泡状流，由微型计算机对特征电压值VR值进行计算，利用与泡状流分相含率相关的特征值进行计算，即可得出泡状流气液两相的分相含率。
全文摘要
本发明微型计算机与光电隔离、总线、激励电极选择模拟开关、电极驱动、传感器的输入极顺序连接；传感器与电极驱动、检测电极选择模拟开关、带通滤波单元A、差动放大单元、相敏解调单元、低通滤波单元、模数转换模块、总线顺序连接；总线与正弦波发生器、压控电流源、激励电极选择模拟开关顺序连接，总线还分别与差动放大单元、检测电极选择模拟开关连接，正弦波发生器与相敏解调单元连接，带通滤波单元B分别与检测电极选择模拟开关、差动放大单元连接。方法有1.由计算机对传感器在间隔时间采集的数据计算得到V
文档编号G01D21/02GK1414382SQ0212906
公开日2003年4月30日 申请日期2002年8月30日 优先权日2002年8月30日
发明者徐安, 董峰, 乔旭彤, 姜之旭 申请人:天津大学