專利名稱：一種基于雙模態(tài)層析成像的多相流成像測(cè)量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多相流體成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于雙模態(tài)(ECT/EMT)層析成像技 術(shù)的裝置。
背景技術(shù)：
多相流動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在于石油、化工、能源動(dòng)力等現(xiàn)代工程領(lǐng)域。多相流的測(cè)量對(duì) 生產(chǎn)過程的監(jiān)控、故障診斷等具有重要意義。電學(xué)層析成像技術(shù)(Electrical Tomography, ET)是自上世紀(jì)80年代后期出 現(xiàn)的一種新的層析成像技術(shù)。它采用非侵入手段，通過斷層成像揭示被測(cè)對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu) 及參數(shù)分布，實(shí)現(xiàn)可視化測(cè)量。它在工業(yè)及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，可以實(shí)現(xiàn) 長(zhǎng)期、持續(xù)監(jiān)測(cè)。電學(xué)層析成像技術(shù)主要包括電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography, ERT) > ^WMIiT(Electrical Capacitance Tomography, ECT) >
Mt- (Electrical MagneticTomography，EMT，iii口胃j^Mi/fi^itMiignetic induction tomography, MIT)。William DaiIy(Wi11iam Daily, Abelardo Ramirez, Binley Andrew M, LaBrecque Douglas, Electical Resistance Tomography. The Leading Edge,23(5). pp. 438-442. 2004)、Beck, M S(Beck MS, Byars M, Dyakowski T, Waterfall R, He R, Wang S J, Yang, W Q, Principles and industrialapplications of electrical capacitance tomography. MEAS CONTROL. Vol. 30，no. 7，pp.197-200.1997)、H Griffiths(H Griffiths, Magnetic inductiontomography. Meas. Sci. Technol. 12(2001) 1126-1131.)分別給出 了 ERT、ECT及EMT的測(cè)量原理，它們可以分別對(duì)導(dǎo)電物質(zhì)、介電物質(zhì)和既導(dǎo)電又導(dǎo)磁物質(zhì)進(jìn)行測(cè)量° Robert Merwa(RobertMerwa, Hermann Scharfetter, Magnetic induction tomography comparison of the image qualityusing different types of receivers. Physiol.Meas.29 (2008)S417-S429. ), A J Peyton (A J Peyton, Z ZYu, G Lyon, S Al-Zeibak, J Ferre-ira, J Velez, F Linhares, A R Borges, H L Xiong, N H Saunders, M S Beck, An overview of electromagnetic inductance tomography !description of three differentsystems. Meas. Sci. Technol. 7 (1996) 261-271.)對(duì)線圈的設(shè)計(jì)也提出了 一些建議。但是這些測(cè)量方法也有各自的局限。例如ECT無法正確準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)電物質(zhì)，而 ERT無法測(cè)量導(dǎo)磁和介電物質(zhì)。它們都無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電、導(dǎo)磁和介電物質(zhì)的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上提到的現(xiàn)有多相流測(cè)量中電學(xué)層析成像技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明 提供一種雙模態(tài)(ECT和EMT)電學(xué)層析成像裝置，可以同時(shí)測(cè)量導(dǎo)電、導(dǎo)磁和介電物質(zhì)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的—種基于雙模態(tài)層析成像的多相流成像測(cè)量裝置，用于對(duì)流經(jīng)待測(cè)管道的流體進(jìn) 行多相流成像測(cè)量，包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、模擬選通開關(guān)、傳感器陣列、信號(hào)調(diào)理和采集單元和上位計(jì)算機(jī)；傳感器陣列包括分布在待測(cè)管道外部同一個(gè)截面上的至少兩個(gè)激勵(lì)傳 感器及至少兩個(gè)接收傳感器，激勵(lì)傳感器為平板線圈，接收傳感器包括一個(gè)接收板和與其 相連的平板線圈，兩個(gè)平板線圈均由線芯為平板形的絕緣平板導(dǎo)線同軸層疊繞制而成，接 收板的寬度大于與其相連的平板線圈；激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元包括兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源，模擬選通 開關(guān)用于選通激勵(lì)傳感器，兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源輸出的信號(hào)經(jīng)過功率放大后接在被選通的激勵(lì) 傳感器的兩端，接收傳感器所感應(yīng)的信號(hào)經(jīng)由信號(hào)調(diào)理和采集單元處理后被送入上位計(jì)算 機(jī)，測(cè)量裝置的模態(tài)由兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源確定，若兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源輸出相同波形、幅值和相位 的交流信號(hào)，則測(cè)量裝置用于介電物質(zhì)的成像測(cè)量，若兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源輸出相同波形、幅值 和相反相位的交流信號(hào)，則測(cè)量裝置用于導(dǎo)電或?qū)Т盼镔|(zhì)的成像測(cè)量；上位機(jī)通過模擬選 通開關(guān)一次選通一個(gè)激勵(lì)傳感器，對(duì)其施加激勵(lì)信號(hào)，并控制信號(hào)調(diào)理和采集單元依次采 集各個(gè)接收傳感器感應(yīng)的信號(hào)，根據(jù)由兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源所確定的模態(tài)，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn) 行圖像重建，得到電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率或介電常數(shù)的分布圖像，從而得到多相流體的分布。作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的基于雙模態(tài)(ECT/EMT)層析成像技術(shù)的多相流成像 測(cè)量裝置，平板線圈均為矩形結(jié)構(gòu)；平板線圈的長(zhǎng)lOmm-lOOmm，寬lOmm-lOOmm，其所采用的 絕緣平板導(dǎo)線的寬度為lmm-20mm，厚度為0. Olmm-lmm，繞線的匝數(shù)為1-1000匝；所述的接 收板寬度為lOmm-lOOmm，厚度為0. Olmm-lmm。本發(fā)明同時(shí)提供一種利用上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的多相流成像測(cè)量方法，包括下列步驟(1)根據(jù)被測(cè)物質(zhì)的不同，選擇測(cè)量的模態(tài)，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)導(dǎo)電或者導(dǎo)磁時(shí)，在激勵(lì) 傳感器兩端分別加載輸出相同波形、幅值和相反相位的交流信號(hào)的兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源，當(dāng)被 測(cè)物質(zhì)為介電物質(zhì)時(shí)，在激勵(lì)傳感器兩端分別加載輸出相同波形、幅值和相位的交流信號(hào) 的兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源；(2)通過模擬選通開關(guān)一次選通一個(gè)激勵(lì)傳感器，對(duì)其施加激勵(lì)信號(hào)，由信號(hào)調(diào)理 和采集單元依次采集各個(gè)接收傳感器感應(yīng)的信號(hào)，并將其送入上位計(jì)算機(jī)；(3)根據(jù)由兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源所確定的模態(tài)，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，得到電 導(dǎo)率、磁導(dǎo)率或介電常數(shù)的分布圖像，從而得到多相流體的分布。上述的圖像重建過程可以包括下列步驟(1)利用所采集的數(shù)據(jù)得到靈敏度矩陣S(MXN)，其中M是獨(dú)立測(cè)量數(shù)，N為像素 數(shù)，設(shè)激勵(lì)傳感器個(gè)數(shù)為m，接收傳感器個(gè)數(shù)為n，那么獨(dú)立測(cè)量數(shù)M為mXn ；(2)建立基于靈敏度矩陣的線性化模型，對(duì)其歸一化g = S—1入，其 中，、是由各個(gè)測(cè)量值組成的MX 1階向量矩陣，用ST代替S—1，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)
布，
是最小平方解的約束，CI即為標(biāo)準(zhǔn)Tikhonov正則因子，取值范圍為le-5到 le-3 ；(3)求取目標(biāo)函數(shù)的最小平方解的近似解# = + 1纊義，其中(STS+a 1廣 為Tikhonov正則化過程，I為單位矩陣；(4)由各個(gè)像素上的灰度值進(jìn)行成像。本發(fā)明的測(cè)量方法，所采用的像素?cái)?shù)N可以為4-1000000之間
本發(fā)明的裝置和方法，能夠用在多相流測(cè)量中得到流體的導(dǎo)電或?qū)Т艆?shù)，進(jìn)而判斷是何種物質(zhì)。該發(fā)明是對(duì)之前電學(xué)層析成像技術(shù)的擴(kuò)展和補(bǔ)充，通過對(duì)激勵(lì)傳感器和 接收傳感器的改進(jìn)并采用兩種激勵(lì)方式，將ECT和EMT的測(cè)量原理組合在一起，即能測(cè)量導(dǎo) 電導(dǎo)磁物質(zhì)也能測(cè)量介電物質(zhì)，克服了傳統(tǒng)電學(xué)層析成像單一測(cè)量的不足，使其更適于工 業(yè)和生物醫(yī)學(xué)中多相流的測(cè)量。


圖1是本發(fā)明的基于雙模態(tài)(ECT/EMT)層析成像技術(shù)的多相流成像測(cè)量裝置原理 圖；圖2是4個(gè)激勵(lì)傳感器4個(gè)接收傳感器雙模態(tài)(ECT/EMT)層析成像裝置示意圖；圖3是單個(gè)激勵(lì)傳感器和接收傳感器所組成的傳感對(duì)的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。參見圖1，本發(fā)明中的裝置是由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、功率放大器、模擬選通開關(guān)、激 勵(lì)傳感器、接收傳感器、信號(hào)調(diào)理和采集單元、上位計(jì)算機(jī)組成。一個(gè)激勵(lì)傳感器和一個(gè)接 收傳感器可組成一個(gè)傳感對(duì)，且激勵(lì)傳感器和接收傳感器不可交換。激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元為 激勵(lì)線圈提供不同的激勵(lì)方式，可采用直接數(shù)字合成(DDS)芯片AD7008，該芯片可以產(chǎn)生 不同幅度和相位的正弦激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)的幅度和相位可由計(jì)算機(jī)設(shè)置，通過功率放大 器放大后加到激勵(lì)線圈上。上位計(jì)算機(jī)控制信號(hào)調(diào)理和采集單元對(duì)接收傳感器上感應(yīng)信號(hào)的采集，其中的采 集順序由模擬選通開關(guān)控制。通常，對(duì)于本發(fā)明的雙模態(tài)(ECT/EMT)層析成像，若激勵(lì)傳感 器個(gè)數(shù)為m，接收傳感器個(gè)數(shù)為n，那么獨(dú)立測(cè)量數(shù)M為mXn。模擬選通開關(guān)將功率放大器輸出的信號(hào)分配到需要的激勵(lì)線圈上，模擬開關(guān)的電 流承受值應(yīng)為IOmA至IA之間。模擬選通開關(guān)可以采用MAXIUM公司的大電流開關(guān)芯片(如 MAX4656)。圖2為4激勵(lì)傳感器4接收傳感器雙模態(tài)(ECT/EMT)層析成像裝置示意圖；4個(gè) 激勵(lì)傳感器和4個(gè)接收傳感器分別布置在圓柱形管道的兩側(cè)。如圖所示，1及其上方的三個(gè) 線圈為4個(gè)激勵(lì)傳感器，2及其下方的三個(gè)線圈表示4個(gè)接收傳感器。3為圓柱形管道。圖3為單個(gè)激勵(lì)傳感器和接收傳感器組成的傳感對(duì)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1為激勵(lì)線 圈，2為接收板，3為接收線圈，4和5為兩個(gè)電源，用以組成不同的激勵(lì)方式。6為低阻抗分 流器。激勵(lì)線圈和接收線圈同為矩形結(jié)構(gòu)，都由絕緣平板導(dǎo)線繞制而成，導(dǎo)線的寬度遠(yuǎn) 大于其厚度。激勵(lì)線圈導(dǎo)線的寬度為lmm-20mm，厚度為O.Olmm-lmm，繞線的匝數(shù)為1-1000 匝。接收線圈導(dǎo)線的寬度為lmm-20mm，厚度為O.Olmm-lmm，繞線的匝數(shù)為1-1000匝。接收板 寬度為lOmm-lOOmm，厚度為0. Olmm-lmm。線圈為同心結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)lOmm-lOOmm，寬lOmm-lOOmm。由模擬選通開關(guān)選通一個(gè)激勵(lì)傳感器，對(duì)其進(jìn)行正弦電流激勵(lì)，并在兩種工作模 式下，對(duì)η個(gè)接收傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將所測(cè)的數(shù)據(jù)通過放大和解調(diào)送入數(shù)據(jù)采集板。之 后，對(duì)下一個(gè)激勵(lì)傳感器進(jìn)行激勵(lì)，同樣對(duì)所有的η個(gè)接受傳感器數(shù)據(jù)采集。以此類推，可以得到mXn個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。最后對(duì)兩種情況下所測(cè)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行圖像重建。本發(fā)明采用Tikhonov正則算 法實(shí)現(xiàn)，有關(guān)改算法，現(xiàn)有技術(shù)多有論述，過程如下(1)利用測(cè)量數(shù)據(jù)得到靈敏度矩陣S(MXN)，其中M是獨(dú)立測(cè)量數(shù)，N為像素?cái)?shù)，設(shè) 激勵(lì)傳感器個(gè)數(shù)為m，接收傳感器個(gè)數(shù)為n，那么獨(dú)立測(cè)量數(shù)M為mXn。(2)為了簡(jiǎn)化問題，可用基于靈敏度矩陣的線性化模型，并用歸一化形式λ = Sg 表示，則g = S—1 λ。λ是測(cè)量值組成的MXl階向量矩陣，由于S陣往往不是方陣，且是病 態(tài)的，故可用St來代替S—1。Tikhonov正則化過程的思想是通過最小化目標(biāo)函數(shù)來求取灰
度值g。目標(biāo)函數(shù)對(duì)
。式中，—是灰度值g的估計(jì)解，表征
了物場(chǎng)電學(xué)特征分布。
是最小平方解的約束。α即為標(biāo)準(zhǔn)Tikhonov正則因子， 其與圖像最終平滑度相關(guān)，取值范圍為le-5到le-3。(3)由于靈敏度矩陣的欠定性，可求的灰度值的最小平方解的近似解 g = (STS+ Cdy1 Stλ。其中(STS+a I)—1為Tikhonov正則化過程，I為單位矩陣。(4)最后由各個(gè)像素上的灰度值可以進(jìn)行成像。
權(quán)利要求
一種基于雙模態(tài)層析成像的多相流成像測(cè)量裝置，用于對(duì)流經(jīng)待測(cè)管道的流體進(jìn)行多相流成像測(cè)量，包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、模擬選通開關(guān)、傳感器陣列、信號(hào)調(diào)理和采集單元和上位計(jì)算機(jī)；其特征在于，所述的傳感器陣列包括分布在待測(cè)管道外部同一個(gè)截面上的至少兩個(gè)激勵(lì)傳感器及至少兩個(gè)接收傳感器，所述的激勵(lì)傳感器為平板線圈，所述的接收傳感器包括一個(gè)接收板和與其相連的平板線圈，所述的兩個(gè)平板線圈均由線芯為平板形的絕緣平板導(dǎo)線同軸層疊繞制而成，接收板的寬度大于與其相連的平板線圈；所述的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元包括兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源，所述的模擬選通開關(guān)用于選通激勵(lì)傳感器，兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源輸出的信號(hào)經(jīng)過功率放大后接在被選通的激勵(lì)傳感器的兩端，接收傳感器所感應(yīng)的信號(hào)經(jīng)由信號(hào)調(diào)理和采集單元處理后被送入上位計(jì)算機(jī)，測(cè)量裝置的模態(tài)由兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源確定，若兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源輸出相同波形、幅值和相位的交流信號(hào)，則測(cè)量裝置用于介電物質(zhì)的成像測(cè)量，若兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源輸出相同波形、幅值和相反相位的交流信號(hào)，則測(cè)量裝置用于導(dǎo)電或?qū)Т盼镔|(zhì)的成像測(cè)量；上位機(jī)通過模擬選通開關(guān)一次選通一個(gè)激勵(lì)傳感器，對(duì)其施加激勵(lì)信號(hào)，并控制信號(hào)調(diào)理和采集單元依次采集各個(gè)接收傳感器感應(yīng)的信號(hào)，根據(jù)由兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源所確定的模態(tài)，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，得到電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率或介電常數(shù)的分布圖像，從而得到多相流體的分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙模態(tài)層析成像的多相流成像測(cè)量裝置，其特征在于， 所述的平板線圈均為矩形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙模態(tài)層析成像的多相流成像測(cè)量裝置，其特征在 于，所述的平板線圈的長(zhǎng)lOmm-lOOmm，寬lOmm-lOOmm，其所采用的絕緣平板導(dǎo)線的寬度為 lmm-20mm，厚度為0. Olmm-lmm，繞線的匝數(shù)為1-1000匝；所述的接收板寬度為lOmm-lOOmm， 厚度為 0. Olmm-lmm。
4.一種采用權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的多相流成像測(cè)量方法，其特征在于，包 括下列步驟(1)根據(jù)被測(cè)物質(zhì)的不同，選擇測(cè)量的模態(tài)，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)導(dǎo)電或者導(dǎo)磁時(shí)，在激勵(lì)傳感 器兩端分別加載輸出相同波形、幅值和相反相位的交流信號(hào)的兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源，當(dāng)被測(cè)物 質(zhì)為介電物質(zhì)時(shí)，在激勵(lì)傳感器兩端分別加載輸出相同波形、幅值和相位的交流信號(hào)的兩 個(gè)激勵(lì)信號(hào)源；(2)通過模擬選通開關(guān)一次選通一個(gè)激勵(lì)傳感器，對(duì)其施加激勵(lì)信號(hào)，由信號(hào)調(diào)理和采 集單元依次采集各個(gè)接收傳感器感應(yīng)的信號(hào)，并將其送入上位計(jì)算機(jī)；(3)根據(jù)由兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)源所確定的模態(tài)，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，得到電導(dǎo) 率、磁導(dǎo)率或介電常數(shù)的分布圖像，從而得到多相流體的分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多相流成像測(cè)量方法，其特征在于，步驟(3)包括以下步驟(1)利用所采集的數(shù)據(jù)得到靈敏度矩陣S(MXN)，其中M是獨(dú)立測(cè)量數(shù)，N為像素?cái)?shù)，設(shè) 激勵(lì)傳感器個(gè)數(shù)為m，接收傳感器個(gè)數(shù)為n，那么獨(dú)立測(cè)量數(shù)M為mXn ；(2)建立基于靈敏度矩陣的線性化模型，對(duì)其歸一化g= S—1入，其中， 入是由各個(gè)測(cè)量值組成的MX 1階向量矩陣，用ST代替S—1，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)g{a) = min+a l(g-g ，式中，_是灰度值g的估計(jì)解，表征物場(chǎng)電學(xué)特征分布，是最小平方解的約束，a即為標(biāo)準(zhǔn)Tikhonov正則因子，取值范圍為le-5到 le-3 ；(3)求取目標(biāo)函數(shù)的最小平方解的近似解+纊/I，其中(SS+air1為 Tikhonov正則化過程，I為單位矩陣；(4)由各個(gè)像素上的灰度值進(jìn)行成像。
6.根據(jù)權(quán)利5所述的多相流成像測(cè)量方法，其特征在于，所述的像素?cái)?shù)N為4-1000000 之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于電磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于電磁傳感器的線材圓度測(cè)量裝置，其電磁傳感器包括由4個(gè)相同的線圈兩兩配對(duì)構(gòu)成的2組線圈對(duì)，4個(gè)線圈分布在一個(gè)圓周上，構(gòu)成每組線圈對(duì)的兩個(gè)線圈的中軸連線均經(jīng)過圓心；由上位計(jì)算機(jī)控制通過多路模擬開關(guān)一次選通兩組線圈對(duì)中的一對(duì)，其兩個(gè)線圈，一個(gè)與電感測(cè)量?jī)x的激勵(lì)信號(hào)輸出端相連，一個(gè)與電感測(cè)量?jī)x的測(cè)量信號(hào)輸入端相連，在無線材存在的空?qǐng)龊陀芯€材存在的滿場(chǎng)情況下分別采集電感測(cè)量?jī)x輸出的電感值個(gè)電感值導(dǎo)入上位計(jì)算機(jī)，上位計(jì)算機(jī)根據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)即可判斷線材的圓度。本發(fā)明同時(shí)提供一種采用上述測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的線材圓度測(cè)量方法。本發(fā)明最大優(yōu)點(diǎn)是非接觸式測(cè)量線材的圓度，并且可以實(shí)時(shí)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N27/74GK101871906SQ20101021108
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者尹武良, 趙倩 申請(qǐng)人:天津大學(xué)