专利名称：分布式系统的电网络表示的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种用于确定多材料对象中各个材料的组成和特性的方法，并且具体涉及作为电网络的多材料对象的表示和分析。
背景技术：
电阻抗层析成像(electricalimpedance tomography) (EIT)是一种微创测量技术，能够用于在数量上映射多材料对象内的材料分布。在EIT中，电导率和电容率的映射用于推断该对象内不同材料的分布。通过在对象周围的电极将不同的电流模式和电压模式应用到对象，并且测量对应的电压或电流。基于电流电压关系，确定内部阻抗或内部导纳分布。多材料对象的一个示例是多相流，其中，至少两种材料或相位一起在管道或导管内流动。多相流工艺对各种行业很重要，例如包括石油、制药、食品和化学行业。需要直接了解在这些类型的多相流工艺中的内部特性以便能够实现现有和新处理设备的改进设计和增大操作效率。用于预测多相工艺的性能的特性可例如包括相位的空间分布(空间体积相分率(spatial volumetric phase fraction))、流态、界面面积和相位或材料之间的绝对与相对速度。知道材料的空间分布特别有用，因为材料的非均勻分布往往减少了可用于化学反应或转换的材料之间的界面面积，并且可能导致回流，从而形成空间上不均勻的反应区或浓度。此外，体积相分率和速度是使得能够适当、及时控制多相流的重要参数。在一种EIT技术中，应用电流到几对边界电极(boundary electrode)，一次一对， 电流在一个电极进入和在另一电极离开，并且在所有电极上测量电压。在一种类似的技术中，应用电压到几对边界电极，一次一对，并且在所有电极测量电流。与这些技术相关联的一个难题是低的信噪比。此外，在涉及相对电容率或电导率中变化小的材料时，降低了分辨率。在另一 EIT技术中，同时应用电流或电压到所有电极以产生完整测量所必需的数据。应用到电极的电流或电压全部是电相互同相的并且具有不同幅度。然而，此技术更耗时，因为应用到电极的电流或电压模式的数量大(一般等于比电极的数量小1)。因此，最好提供将解决上述问题的方法和系统。
发明内容
根据本发明的一实施例，提供一种确定多材料对象的特性的方法。该方法包括将各个电信号模式的应用的电信号集合提供到围绕多材料对象的电极以在多材料对象内产生旋转电场，并且从电极获得对应于每个应用的电信号模式的电信号的测量的电信号集合。该方法还包括基于应用的电信号集合、测量的电信号集合和应用的电信号集合的逆来确定电网络。该方法还包括通过分析电网络来确定多材料对象的特性。根据本发明的另一实施例，提供一种用于确定多材料对象的电网络的方法。该方法包括将各个电信号模式的应用的电信号集合提供到电极以产生旋转电场。该方法还包括从电极获得对应于每个应用的电信号模式的电信号的测量的电信号集合；以及基于应用的电信号集合、测量的电信号集合和应用的电信号集合的逆来确定电网络。根据本发明仍有的另一实施例，提供一种多材料传感系统。该系统包括用于将各个电信号模式的应用的电信号集合提供到围绕多材料对象的电极以在对象内产生旋转电场的电源和用于从电极获得对应于每个应用的电信号模式的电信号的测量的电信号集合的测量单元。该系统还包括处理电路以基于应用的电信号集合、测量的电信号集合和应用的电信号集合的逆来估计多材料对象的特性。
参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中类似的字符表示遍布图形的类似部分，其中图1是根据一示例实施例的产油设施的框图；图2是根据本发明的一实施例的要使用的基于电阻抗层析成像(EIT)的多相流计的示意图；图3是根据本发明的一实施例的应用电压EIT系统的框图；图4是根据本发明的一实施例的旋转场模式的图形表示；图5是根据本发明的一实施例的围绕导管中多材料对象的电极的示意图和参考正弦波形；图6是流程图，其表示根据本发明的一实施例的使用电阻层析成像(ERT)技术来确定多材料对象的特性的方法；图7是流程图，其表示根据本发明的一实施例的使用EIT技术来确定多材料对象的特性的方法；以及图8是流程图，其表示根据本发明的一实施例的使用图6的ERT技术来确定多材料对象的特性的另一方法。
具体实施例方式如下面详细所述，本发明的实施例用以提供用于测量多材料对象的特性的系统和方法。在多相流的示例中，对象的特性可包括流过导管的油、水和气体(在此上下文中引用气态烃类)的体积分数(volumetric fraction)和流率。虽然本发明参照油/气体/水测量中的使用进行描述，但它决无意限制为此类应用；相反，本发明的方面可应用于广泛的多个行业、卫生保健和化学工艺中，如癌症诊断和水处理工艺。此类多材料对象的特性可与为多相流给出的示例大不相同。图1示出根据一个示例实施例的产油设施10。该产油设施一般包括各自互连到管道系统14的多个油井12。管道系统14包括耦合到多相流计(MPFM) 18的生产管汇 (manifold) 16。多相流计使得能够测量极靠近油井的未处理油井液气流，并因此能够提供油井性能的持续监视，这可用于实现更佳的储藏管理。从油井12抽出的液体通过生产管汇16被送到生产分离器20。应注意的是，测试分离器(未示出)可附加地与设施10中的 MPFM 一起使用，或者可备选地使用。MPFM优于测试分离器的一个优点是减少了执行测量所需的时间。在更换油井时必须允许测试分离器充满和稳定，而MPFM对油井流体的变化响应更快，并且稳定需要的时间更少。生产分离器20将从油井抽出的油、气体和水分开。生产分离器20可包括一个或多个测量装置。测量装置可例如包括水表以测量从油井抽出的水量或水的速率，以及乳液计(emulsion meter)以测量从油井抽出的油量。其它测量装置可包括一般用于监视油井性能的其它装置，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成像(EIT)的MPFM系统40。在EIT中，多材料对象内的电导率或电容率分布从通过对象周围的电极进行的电气测量推断得出。传导电极附连到多材料对象的外围，并且交流电流或电压应用到一些或所有电极。测量结果电位或电流，并且为应用的电流和/或电压的不同配置或模式重复该过程。图2的MPFM系统40包括电极阵列42，该阵列包括在导管46周围分布的多个电极44。导管可包括其内携带多种材料或相位的容器，如管道或箱，或者这可包括另一器皿， 如人体的一部分或整个人体。在一个更具体的实施例中，视导管的大小和所需准确度而定， 电极的数量可以是八、十二或十六个。电极可直接附连到导管的内壁，一个实施例包括在需要时使用适合的涂层以确保良好的电接触。适当的电绝缘材料可在电极与导管壁之间提供。电极连接到电子调节电路48，该电路可包括耦合到计算机50的例如电流或电压源、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 单元等组件。在一个实施例中，计算机50包括配备有用于图像重构过程的数字信号处理器卡和用于显示图像的适合显示器52的个人计算机。在其它实施例中也可使用诸如现场可编程门阵列(FPGA)或复杂可编程逻辑装置(CPLD)等其它处理电路。根据本发明的一个实施例，通过跨电极44应用电压模式的电压集合来激励电极，这在导管中的多材料对象内产生旋转电场。在任何给定时间，使用一个或多个电压源将电压的一个模式应用到电极，并且测量每个电极中电流信号的对应集合。在一个实施例中，不是应用电压，而是通过将电流注入电极，使用一个或多个电流源来激励电极，并且测量跨电极的对应电压。图3是带有L个电极的应用电压的EIT系统的框图60。每个电极61连接到一个电路，该电路包括用于生成应用电压的电压源62及测量电流的安培计和直接测量应用电压的伏特计。交换网络63使得单个校准电路64能够连接到任何电压源/安培计/伏特计电路以允许整个系统被校准到单个参考。数字控制器(未示出)可接口于电压源(带有安培计和伏特计)、交换器，并且校准电路设置系统配置并收集电压和电流的数字测量。在应用电流而不是电压到电极的另一实施例中，使用电流源生成电流，电流源可例如包括直流源或电压电流转换器的系统。在电流和电压两者的实施例中，由计算机50(图2)处理结果测量，并且确定多材料对象内电阻抗或导纳分布的表示。随后，由计算机50进一步分析电阻抗或导纳分布以提供多材料对象的特性。多材料对象的特性例如可包括系统的材料的组成和分布。此外，也可分析电阻抗或导纳分布以确定多材料对象的各个材料的流态、相分率及速度。流态可例如包括但不限于泡状流、搅拌流(churn flow)、段塞流或环状流。在电压源实施例中，从一个电极流到另一电极的电流随跨所有电极应用的相对电压和在所有电极之间存在的材料的电导率和电容率而变化。例如，材料可以只是油，或者它可以是油和气体的混合物。视材料及其分布而定，所有电极之间的阻抗或导纳不同，并且电极之间流动的电流也不同。因此，从应用的电压集合和测量的电流集合，能够计算每对电极之间阻抗的阻抗集合或阻抗矩阵。类似地，从应用的电压集合和测量的电流集合，备选或附加地能够计算每对电极之间阻抗的导纳集合或导纳矩阵。由于阻抗和导纳随电极之间材料的电导率和电容率而变化，因此，通过分析阻抗或导纳网络，可确定材料分布及其特性。电压模式的电压集合在导管内产生旋转电场。旋转电场是一种电场，它以对应于应用的信号频率或其整数倍的恒定角速率来更改方向。这类似于旋转磁场，其是多相交流电机的操作中的一个关键原理，在该电机中，旋转磁场以恒定角速率来更改方向。图4示出为各种空间谐波模式在管道内模拟的几个示例电场。图形56、57、58和59 分别表示一次、二次、四次和八次谐波的电场。对于一次谐波模式，电场由并行直线组成，对于二次谐波模式，电场由一系列直角双曲线组成，对于四次和八次谐波模式，电场线弯曲， 虽然不是双曲线，但与它们有一定的相似性。旋转电场可通过应用电压模式的电压集合到电极而产生。假设跨管道有数量L个电极，则将跨电极应用的电压模式能够表示如下
权利要求
1.一种确定多材料对象的特性的方法(120)，包括将各个电信号模式的应用的电信号集合提供(122)到围绕所述对象的电极以用于产生旋转电场；在所述电极获得(124)对应于每个应用的电信号模式的电信号的测量的电信号集合；基于所述应用的电信号集合、所述测量的电信号集合和所述应用的电信号集合的逆来确定(126)所述对象的电网络表示；以及通过分析所述电网络来确定(128)所述多材料对象的特性。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述各个电信号模式的最大数量最多等于所述电极的数量的一半，以及其中所述电网络包括纯电阻元素。
3.如权利要求2所述的方法，其中确定所述电网络包括将所述应用的电信号集合转换成完全应用的电信号集合以及将所述测量的电信号集合转换成完全测量的电信号集合。
4.如权利要求3所述的方法，其中转换所述应用的电信号集合包括利用已知的电信号模式。
5.如权利要求3所述的方法，其中转换所述测量的电信号集合包括利用所述电网络的所述纯电阻性质。
6.如权利要求1所述的方法，其中确定所述特性包括确定在所述各个电信号模式的最大数量最多等于所述电极的数量一半时的新电网络。
7.如权利要求6所述的方法，其中确定所述新电网络包括基于所述电网络的电阻值来修改所述电网络。
8.如权利要求6所述的方法，其中确定所述特性包括通过用所述应用的电信号集合模拟它并最小化实际测量的电信号集合与模拟测量的电信号集合之间的误差来完善所述新电网络。
9.一种确定多材料对象的电网络表示的方法，包括将各个电信号模式的应用的电信号集合提供到围绕所述对象的电极以用于在所述对象内产生旋转电场；在所述电极获得对应于每个应用的电信号模式的电信号的测量的电信号集合；以及基于所述应用的电信号集合、所述测量的电信号集合和所述应用的电信号集合的逆来确定所述多材料对象的电网络表示。
10.一种多材料传感系统(40)，包括电源(62)，将各个电信号模式的应用的电信号集合提供到围绕多材料对象的电极以产生旋转电场；测量单元(62)，在所述电极获得对应于每个应用的电信号模式的电信号的测量的电信号集合；以及处理电路(50)，基于所述应用的电信号集合、所述测量的电信号集合和所述应用的电信号集合的逆来计算所述对象的电网络表示并且估计所述多材料对象的特性。
全文摘要
本发明名称为“分布式系统的电网络表示”。本文提供了一种用于确定多材料对象的特性的方法(12)。该方法包括通过将各个电信号模式的应用的电信号集合提供到围绕多材料对象的电极来产生旋转电场(122)。该方法还包括从电极获得对应于应用的每个电信号模式的电信号的测量的电信号(124)。基于应用的电信号集合、测量的电信号集合和应用的电信号集合的逆，确定电网络。该方法还包括通过分析电网络来确定多材料对象的特性(128)。
文档编号G01N27/02GK102183549SQ20111000995
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·班纳吉, H·K·皮莱, M·K·K·米塔尔, S·马哈林加姆, W·巴苏 申请人:通用电气公司