专利名称：多相系统的电网络分析的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及一种用于确定多材料对象中的单独材料的组成和特性的方法，更具体来说，涉及一种分析多材料对象的电网络表示的方法。
背景技术：
多相流是多材料对象的一个示例，其中至少两个材料或相在管道或导管内部共同流动。多相流过程对于各种行业是重要的，其中包括例如石油、制药、食品和化学工业。存在对这些类型的多相流过程中的内部流特性的直接了解的需要，以实现现有和新处理设备的改进设计和增加的操作效率。用于预测多相过程的性能所使用的特性可包括例如相的空间分布(空间体积相分数)、流体系(flow regime)、界面面积以及相或材料之间的绝对和相对速率。了解材料的空间分布是特别有用的，因为材料的非均勻分布趋向于减小可用于化学反应或转换的材料之间的界面面积，并且可引起使流再循环，从而形成空间非均勻反应区或浓度。此外，体积相分数和速率是实现多相流的适当和及时控制的重要参数。电阻抗层析(EIT)是一种微创测量技术，它可用于定量绘制多材料对象中的材料分布。在EIT中，电导率和电容率的绘图用于推断多材料对象中的不同材料的分布。不同电流模式或电压模式通过对象周围的电极施加到对象，并且测量对应电压或电流。根据电流-电压关系，确定内部阻抗或内部导纳分布。使用各种图像处理算法的基于所计算阻抗分布的图像重构是一种确定多材料对象中的不同材料的分布的方法。但是，图像处理算法常常太费时间并且计算密集。它们还忽略问题的许多定量方面，例如空间对称或不对称。因此，希望确定将会解决上述问题的方法和系统。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种用于确定多材料对象的特性的方法。该方法包括确定表示多材料对象的电元素矩阵，并且用第一数学变换矩阵左乘该电元素矩阵，以得到第一变换电元素矩阵。该方法还包括用第二数学变换矩阵右乘该第一变换电元素矩阵，以得到第二变换电元素矩阵。该方法还包括根据第二变换电元素矩阵来确定多材料对象的特性。根据本发明的另一个实施例，提供一种多材料感测系统。该系统包括电源，用于向多材料对象周围的电极提供施加电信号集合；以及测量单元，用于从电极得到测量电信号集合。该系统还包括处理电路，用于基于施加的和测量的信号集合来确定电元素矩阵，并且用于用第一数学变换矩阵左乘该电元素矩阵，以得到第一变换电元素矩阵。处理电路进一步用第二数学变换矩阵右乘该第一变换电元素矩阵以得到第二变换电元素矩阵，并且基于第二变换电元素矩阵来确定多材料对象的特性。根据本发明的又一个实施例，提供一种用于确定多材料对象的特性的方法。该方法包括向多材料对象周围的电极提供施加电信号集合，并且从电极得到测量电信号的测量
3电信号集合。该方法还包括用第一数学变换矩阵左乘所测量的电信号集合以得到第一变换测量电信号集合，并且用第二数学变换矩阵右乘该第一变换测量电信号集合以得到第二变换测量电信号集合。该方法还包括基于第二变换测量电信号集合来确定多材料对象的特性。
通过参照附图阅读以下具体实施方式
，会更好地理解本发明的这些及其它特征、 方面和优点，附图中，相似符号在整个附图中表示相似部件，附图包括图1是根据一个示例实施例的油生产设备的框图；图2是将要根据本发明的一个实施例所使用的基于电阻抗层析(EIT)的多相流量计的示意图；图3是根据本发明的一个实施例的施加电压EIT系统的框图；图4是两个相成分的混合物的三个不同流体系的表示；图5是矩阵元素Y(2，2)随第二相(secondary phase)的分数的变化的图形表示；图6是矩阵元素Y(2，3)随第二相离导管中心轴线的平均距离的变化的图形表示；图7是根据本发明的一个实施例的原始分布及其第二相的等效分布的图形表示；图8是表示根据本发明的一个实施例、确定多材料对象的特性的方法的流程图； 以及图9是表示根据本发明的一个实施例的多材料对象的分析的流程图；以及图10是表示根据本发明的一个实施例、根据电信号集合来确定多材料对象的特性的方法的流程图。
具体实施例方式下面详细论述，本发明的实施例用于提供测量多材料对象的特性的系统和方法。 在多相流的一个示例中，对象的特性可包括流经导管的油、水和气体(在这个上下文中指的是气态羟类)的体积分数和流率。虽然参照在油/气体/水测量中的使用来描述本发明， 但是它完全不是要限于这类应用，本发明的方面而是在例如癌症诊断和水处理过程等大量工业、卫生保健和化学过程中得到应用。这类多材料对象的特性可能与对于多相流所给出的示例完全不同。图1示出根据一个示例实施例的油生产设备10。油生产设备通常包括各互连到管道系统14的多个油井12。管道系统14包括耦合到多相流量计(MPFM) 18的生产集合管16。 多相流量计实现与油井非常接近的未处理井流的测量，并且因而可提供油井性能的连续监测，它可用于更好的油藏管理。从油井12抽出的流体通过生产集合管16发送到生产分离器20。应当注意，测试分离器(未示出)可附加地连同设备10中的MPFM—起使用，或者可备选地使用。MPFM优于测试分离器的一个优点是执行测量所需的时间的减少。虽然必须允许测试分离器在改变油井时进行填充和稳定，但是MPFM更迅速地响应油井流体的变化，并且需要更少时间来稳定。生产分离器20分离从油井抽出的油、气体和水。生产分离器20可包括一个或多个测量装置。测量装置例如可包括水表，其测量从油井所提取的水的量或比率(rate)；以及乳化液计(emulsion meter)，其测量从油井所提取的油的量。其它测量装置可包括通常用于监测油井性能的其它装置，例如井口压力传感器、温度计、盐度计和PH计。图2示出基于电阻抗层析(EIT)的MPFM系统40。在EIT中，多材料对象中的导电率或电容率分布从通过对象周围的电极所进行的电测量来推断。导电电极附连到多材料对象的周边，并且交流电流或电压施加到电极的部分或全部。分别测量所产生的电位或电流， 并且该过程对于施加电流和/或电压的许多不同配置或模式重复进行。图2的MPFM系统40包括电极阵列42，其中包括围绕导管46所分布的多个电极 44。导管可包括容器，它在其中携带多个材料或相，例如管道或桶(tank)，或者导管可包括另一种管(vessel)，例如人体的一部分或者整个人体。在一个更具体的实施例中，电极的数量可以为8、12或16，取决于导管的大小和所需精度。电极可直接附连到导管的内壁，其中一个实施例包括在需要时使用适当涂层来确保良好的电接触。电极连接到电子调节电路48，它可包括例如耦合到计算机50的电流或电压源、数模转换器、模数转换器、差分放大器、滤波器、数字复用器、模拟复用器、时钟和/或数字I/O单元等部件。在一个实施例中， 计算机50包括个人计算机，它配备有用于图像重构过程的数字信号处理器卡以及用于显示图像的适当显示器52。在其它实施例中，也可使用例如现场可编程门阵列(FPGA)或复杂可编程逻辑装置(CPLD)等的其它处理电路。根据本发明的一个实施例，通过跨接它们施加电压模式的电压集合来激励电极44，这产生导管中的多材料对象内的旋转电场。在任何给定时间，一个或多个电压源用于将一种模式的电压施加到电极，并且测量每个电极中的电流信号的对应集合。在一个实施例中，不是施加电压，而是一个或多个电流源用于通过将电流注入其中来激励电极，并且测量跨接电极上的对应电压。图3是具有L个电极的施加电压EIT系统的框图60。各电极61连接到电路，它包括用于生成施加的电压的电压源62以及用于测量施加的电流的安培表和直接测量施加的电压的伏特计。开关网络63使单个校准电路64能够连接到电压源/安培计/伏特计电路的任一个，以便允许将整个系统校准到单个参考。数字控制器(未示出)可与电压源(具有安培计和伏特计)、开关进行接口，并且校准电路可用于设置系统配置并且收集电压和电流的数字测量。在电流而不是电压施加到电极的另一个实施例中，电流使用电流源来生成， 电流源可包括例如直流源或者电压-电流转换器的系统。在电流和电压源的两种实施例中，所得测量由计算机50(图2、来处理，并且确定多材料对象中的电阻抗或导纳分布的表示。电阻抗或导纳分布然后由计算机50进一步分析，以便提供多材料对象的特性。多材料对象的特性可包括例如系统的材料的组成和分布。 此外，还可分析电阻抗或导纳分布，以便确定多材料对象的单独材料的流体系、相分数和速率。例如，流体系可包括但不限于气泡流、搅动流(churnflow)、段塞流(slug flow)或环状流。在电压源实施例中，从一个电极流动到另一个电极的电流是跨接所有电极所施加的相对电压以及存在于所有电极之间的材料的导电率和电容率的函数。例如，材料可仅仅是油，或者它可以是油和气体的混合物。取决于材料及其分布，所有电极之间的阻抗或导纳改变，并且在电极之间流动的电流也改变。因此，从施加电压集合和测量电流集合，可计算每一对电极之间的阻抗的阻抗集合或阻抗矩阵。类似地，作为替代或补充，从施加电压集合和测量电流集合，可计算每一对电极之间的阻抗的导纳集合或导纳矩阵。由于阻抗和导纳是电极之间的材料的电导率和电容率的函数，因此，通过分析阻抗或导纳网络，可确定材料分布及其特性。若干方法可用于从施加电信号集合和测量电信号集合来计算阻抗或导纳矩阵。这些方法可包括但不限于使用伪逆或迭代算法。在一个实施例中，能够分析来自电极的电信号的测量电信号集合，并且确定多材料对象的特性。测量的电信号可包括电压信号或电流信号。应当注意，由于测量的电信号也是电极之间的材料的电导率和电容率的函数， 因此，在一个实施例中，能够通过分析测量的电信号的测量的电信号集合来分析多材料对象的特性。在本发明的一个实施例中，导纳网络的分析包括用第一数学变换矩阵A左乘阻抗或导纳矩阵Y，并且由第二数学变换矩阵B右乘所得乘积矩阵，如等式(1)所述。因此，变换的阻抗或导纳矩阵由;F表示，并且表示为
权利要求
1.一种用于确定多材料对象的特性的方法(101)，包括下列步骤 确定(10 表示所述多材料对象的电元素矩阵；用第一数学变换矩阵左乘(104)所述电元素矩阵，以得到第一变换电元素矩阵； 用第二数学变换矩阵右乘(106)所述第一变换电元素矩阵，以得到第二变换电元素矩阵；以及基于所述第二变换电元素矩阵来确定(108)所述多材料对象的特性。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一数学变换矩阵包括离散傅立叶变换矩阵， 以及所述第二数学变换矩阵包括所述离散傅立叶变换矩阵的逆。
3.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述多材料对象的特性的步骤包括基于沿所述第二变换阻抗矩阵的对角线的元素来确定所述多材料对象中的材料的分布的空间对称， 并且基于不是沿所述第二变换阻抗矩阵的对角线的元素来确定所述多材料对象中的材料的分布的不对称。
4.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述多材料对象的特性的步骤包括利用从随机生成的流体系和材料分布的数值模拟所得到的电元素矩阵的信息。
5.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述多材料对象的特性的步骤包括基于先前实验结果来利用关于所述电元素矩阵的信息。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述多材料对象的特性包括所述对象内的不同材料的组成和分布。
7.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述多材料对象的特性的步骤包括确定所述多材料对象内的材料的流体系、体积分数、密度和速率。
8.如权利要求1所述的方法，还包括确定所述多材料对象中的材料分布的等效可视表不。
9.一种多材料感测系统(40)，包括电源(62)，其向多材料对象周围的电极提供施加电信号集合； 测量单元(62)，其从所述电极得到测量电信号集合；以及处理电路(50)，其基于所施加的和测量的电信号集合来确定电元素矩阵，用第一数学变换矩阵左乘所述电元素矩阵以得到第一变换电元素矩阵，用第二数学变换矩阵右乘所述第一变换电元素矩阵以得到第二变换电元素矩阵，以及基于所述第二变换电元素矩阵来确定所述多材料对象的特性。
10.一种确定多材料对象的特性的方法(130)，包括下列步骤 向所述多材料对象周围的电极提供(13 施加电信号集合； 从所述电极得到(134)测量电信号的测量电信号集合；用第一数学变换矩阵左乘(136)所述测量电信号集合，以得到第一变换测量电信号集合；用第二数学变换矩阵右乘(138)所述第一变换测量电信号集合，以得到第二变换测量电信号集合；以及基于所述第二变换测量电信号集合来确定(140)所述多材料对象的特性。
全文摘要
本发明名称为多相系统的电网络分析。提供一种用于确定多材料对象的特性的方法(101)。该方法包括确定(102)表示多材料对象的电元素矩阵。由第一数学变换矩阵来左乘(104)电元素矩阵，以得到第一变换电元素矩阵。用第二数学变换矩阵右乘(106)第一变换电元素矩阵以得到第二变换电元素矩阵。该方法还包括基于第二变换电元素矩阵来确定(108)所述多材料对象的特性。
文档编号G01N27/08GK102183547SQ20111000855
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月5日 优先权日2010年1月5日
发明者A·巴纳吉, H·K·皮莱, S·马哈林加姆, W·巴苏 申请人:通用电气公司