专利名称：基于双模丝网多相流成像测量装置及测量方法
技术领域：
本发明属于多相流体的成像技术领域，涉及一种基于丝网的双模成像系统。
背景技术：
多相流动现象广泛存在于石油、化工、能源动力等现代工程领域。多相流流型的在线显 示及辨识对生产过程的监控、故障诊断等均具有重要意义。同时，在一些流体计量领域，能 够实时准确地对多相流体在流动截面进行成像，是工业界许多应用所迫切需要的技术。
过程层析成像技术以多相流为主要研究对象，可以获得多相流体的二维/三维的时空局 部微观分布信息，这为流动特性复杂多变、常规方法检测参数难度较大的多相流领域提供了 一条有效的在线测量和观测途径。其中，X射线、'射线过程层析成像是最早发展起来的技 术，它是依据射线穿透被测介质时产生的衰减作用来进行检测。这类技术的图像重建算法简 单，具备较高的成像精度，但由于其放射性特点，在现场使用防护成本较高，目前未能普及 到许多的应用场合。
电学层析成像是一种通过在物体边缘/表面进行电/磁测量而得到物体内部切面分布的层 析成像方法。它包含有三个主要的模态，即电阻(ElectricalResistance Tomography, ERT )、 电容(Electrical Capacitance Tomography, ECT)及电磁(Electromagnetic Tomography, EMT)层析成像。它们可用于多相流的成像与检测，但是它们也有各自的局限 。例如，ECT无法准确测量导电物质，而ERT无法测量导磁和介电物质。国内外的研究人员 在单独发展这两项技术的基础上，也尝试将它们融合来发展双模态层析成像技术。如公开号 为CN1793879的ERT/ECT双模态成像系统复合阵列传感器，但是其电阻模态和电容模态同步激 励会产生耦合现象，增加硬件系统的复杂度；分时激励又对应分时测量，无法做到对同一流 型剖面的同步测量。并且它继承了ECT和ERT共有的缺点，即成像技术具有极强的非线性、病 态性和软场特性，这使图像重建过程变得复杂。为了提高图像的分辨率，必须采用复杂的迭 代算法，使得实时性很差；如果使用简单的反投影算法，提高实时性，那么图像的空间分辨 率就非常低。空间分辨率和实时性成了一对无法调和的矛盾。这些特点限制了电学层析成像(包括双模)技术在实际中的应用。
申请号为200610074260. 9的两相流体网丝电容成像方法采用介入式方法对两相流进行 测量，具有较高的分辨率和实时性，但是它仅基于电容原理，无法对导电率有差异的流体进 行测量。而在许多化工和多相流过程中，多相流体(比如，油田中的油/气/水混合物)由导 电和介电物质混合组成，申请号为200610074260. 9中所述的技术就会失效。
发明内容
针对以上提到现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种新型的双模丝网成 像系统，实现对电导率，或(和)介电系数有差异的多相流体进行实时、快速的成像方法。
由于多相流系统的多变性、快速性以及各相在空间分布的复杂性，成像的速度和精度一 直以来都制约着成像技术的发展。本发明所提供的双模丝网成像方法就是上述问题的一种技 术解决方案。本发明的目的是这样实现的
本发明的基于双模丝网多相流成像测量装置，采用如下的技术方案
一种基于双模丝网多相流成像测量装置，包括安装在垂直于管道轴向上的至少一个丝网
电感成像传感器、激励信号发生单元、信号测量单元、模拟选通开关、上位成像计算机；所 述的丝网传感器由相互垂直、并在轴向方向靠近的两组导线组成，每组导线的各条导线之间 相互平行，其中的一组导线，分别由外表皮绝缘和非绝缘的两种导线相间排布而成，构成另 一组的每个导线，由外表皮绝缘和非绝缘的小段导线相间串联而成，两组导线在空间形成的 交叉点分为两种，第一种是由两个导线外表皮非绝缘部分空间相交形成的交叉点，第二种是 由两个导线外表皮绝缘部分空间相交形成的交叉点，两种交叉点在整个丝网传感器上呈相间 排布；对于其中一组导线，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一个导线作为激励 端，接到激励信号发生单元的输出端上；对于另一组导线，由上位成像计算机利用模拟选通 开关依次选通一个导线作为接收端，接到信号测量单元的输入端上；如果测量端和接收端形 成的是第一种交叉点，对测量得到的电压数据进行O度相敏解调，得到其电导值，如果测量 端和接收端形成的是第二种交叉点，对测量得到的电压数据进行90度相敏解调，得到其电容 值，从而得到流体的电导率和介电系数在同一切面的空间分布。
作为优选实施方式，本发明的基于双模丝网多相流成像测量装置，每组传感器由2 -200 个导线组成；构成传感器的导线由绝缘导线和非绝缘导线构成，导线的直径为O. lmm-10mm。
本发明同时提供一种利用上述测量装置实现的测量方法，包括下列步骤(1) 选通一组导线中的一条导线作为激励端，以另一组导线中的各条导线分别作为 接收端，对激励端施加激励信号；
(2) 对各个接收端上的感应电压进行数据采集，得到测量电压数据；如果测量端和 接收端形成的是第一种交叉点，对测量得到的电压数据进行0度相敏解调，得到其电导值， 如果测量端和接收端形成的是第二种交叉点，对测量得到的电压数据进行90度相敏解调，得 到其电容值。
(3) 选通前一组导线的其它导线为激励端，重复(2)中的操作，直至所有的通路组 合完成；
(4) 通过测量相互垂直导线交叉点之间的电导和电容，得到流体的电导率和介电系 数在同一切面的空间分布。
与现有的其它层析成像方法相比，本发明采用了介入式的丝网传感器，将管道的横截面 转化为丝网中空间交叉点的集合，避开了复杂的图像重建算法，极大的提高了获取实时图像 的效率。与传统电容丝网成像方法相比，本发明在测量原理和构造上能同时对在同一截面上 的导电和介电物质进行测量，在多相流测量上具备更好的通用性。另一方面，本发明原理是 以导线为感应元素，具体形状可以视实际情况改变，能够适应特殊流通截面的要求。并且而 且由于每个空间交叉点处的数据独立采集，相互间的影响较小，采集时间短，所以成像精度 较高且速度更快。
本发明所得到的实时图像包含管道横截面上两相组分的分布信息，能实现多相流的流型 识别，以及获取各相成分在管道横截面上的浓度分布，同一管道像素点的数目越多，实时图 像所能提供的信息越详细；还可以在管道内布置两个或两个以上的丝网传感器，通过上下游 的检测，可以进一步获取两相流体的各相流量、速度和运动轨迹的信息。
图l是本发明的基于双模丝网的成像系统装置原理图2是10根导线25像素的丝网电磁传感器示意图，a为三维示意图，b为俯视图; 图3是激励端选通和测量端数据采集示意图。
具体实施方法图l是按照本发明实施的双模丝网成像系统装置原理图。它由双模丝网式传感器、数据 采集和上位成像计算机三个主要部分构成，其中数据采集部分包括了激励信号发生、模拟选 通开关以及信号测量几个单元。激励信号发生单元可采用直接数字合成(DDS)芯片AD7008 ，该芯片可以产生不同幅度和相位的正弦激励信号。激励信号的幅度和相位可由计算机设置 ，通过功率放大器放大后加装在由模拟开关选通的激励线圈上。
使用时，丝网传感器垂直于管道轴线布置，模拟开关依次选通激励端导线施加激励信号 ，计算机控制测量单元对测量端导线上的感应电压进行数据采集。对本发明的层析成像而言 ，若激励端导线的个数为N，测量端导线的个数为M，那么成像的像素为M伞N。
模拟开关将功率放大器输出的信号分配到需要的激励线圈上，模拟开关的电流承受值应 为10mA至1A之间。模拟开关可以采用MAXIUM公司的大电流开关芯片(如MAX4656)。
双模丝网式传感器由相互垂直、并在轴向方向靠近的两组导线组成，每组导线的各条导 线之间相互平行，如图2所示，以10导线为例。选通导线l作为激励端，与它垂直的导线2、 3 、4、 5、 6作为测量端，可以同时对测量通路上的感应电压进行数据采集，得到测量电压数 据。其中，导线2、 4、 6是外表皮非绝缘的导线，与它们空间相交的也是外表皮非绝缘的激 励端导线段，对电压数据进行O度相敏解调，得到对应的实部(电导)值；导线3、 5则是外 表皮绝缘的导线，而相应的，与它们空间相交的是外表皮绝缘的激励端导线段，因此对电压 数据进行90度相敏解调，得到对应的虚部(电容)值。
此处给出了一种双模丝网式传感器的实施例，实际使用时，还有其它的实施方式，例如 ，两组导线，以任何一组的导线作为激励端，另一组的导线作为测量端均可。
激励端选通和测量端数据采集示意图如图3。在图3中，激励信号发生单元7通过模拟选 通开关8依次选通一根导线作为激励端。作为接收端的导线则与信号测量单元9直接相连，将 采集到的感应电压数据直接输入到上位计算机做相敏解调处理。
通过图2可以清楚看到，10根导线分成2组相互垂直分布，所形成的25个空间交叉点均匀 分布于管道的横截面上。因此，通过测量这些空间交叉点处的电容或电导，可以不需通过复 杂的重建算法得到导电或导磁流体和粉体的空间分布，从而直接获取两相流体的实时图像。 而这种双模丝网的模式，突破了单模测量时对流体性质的限制，检测时获取的多样信息，具 备更好的通用性，也使成像质量有显著提高。在丝网导线数目足够多的情况下，实时图像可 以达到很高的分辨率。
本实施例中采用绝缘和非绝缘导线，导线的直径为O. lmm-10mm。
权利要求
1.一种基于双模丝网多相流成像测量装置，包括安装在垂直于管道轴向上的至少一个丝网电感成像传感器、激励信号发生单元、信号测量单元、模拟选通开关、上位成像计算机；所述的丝网传感器由相互垂直、并在轴向方向靠近的两组导线组成，每组导线的各条导线之间相互平行，其中的一组导线，分别由外表皮绝缘和非绝缘的两种导线相间排布而成，构成另一组的每个导线，由外表皮绝缘和非绝缘的小段导线相间串联而成，两组导线在空间形成的交叉点分为两种，第一种是由两个导线外表皮非绝缘部分空间相交形成的交叉点，第二种是由两个导线外表皮绝缘部分空间相交形成的交叉点，两种交叉点在整个丝网传感器上呈相间排布；对于其中一组导线，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一个导线作为激励端，接到激励信号发生单元的输出端上；对于另一组导线，由上位成像计算机利用模拟选通开关依次选通一个导线作为接收端，接到信号测量单元的输入端上；如果测量端和接收端形成的是第一种交叉点，对测量得到的电压数据进行0度相敏解调，得到其电导值，如果测量端和接收端形成的是第二种交叉点，对测量得到的电压数据进行90度相敏解调，得到其电容值，从而得到流体的电导率和介电系数在同一切面的空间分布。
2.根据权利要求l所述的基于双模丝网多相流成像测量装置，其特征 在于，每组传感器由2 -200个导线组成。
3.根据权利要求l所述的基于双模丝网多相流成像测量装置，其特征 在于，构成传感器的导线由绝缘导线和非绝缘导线构成，导线的直径为O. lmm-10mm。
4. 一种采用权利要求l所述的基于双模丝网多相流成像测量装置实现 的测量方法，其特征在于，包括下列步骤(1) 选通一组导线中的一条导线作为激励端，以另一组导线中的各条导线分别作为接 收端，对激励端施加激励信号；(2) 对各个接收端上的感应电压进行数据采集，得到测量电压数据；如果测量端和接 收端形成的是第一种交叉点，对测量得到的电压数据进行O度相敏解调，得到其电导值，如果测量端和接收端形成的是第二种交叉点，对测量得到的电压数据进行90度相敏解调，得到 其电容值。(3) 选通前一组导线的其它导线为激励端，重复(2)中的操作，直至所有的通路组 合完成；(4) 通过测量相互垂直导线交叉点之间的电导和电容，得到流体的电导率和介电系数 在同一切面的空间分布。
全文摘要
本发明属于多相流体成像技术领域，涉及一种基于丝网的双模(电导、电容)传感成像设备，传感器在纵向由多条相互平行的外表皮绝缘的和非绝缘的导线组成，其中外表皮绝缘的和非绝缘的导线相间分布；传感器在横向由包括多条相互平行的导线组成，其中每一根导线由外表皮绝缘和非绝缘的小段相间串联而成。横向的导线接到激励信号发生器上，而纵向的导线接到测量电路上。本发明通过测量互相垂直的导线的电导和电容值，确定多相流体各相在整个管道横截面上的分布信息，可以不需通过复杂的重建算法，而同时得到流体或粉体的电导率和介电系数在同一切面的空间分布。
文档编号G01N27/04GK101650328SQ20091030697
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月14日 优先权日2009年9月14日
发明者剑 姜, 尹武良 申请人:天津大学