專利名稱：基于雙極性脈沖電流激勵的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于雙極性脈沖電流激勵的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
背景技術：
電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT)技術是當前兩相流過程層析成像(Process Tomography)技術的研究熱點之一。該技術具有非侵入性，成本低廉，速度快，安全性好以及操作維護簡單等特點，可應用于以連續(xù)相為導電性的氣液、液固兩相流參數(shù)檢測。電阻層析成像起源于上世紀20年代，地質(zhì)學家們提出了線性電極陣列的電阻率成像(Resistivity Imaging)技術。70年代，生物醫(yī)學研究者提出了圓形電極陣列的斷層電阻率測量技術(Tomographic Resistivity Measurement Technique)，發(fā)展成為醫(yī)學ERT(Electrical Resistance Tomography)技術。至20世紀80年代末期，醫(yī)學ERT技術被移植于工業(yè)領域，成為過程層析成像(Process Tomography，PT)技術的一種。由于測量對象從相對熟悉的人體轉(zhuǎn)變?yōu)閺碗s的工業(yè)過程，ERT技術需在硬件和軟件兩方面做許多工作，包括電極陣列設計的多樣化(如提出了金屬管壁測量對象的電極陣列設計方案)、檢測對象電阻率分布范圍的擴大、激勵電流幅值的提高等等。
當前，電阻層析成像技術離工業(yè)實際應用尚有一定的距離。ERT系統(tǒng)應用于實際兩相流系統(tǒng)參數(shù)測量目前存在的主要問題之一在于傳統(tǒng)的ERT系統(tǒng)基本上都是采用的高頻的交流正弦波作為激勵源進行觸發(fā)，這就不可避免地需要引入一系列的環(huán)節(jié)對交流信號進行處理，耗費了很多的數(shù)據(jù)采集時間，導致系統(tǒng)實時性能不盡人意。
雖然現(xiàn)有的高頻交流正弦波激勵的ERT系統(tǒng)對加快數(shù)據(jù)采集速度提出了很多改進和優(yōu)化措施，如采用并行測量、改進濾波器的濾波時間等，但由于其設計原理的局限，數(shù)據(jù)采集速度的提升空間有限。針對這一問題，本系統(tǒng)采用了不同的設計原理，利用雙向脈沖電流作為系統(tǒng)的激勵源，在測量的時間段內(nèi)，系統(tǒng)可以看作是受到了直流信號的激勵，這樣，一些傳統(tǒng)的ERT系統(tǒng)中耗時極大的環(huán)節(jié)就可以省略，同時系統(tǒng)還采用了并行測量的方法，這些措施較大的提高了數(shù)據(jù)的采集速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目地是提供了一種基于雙極性脈沖電流激勵的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
它依次具有電阻數(shù)據(jù)采集傳感器、電阻測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊和單片機控制模塊，單片機控制模塊分別與電阻測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊相連，電阻數(shù)據(jù)采集傳感器的電極通過高頻屏蔽線與電阻測量模塊的輸入端相連。
本發(fā)明的優(yōu)點1)系統(tǒng)激勵信號的改進本系統(tǒng)采用雙向脈沖電流源作為系統(tǒng)的激勵源，削弱了采用直流信號作為系統(tǒng)的激勵源時難以解決的電極化問題。從激勵信號上對現(xiàn)有的ERT系統(tǒng)進行一些改進。
2)較高的數(shù)據(jù)采集速度由于在數(shù)據(jù)采集時間間隔內(nèi)激勵電流可視作直流信號，傳統(tǒng)的采用高頻交流正弦波激勵的ERT系統(tǒng)中所必需的一些耗時的環(huán)節(jié)可以省略，這樣大大簡化了系統(tǒng)。同時，為了進一步的提高數(shù)據(jù)采集速度，在電阻/電壓轉(zhuǎn)換模塊中采用了并行測量的方法，只需在某一激勵電極對上激勵一次即可獲得其余檢測電極上的電壓值。
3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的微機化目前國內(nèi)外研制的系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有控制信號完全由計算機來控制實現(xiàn)。由于采集一幀電阻數(shù)據(jù)時電子線路的動作很多，因而需要大量的數(shù)據(jù)傳輸。一些系統(tǒng)中采用了并行接口卡來實現(xiàn)控制信號的實現(xiàn)，這種系統(tǒng)要求微機必須在距傳感器很近的地方，無法實現(xiàn)信號的遠距離傳輸，因而對于控制室距現(xiàn)場較遠的場所不能適用。本系統(tǒng)中采用了計算機和單片機的兩級控制模式，計算機作為系統(tǒng)的上層控制器只須發(fā)出有關的數(shù)據(jù)采集命令，具體的數(shù)據(jù)采集過程由下層控制器單片機來完成。下層的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上層的控制計算機之間的通訊內(nèi)容主要是電阻測量結(jié)果，因而可在較低通訊速度下實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)采集速度。
4)通訊系統(tǒng)的模塊化數(shù)據(jù)通訊電路采用了模塊化結(jié)構，根據(jù)使用中通訊距離的不同更換相應的模塊即可滿足要求。


圖1是基于雙極性脈沖電流激勵的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方框圖；
圖2是電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路框圖；圖3是電阻數(shù)據(jù)采集傳感器結(jié)構示意圖。
具體實施例方式
如圖2所示，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的具體電路實現(xiàn)如下電阻數(shù)據(jù)采集傳感器包括16個矩形的不銹鋼電極，每個不銹鋼電極與各自的電阻/電壓轉(zhuǎn)換通道相連，每個通道的設計完全一致，通道控制模塊接受單片機發(fā)出的通道控制信號，將激勵信號傳送到指定的激勵電極，其余的檢測電極上的電壓值全部被采樣保存，相應的檢測電極對的電壓差動信號通過通道控制模塊輸出，將正負兩個半周期的測量電壓差通過與數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換模塊輸出的平衡電壓值相減后，再通過增益可編程放大器程控放大，然后經(jīng)過模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換存入單片機，通道選擇、采樣/保持控制、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A)輸出控制、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)采樣控制、增益可編程放大器(PGA)增益設置等均由單片機(W77E58)完成。模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機通過通訊模塊送至上位PC機進行數(shù)據(jù)處理。
通訊模塊收發(fā)串行通訊的數(shù)字信息。為適應不同現(xiàn)場對數(shù)據(jù)傳輸速度和距離的需要，該儀表以RS232和RS422接口標準來滿足不同傳輸速度和距離的需要。RS232接口標準適合于近距離，低速通訊，它只占用PC機的一個串口；RS422接口標準的通訊距離遠，速度塊，適合工業(yè)現(xiàn)場，它要求PC機配有RS232/RS422轉(zhuǎn)換器；采用不同通訊接口時只需更換儀表的通訊模塊。本系統(tǒng)中采用了16C550芯片為系統(tǒng)的通訊控制器，通訊的波特率可達921.6Kbps。為提高通訊系統(tǒng)的抗干擾性能，采用了隔離電源給通訊電路供電。計算機與單片機間的通訊以幀應答的方式實現(xiàn)。同時在通訊數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議中采用了CRC-CCITT型校驗碼，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> 計算機與單片機間的通訊以幀應答的方式實現(xiàn)。為了實現(xiàn)計算機對ERT系統(tǒng)的各種操作，設計了各種指令，包括設定平衡電壓、設定PGA的增益、設定儀表的配置數(shù)據(jù)、讀指定電極間的電阻值、讀平衡電壓、讀PGA增益、讀儀表配置數(shù)據(jù)、讀單幀電阻值、進入連續(xù)電阻測量狀態(tài)、進入單幀電阻測量狀態(tài)、系統(tǒng)自檢(檢查儀表配置數(shù)據(jù))、儀表復位(單片機復位)、讀版本信息、讀設計者信息、寫指定的單片機內(nèi)部寄存器、讀指定的單片機內(nèi)部寄存器。
本電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較傳統(tǒng)的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言結(jié)構簡單，成本低，體積小巧，采集速度高，抗干擾能力強。該系統(tǒng)的實時成像速度主要取決于系統(tǒng)的雙向脈沖電流源的頻率、采樣/保持器的采樣保持時間、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間、以及與上位機的通訊速度。本系統(tǒng)中采用了新型的電流源器件DH901B，其激勵頻率可達2.5KHz，同時由于采用了并行測量方式，只需雙向激勵14次就可以測得一幀104個測量值。A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換均選用了高速器件AD774和AD667，其轉(zhuǎn)換時間分別為8.5μS和4μS，經(jīng)實驗測試，該電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度有了明顯的提高，達到了60幀/秒。若計算數(shù)據(jù)通訊時間，其最高數(shù)據(jù)采集速度可達50幀/秒。
如圖3所示，電阻數(shù)據(jù)采集傳感器具有傳感管段2，傳感管段兩端通過連接法蘭1與被測管道相連，傳感器腔內(nèi)壁等間距開有16個矩形槽，矩形槽內(nèi)嵌有不銹鋼矩形電極7，不銹鋼電極由矩形電極片和不銹鋼螺桿兩部分組成，矩形電極片的幾何中心被鑿開一個螺孔，然后用不銹鋼螺桿4旋入，不銹鋼電極從傳感管段的螺孔引出，用墊圈3和不銹鋼螺母5旋緊固定，在電極和傳感管段螺孔之間填充防漏填充料6以防滲漏，電極的輸出端通過高頻屏蔽線與電導測量模塊相連。
電阻數(shù)據(jù)采集傳感器的傳感管段內(nèi)徑為80mm，電極張角為7.16°電極片尺寸為5mm×50mm，長度與管道直徑之比為5∶8。電阻數(shù)據(jù)采集傳感器的傳感管段采用聚乙烯材料，傳感管段的管長500～1000mm，公稱直徑20mm～160mm，公稱最大壓力1.0MPa。
權利要求
1.一種基于雙極性脈沖電流激勵的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于它依次具有電阻數(shù)據(jù)采集傳感器、電阻測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊和單片機控制模塊，單片機控制模塊分別與電阻測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊相連，電阻數(shù)據(jù)采集傳感器的電極通過高頻屏蔽線與電阻測量模塊的輸入端相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于雙極性脈沖電流激勵的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于具體電路電阻數(shù)據(jù)采集傳感器包括16個矩形的不銹鋼電極，每個不銹鋼電極與各自的電阻/電壓轉(zhuǎn)換通道相連，通道控制模塊與電阻數(shù)據(jù)采集傳感器、激勵模塊、采樣/保持器1、采樣/保持器2相連，它將雙向電流源的激勵電流送入指定的激勵電極激勵被測介質(zhì)，感應電壓通過電阻/電壓轉(zhuǎn)換通道，被通道控制模塊送入到了指定的采樣/保持器1和2中保存；采樣/保持器1、采樣/保持器2的輸出端分別連接差動放大器的兩個輸入端，采樣/保持器1和2中保存的正負兩個半周期的測量電壓與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出的平衡電壓值相減后，再通過增益可編程放大器程控放大，然后經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換存入單片機。雙向電流源、通道選擇模塊、采樣/保持器1、采樣/保持器2、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、增益可編程放大器的控制端均與單片機連接，通道選擇、采樣/保持器控制、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出控制、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣控制、增益可編程放大器增益設置等均由單片機完成，模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機通過通訊模塊送至上位PC機進行數(shù)據(jù)處理。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于雙極性脈沖電流激勵的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所說的電阻數(shù)據(jù)采集傳感器它具有傳感管段(2)，傳感管段兩端通過連接法蘭(1)與被測管道相連，傳感器腔內(nèi)壁等間距開有16個矩形槽，矩形槽內(nèi)嵌有不銹鋼矩形電極(7)，不銹鋼電極由矩形電極片和不銹鋼螺桿兩部分組成，矩形電極片的幾何中心被鑿開一個螺孔，然后用不銹鋼螺桿(4)旋入，不銹鋼電極從傳感管段的螺孔引出，用墊圈(3)和不銹鋼螺母(5)旋緊固定，在電極和傳感管段螺孔之間填充防漏填充料(6)以防滲漏，電極的輸出端通過高頻屏蔽線與電導測量模塊相連。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于雙極性脈沖電流激勵的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所說的電阻數(shù)據(jù)采集傳感器的傳感管段內(nèi)徑為80mm，電極張角為7.16°電極片尺寸為5mm×50mm，長度與管道直徑之比為5∶8。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種基于雙極性脈沖電流激勵的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所說的電阻數(shù)據(jù)采集傳感器的傳感管段采用聚乙烯材料，傳感管段的管長500～1000mm，公稱直徑20mm～160mm，公稱最大壓力1.0MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙極性脈沖電流激勵的電阻層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于它依次具有電阻數(shù)據(jù)采集傳感器、電阻測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊和單片機控制模塊，單片機控制模塊分別與電阻測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊相連，電阻數(shù)據(jù)采集傳感器的電極通過高頻屏蔽線與電阻測量模塊的輸入端相連。本發(fā)明實現(xiàn)電阻測量電路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一體化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的微機化，通訊系統(tǒng)的模塊化。
文檔編號G01V3/02GK1544959SQ20031010866
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月12日 優(yōu)先權日2003年11月12日
發(fā)明者黃志堯, 黃海波, 冀海峰, 王保良, 李海青 申請人:浙江大學