（控制科学与工程专业论文）具有实时相位补偿特性的电阻层析成像测量系统设计.pdf

7 滔 d e s i g no fa ne l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h i c m e a s u r e m e n ts y s t e mw i t hr e a lt i m ep h a s e c o m p e n s a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h e d e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w uh u a t u a n s u p e r v i s o r ：p r o f s h it i a n m i n g c o l l e g eo fi n f o r m a t i o n & c o n t r o le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r 0 1 e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：乏玄辫日期：孙7 年 多月乃日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：矽f 年 日期：7 矽刃年 舌月1 0 日 厶af 移e l 摘要 电阻层析成像( e i 玎) 作为一种新兴的检测技术，可提供过程参数的在线测量，并 具有可视化、非侵入、成本低、安全性能好等诸多优点，长期以来应用于连续相为导电 液体的两相流参数检测。 在e r t 测量系统的硬件设计过程中，检测精度和速度是两项至关重要的设计指标。 本文针对实验室先前设计的一代e r t 系统样机进行改进，旨在原系统的基础上进一步 提高静态和动态性能，设计出更适合工业应用的e r t 系统，主要完成了以下工作： 1 新的e r t 硬件设计增加了相位差检测和补偿的测量方案，整个硬件系统的设计包 括信号发生、电极选通控制、电极驱动、模拟信号调理、相位差检测补偿、a d 转换和 数据采集等模块电路。电极驱动电路的设计有效的改善了微弱信号的传输质量。相位差 检测补偿电路的引入，降低了不同电极测量时信号相位变化对解调输出带来的影响。根 据测量信号相位的变化对参考信号相位进行补偿可增大解调电路的输出信号，并最终改 善成像效果。 2 结合硬件设计，开发了基于v i s u a lb a s i cg u i 的数据采集软件，可灵活设定激励 电流源和参考信号的频率、幅度和相位信息、系统的采样速率、采样点数等；通过调用 v i s u a lc + + 和o p e n g l 技术编写的线性反投影( l b p ) 成像算法，该软件可以很方便的 实现数据的采集、存储和实时成像功能。 3 在各硬件模块电路调试成功的基础上，结合1 6 电极e r t 模拟两相流装置，对系 统的整体性能进行了测试。在实验室条件下完成了静态和动态实验，结果表明在测量的 稳定性和可靠性方面，新设计的e r t 系统较一代样机有更好的性能表现。通过对不同 实验模型下的成像效果进行分析比较，表明基于相位补偿的测量方案可有效的提升e r t 系统的性能。 关键词：电阻层析成像，锁定放大，相位检测补偿，o p e n g l 一 k d e s i g no fa ne l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h i cm e a s u r e m e n t s y s t e mw i t hr e a lt i m ep h a s ec o m p e n s a t i o n w u h u a t u a n ( c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rs h i t i a n m i n g a b s t r a c t e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ( e r t ) i san e wm e a s u r e m e n tt e c h n i q u em a tc a n p r o v i d eo n 。l i n ep r o c e s sm e a s u r e m e n tw i t ho b v i o u s a d v a n t a g e s o fp r o c e s s i m a g i n g 功 n o n - i n t r u s i v es e n s i n ga n dr e l a t i v el o wc o s ti na d d i t i o nt oi t si n h e r e n ts a f e o p e r a t i o np r i n c i p l e t h et e c h n i q u eh a sl o n gb e e na p p l i e dt om e a s u r ec o n d u c t i v e l i q u i db a s e dt w o - p h a s ef l o 、矾 h lt h ed e s i g no fe r tm e a s u r e m e n ts y s t e mh a r d w a r e ，i ti si m p o r t a n tt of o c u so n b o t ht h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dt h es p e e da tw h i c ht h ec o m p l e t em e a s u r e m e n ti st a k e n t h ew o r k p r e s e n ti nt h i st h e s i si sam o d i f i c a t i o nd e s i g no n a p r o t o t y p ee r ts y s t e md e s i g n e dp r e v i o u s l y i nt h el a b ，a i m i n ga ti m p r o v i n gb o t hs t a t i ca n d d y n a m i cm e 矗u r e m e n tp e r f o r m a n c e 删e v e d w i t ht h eo r i g i n a ls y s t e ma n dp r o d u c i n gab e t t e rd e s i g nt h a t i sm o r es u i t e dt oi i l d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n dw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h en e we r th a r d w a r e d e s i g nh a sa d d e dap h a s ed i f f e r e n c ed e t e c t i o na i l d c o m p e n s a t i o nm e a s u r e m e n ts c h e m e t h es y s t e md e s i g nc o v e r st h ec i r c u i t sd e s i g no ns i g n a l g e n e r a t i o n , e l e c t r o d es e l e c t i o nc o n t r o l ，e l e c t r o d e d r i v i n g ，c o n d i t i o n i n go fa n a l o gs i g n a l c h a n n e l ，p h a s ed i f f e r e n c ed e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i o n , a dc o n v e r s i o na n dd a t aa c q u i s i t i o n t h ee l e c t r o d ed r i v i n gc i r c u i t si sr e d e s i g n e dt o i m p r o v et h ew e a ks i g n a lm e a s u r 锄e i l t t h e a d d i t i o no f p h a s ed e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i o nc i r c u i tr e d u c e st h ee f f e c t so f p h a s ev a r i a t i o no n d e m o d u l a t i o no u t p u ta m o n gt h ed i f f e r e n tm e a s u r e m e n t s t h ec o m p e n s a t i o no f p h a s ev 撕a t i o n c o u l di n c r e a s et h eo u t p u to fd e m o d u l a t i o nc i r c u i tw h i c h u l t i m a t e l yw o u l di m p r o v ei m a g i n g 2 i nc o n j u n c t i o nw i t ht h eh a r d w a r ed e s i g n ，d e v e l o p e dav i s u a lb a s i cg u i b a s e dd a t a a c q u i s i t i o ns o f t w a r ew h i c hi sa b l et os e tt h ef r e q u e n c y , a m p l i t u d ea n dp h a s eo f m e a s u r i n g c u r r e n ts o u r c ea n dt h er e f e r e n c es i g n a l ，t h es a m p l i n gr a t ea n dd a t ap o i n t s t h es o f t w a r ec a n p e r f o r mf u n c t i o n ss u c ha sd a t ac o l l e c t i o n , s t o r i n ga n do n - l i n e i m a g i n gu s i n gal i n e a rb a c k p r o j e c t i o n ( l b p ) a l g o r i t h mp r o g r a m m e d w i t hv i s u a lc + + a n do p e n g ll i b r a r y 3 i n a d d i t i o nt oe a c hh a r d w a r ec i r c u i tm o d u l ed e b u g g i n g ，t h eo v e r a l l s y s t e m p e r f o r m a n c e i st e s t e dw i ma16e l e c t r o d et e s t i n gp h a n t o m b o t hs t a t i ca n dd y n a m i c e x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e di nt h el a b t h er e s u l ts h o w st h a tt h en e wd e s i g nh a sa c h i e v e da b e t t e rp e r f o r m a n c et h a ni t sp r e v i o u sp r o t o t y p ew i t hr e g a r d i n gt om e a s u r e m e n ts t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y i m a g i n gp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n t c i r c u m s t a n c e sa r e a l s oa n a l y z e da n d c o m p a r e da c c o r d i n gt od i f f e r e n te x p e r i m e n t a ls e t u p i ts h o w st h a tp h a s ec o m p e n s a t i o nb a s e d e r tm e a s u r e m e n ts c h e m ec a ni m p r o v ee r t p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y , l o c k i na m p l i f i e r , p h a s ed e t e c t i o na n d c o m p e n s a t i o n , o p e n g l 目录 第1 章绪论- 1 1 1 多相流检测概述1 1 1 1 多相流概念一1 1 1 2 多相流检测的意义1 1 1 - 3 多相流检测的主要技术2 1 2 电阻层析成像技术一3 1 2 1 电阻层析成像的原理与构成3 1 2 2 电阻层析成像技术的国内外研究现状一4 1 2 3 电阻层析成像技术的关键问题及发展前景一6 1 3 本论文的主要工作与内容7 第2 章电阻层析成像的理论基础9 2 1 电阻层析成像数学建模9 2 1 1e r t 数理模型9 2 1 2e r t 技术的正反问题与l b p 算法1 0 2 2 锁定放大技术1 1 2 2 1 模拟乘法型解调原理：1 2 2 2 2 开关型解调原理1 3 第3 章电阻层析成像模块电路设计。1 5 3 1 控制单元15 3 2 信号发生单元1 6 3 2 1 基于d d s 的正弦电压发生器1 6 3 2 2 压控电流源设计2 1 3 2 3 压控电流源性能测试2 2 3 3 电极逻辑选通单元2 4 3 4 电极驱动模块2 4 3 5 信号调理电路2 6 3 5 1 前置差分放大电路2 6 3 5 2 程控放大电路2 7 3 5 3 解调电路2 9 3 5 4 解调低通滤波电路性能分析3 0 3 6 数据采集单元3 3 3 7 程控放大幅度监测3 4 3 8 相位差检测补偿3 5 3 8 1 相位差检测补偿的意义3 5 3 8 2 相位差检测原理3 7 3 8 3 相位差检测电路性能测试3 9 3 9e r t 系统主要参数指标4 1 3 1 0 本章小结4 2 第4 章电阻层析成像程序设计4 4 4 1 下位机控制4 4 4 2 上位机控制4 5 4 3e r t 成像算法源程序的调用4 6 4 3 1o p e n g l 与v i s u a lc + + 的配置。4 7 4 3 2v b 中成像算法调用。4 8 第5 章电阻层析成像系统性能测试。5 0 5 1 电极信号测试5 0 5 2 数据重复性测试51 5 3 成像实验5 3 5 3 1 不同位置成像实验5 3 5 3 2 不同电流激励下的成像实验5 4 5 3 3 不同位置成像电势场测试5 5 5 3 4 相位补偿成像效果测试5 6 5 4 本章小结5 7 结论5 8 参考文献：6 0 致谢6 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 多相流检测概述 第1 章绪论 在生产实际中，广泛存在着多种混合流动模型。随着自动化水平的日益提升，对多 相流参数进行实时准确的测量，在科研和工业生产中显得愈加重要。下面对多相流的概 念及其检测技术的发展情况作进一步的介绍。 1 1 1 多相流概念 物理化学上，将系统中物理状态、物理和化学性质完全均匀的部分称为一个相，相 与相之间在指定条件下有明显界面【1 】，而且在相界面上，从宏观看物质的性质会发生突 跃式的改变。通常把自然界的物质分为气、液、固三种相态，各部分均匀的气体或液体 的单独流动称为单相流，当流体内部各部分之间存在差异时，则称为多相流。由于在多 相流中各相之间往往存在分界面，且该分界面随着流体的流动而不断发生变化，所以多 相流也可定义为存在变动分界面的多种独立物质组成的流动【2 】。 根据参与流动相的数目的不同，多相流一般分为两相流和三相流两大类，其中以两 相流最为常见，而两相流依据参与流动物质相态的差别通常有以下四大类：1 气液两相 流，如油气的混合传输；2 气固两相流，如矿石i 塑料颗粒、面粉等的气力输送；3 液 固两相流，如各种浆液的泵力输送、污水处理等；4 液液两相流，如冶金、化工的萃取 过程【l 】。本文的研究对象主要是油田上常见的油水两相流。 1 1 2 多相流检测的意义 多相流计量技术是近年来发展起来的计量方面的前沿技术，它的最大特点就是在不 进行油气水三相分离的情况下，实现对三相流量的在线实时测量。 随着油气开发逐渐向沙漠、海洋和极地等地区扩展，特别在非传统沉积物中开采石 油是相当困难的，成本也因此不断升高，而且多相流的存在导致准确测量流量也变得更 加困难，流量测量的准确性比以往任何时候显得更加重要。采用新兴的多相计量技术替 代传统占地面积较大的基于测试分离器的计量站进行多相混输和油田管理，可以大大节 省投资成本，改善油藏管理模式，提高油田开发的实际经济效益【3 1 。 从管理的角度来看，石油开采中每口井的油、气、水的含量是一个重要的测量参数， 第1 章绪论 采用多相计量技术，准确的计算出开采出来的油量和天然气量，有利于油气藏决策者随 时根据数据报表等信息监测生产工况，并迅速调整生产管理结构，完成对病态油气井的 维护和流程控制，优化整个生产过程。另外，随着无线网络和通信技术的迅速发展，资 源管理的资讯化变得更为重要，多相流量计的使用，能够使高层管理人员快速的依据最 新石油行情进行油区的量化配产，这也是未来几年油田生产管理的一个发展趋势【4 】。 从应用情况来看，塔里木油田与兰州海默公司合作，先后在轮南、牙哈、塔中四等 油田进行了多次的三相不分离计量试验，共用了2 0 台前四代多相流量计样机，并且在 1 9 9 7 年成功研制出了适应沙漠环境的移动三相不分离计量装置，收到了较好的效果【5 1 。 多相流量计作为一种新产品、新技术，投入使用的时间比较短，在使用条件和范围 上难免有一定的限制，所以多相流量计的研究还是一个长期的工作。但是随着石油工业 的发展，油井的开发及生产管理都日趋智能化和自动化，多相流量计适应了行业发展的 需要，以无可比拟的优点，必将会在石油行业中发挥更大的作用。 1 1 3 多相流检测的主要技术 在多相流中，由于每相的变化都不相同且规律难寻，所以进行精准测量的多相流检 测要比单相流难度大许多，主要表现在以下3 个方面：一是各相混合均匀度不好，由于 各相流速也不相同，各相之间存在相对速度和界面效应；二是混合后流体的黏度和总量 难以预测；三是流动状态复杂多变，特征参数多【6 】。目前国内外在多相流检测方面主要 有以下几种技术路线【7 j ： 1 传统的单相流因流动特性简单，特征参数较少，因此对其检测的技术成熟，仪表 工作可靠，通过结合多相流检测模型，把这些已有的单相流仪表应用到多相流检测中， 直是受到普遍重视的研究方向之一。 2 采用近代新技术，如激光多普勒、超声波、辐射、脉冲中子活性示踪、过程层析 成像等对多相流的参数进行检测。 3 采用软测量方法或信息融合技术。传统的检测技术往往建立在传感器等硬件基础 之上，在多相流检测领域效果并非十分理想。然而随着传感器硬件的日趋成熟和计算机 技术的迅速发展，采用模式识别、数理统计和过程参数辨识等软测量方法和信息融合技 术，为解决复杂多变的多相流系统的测试问题提供了可能。 目前，随着计算机技术和图像处理技术的发展，应用流动层析成像技术，通过测量 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 目标的外部信息，获取目标内部的变化状态或流动状态是一个重要的发展方向，该技术 最具有代表性的就是电容层析成像( e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ，e c t ) 和电阻层析 成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ，e r t ) ，二者的区别在于：前者测量介质的介电常 数分布，用于测量连续相为非导电介质的多相流；而后者测量介质的电导率分布，用于 测量连续相为导电介质的多相流【8 】。由于电阻层析成像技术对解决油田上“水包油 情 况下的两相流测量尤为适用，是目前电学成像应用多相流检测的研究热点之一。 1 2电阻层析成像技术 过程层析成像( p t ) 技术是一种过程参数在线实时检测技术，它主要以两相流和多 相流为研究对象，可显示过程参数的二维或三维分布状况。p t 技术在不破坏干扰流体 正常流动的前提下，使被测对象的介质分布信息以一种可视化的方式呈现给操作者，并 能对相含率、流速、流型进行准确的计算识别【8 】，因此，在工业过程检测领域显示了巨 大的潜力。电阻层析成像技术作为电学过程层析成像的一种典型形式，越来越受到研究 工作者的重视。 1 2 1电阻层析成像的原理与构成 多相流中各相组分具有不同的电阻率，电阻层析成像正是利用这一特性，通过一定 的技术手段得到管道某一截面的电阻率的分布来反推出各相的分布情况。目前e r t 技 术通常采用电流激励、电压测量的工作方式，数据采集模式有相邻、相对、对角三种， 相邻模式虽然受场域中电阻率变化位置的影响最大，但是它可获得的独立测量值较多， 并且需要的硬件电路最少，因而被研究者广泛采用【l l 】。下面就以相邻激励相邻测量模式 为例，如图1 1 ，介绍一下电阻层析成像技术的工作原理。 电流依次激励 ，7 、 图1 - 1 相邻模式电阻层析成像系统的原理 f i g l - 1 t h ep r i n c i p l eo fa d j a e e n ts t r a t e g ye l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y 第1 章绪论 在管道某一截面等间距安装偶数个电极作为传感器，任选取一对相邻电极，一个作 为电流流入端，另一个作为流出端，如图1 1 所示，对其施加激励电流i s ，完成过程对 象内部敏感场的建立，然后依次测量边界上所有相邻电极对上的输出电压v o ，测量一 圈完成后再切换激励电极对，按照同样的方式进行下次测量，直至激励电流遍历所有的 电极对，完成边界电压信息的获得。 测量过程中，流体分布发生变化，管道内电阻率的分布就会跟着改变，电流场的分 布、场域内电势的分布都会因此而改变，所以测量电压v o 也要发生变化。电阻层析成 像系统正是利用上述测量得到的边界电压信息，结合成像算法，重构出该截面的电阻率 分布，通常重建图像将电阻率的大小用灰度表示，而电阻率分布与流体各相分布一一对 应，这样就实现了可视化测量。 完整的电阻层析成像系统如图1 2 所示，通常由电极传感阵列、信号激励与数据采 集、图像重建与显示、特征参数提取等几部分组成【1 2 】。 图1 - 2e r t 系统基本结构 f i 9 1 - 2t h eb a s i cs t r u c t u r eo fe r ts y s t e m 图1 2 中电极传感阵列由嵌入在管道内壁某截面上等间距排布的一组或多组电极构 成，整个e r t 系统的工作流程是：控制计算机向激励与数据采集单元发送指令，产生 激励信号和电极逻辑选通信号，按照某种数据采集模式( 如相邻激励相邻测量) 进行电 压采集测量，将得到的数据送至计算机的图像重建单元，重构管道内的电阻率分布并进 行显示；最后经过图像分析，进行多相流体特征参数的提取，对图像的物理意义加以解 释，完成多相流参数的检测。 1 2 2电阻层析成像技术的国内外研究现状 多相流的流动特性和参数检测对科学研究和工业生产的安全高效运行有十分重要 的意义，工业发达国家已开展了大量的研究工作，但目前真正可用于实际工业过程参数 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 检测的多相流仪表还很少，并且对多相流量计国内外都没有相应的标准和规范，很多技 术方法还不够成熟，所以多相流参数检测仍是一个亟待发展的领域。过程层析成像技术 以其明显的优势将多相流参数在线检测提升到了一个新的发展阶段，e r t 作为p t 技术 的一个代表，得到国内外研究者的青睐。 e r t 技术真正起源于医学，它是医学电阻抗层析成像技术的一种简化形式。在8 0 年代初，随着计算机技术的发展，医学电阻抗层析成像开始受到重视，但最终由于空间 分辨率较低，并没有得到广泛认可【1 3 】。 2 0 世纪8 0 年代中后期，医学e r t 技术开始转向工业应用领域，成为p t 技术的一 个分支，但由于检测对象和信息处理方法等的不同，工业过程e r t 的研究进展缓慢， 直到9 0 年代初，在p t 领域才有相关文献报道。 经过二十多年的发展，多相流检测e r t 技术的研究重点逐渐转向到工业应用性方 面，目前主要集中于以下几方面的研究： 1 传感器的优化设计，即如何分布敏感电极阵列，获得更多的信息； 2 图象重建算法的改进，研究如何对采集到的数据进行更快、更准确的反演，重建 物场的分布情况； 3 提高采集电路的精度和动态性能，为工业应用提供更实用的测量装置。 国外从事e r t 技术较为领先的是英国u m i s t 大学和英国l e e d s 大学。英国u m i s t 大学1 9 9 8 年研制的m k 2 b 系统，采集速率达1 0 0 幅秒( 1 0 4 点幅) ，在实验室条件下 应用于石油开采用泥浆测量装置，取得了较为满意的实验效果；2 0 0 1 年又开发出利用双 极性脉冲电流源作为激励源的e r t 硬件系统设计新原理，避免了采用直流激励存在的 极化效应，为进一步提高e r t 系统实时性提供了可能。英国l e e d s 大学的科研小组将 e r t 应用于水力旋流分离器的运行工况监测研究，为其参数优化提供了新的依据 1 3 - 1 5 】。 在国内对e r t 技术的研究可以追溯到8 0 年代后期，天津大学徐苓安教授带领的科 研小组率先着手开发e r t 在线检测系统，应用于化工系国家重点实验室的精馏塔实时 观测，迄今为止相继开发出了t e r t - 1 ，2 ，3 ，4 型系统样机，其中t e r t - 4 型成像系统 采样速率可达5 0 幅秒( 4 0 k h z ，1 0 4 点幅，模拟解调) ，己完成动态试验。目前国内多所 高校开展了对e r t 技术的研究：北京航空航天大学和东北大学的研究人员在e r t 算法 上取得了一定的成果；浙江工学院开发的e r t 系统已用于土壤测量等 1 3 】。浙江大学采 5 第1 章绪论 用双极性脉冲电流源激励，基于d s p 和u s b 2 0 技术开发的高速e r t 系统，采集速度 高达1 4 6 4 帧秒，并取得了良好的精度【1 6 1 。我校对e r t 技术的研究还处于起步阶段，但 也取得了许多成果，如开发出了基于m a t l a b 的e r t 仿真软件包，为软硬件实现奠定 了基础；成功设计了第一代e r t 数据采集系统，为我校两相流检测的科学研究提供了 硬件资源和原始的实验数据。 1 2 3 电阻层析成像技术的关键问题及发展前景 e r t 技术虽然经过多年的发展，但在多相流参数检测的工业应用中，制约其商品化 的两个重要因素就是实时性和精度不够高，要改善这两方面的性能，需要在硬件和软件 方面均做出进一步的努力： 1 硬件方面 除了传感器电极材料的选择，加工安装的精度之外，硬件电路中数据采集的速度和 精度对整个系统的性能有至关重要的作用。目前e r t 系统在采集速度上一般可达1 4 。5 0 幅s ，有的采用并行测量的方法，速度可达1 0 0 幅s ，但因结构过于复杂降低了实用性。 目前大部分e r t 系统采用高频正弦波作为激励源，相敏解调的方式，那么为了滤掉由 于反复激励造成的输出信号中的脉冲噪声，都需要在测量系统中引入滤波环节。高性能 的滤波器时间常数较大，实时性差，而减小时间常数则滤波效果变差，去噪性能减弱， 二者很难兼顾。所以如何在硬件层面上提高e r t 系统的稳定性、快速性、准确性是一 个挑战性的难题。 2 软件方面 现有的用于图像重建的迭代类和非迭代类算法加起来有数十种之多，但是由于e r t 传感器的软场特性会造成较强的非线性，另外图像重建的不适定性带来的解的不稳定 性，这些都使图像重建算法的精度和速度难以满足工业应用的需要，所以开发高质量的 图像重建算法及图像物理意义解释算法显得尤为重要【7 】。 尽管e r t 技术在工业应用领域还有很多问题亟待解决，但是作为一种新兴的实时 在线检测技术，它具有成本低、非侵入性、可视化等优点，这是传统多相流检测方式无 法比拟的。随着现代各种硬件技术和信息处理技术的高速发展，这些都为上述问题的解 决提供了可能，相信e r t 技术会在更多的领域有更美好的发展前景。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 本论文的主要工作与内容 本文的主要任务是基于上一代e r t 数据采集样机，在采集精度和速度两方面进行 改进，研究相敏解调过程中测量信号和参考信号的相位差特点并进行检测补偿，通过简 易的多相流管道模拟装置对改进后的样机进行性能测试，为后续的图像重建提供更快更 精准的数据支持。主要包括以下几个方面：选用恰当的方案完成e r t 系统硬件电路的 设计和改进工作，包括数控电流源、电极选通、信号传输驱动屏蔽、模拟信号调理、相 位差检测补偿、a d 采集等模块电路；利用1 6 电极简易多相流模拟装置，完成相邻激励 相邻测量模式下的数据测试；研究目前的几种成像算法，将v c 下的线性反投影( l b p ) 成像算法集成到数据测量软件中，完成数据的实时采集存储和图像显示，并对系统整体 性能进行评估。 论文具体内容包括： 1 第1 章在阅读大量有关多相流检测和e r t 技术文献的基础上，从e r t 系统的原 理与构成，研究现状、工业应用过程中必须解决的关键问题和发展前景等方面进行了综 合评述。 2 第2 章介绍了e r t 应用的基本条件、数理模型、e r t 实现的正问题与反问题、线 性反投影l b p 算法的原理以及微弱信号检测中的锁定放大技术：模拟乘法解调和开关 解调的原理。 3 第3 章介绍了e r t 系统硬件各模块电路的设计。系统采用高性能的基于a r m 7 内核的微处理器作为主控制器，设计了基于直接数字合成( d d s ) 芯片的激励电流源；采 用电缆层屏蔽驱动技术，设计了信号传输隔离电路；利用四层板设计完成了e r t 信号 调理电路，实现了对电极测试信号的前置放大隔直、程控放大、相位差检测、开关解调 和低通滤波等，并分析了开关解调滤波环节对系统实时性能的影响；对开关解调过程中 参考信号和测量信号相位差进行了测试，分析了二者相位差对成像结果的影响；利用主 控制器的丰富资源，完成了与a d 转换器的接口电路的设计；同时系统中还加入了程控 放大信号失真监测电路。最后给出了改进后的e r t 数据采集系统的主要硬件指标，并 对本章进行了小结。 4 第4 章编写了基于c 语言的下位机控制程序和基于v i s u a lb a s i c6 0 的上位机数据 采集软件，实现了对e r t 激励信号和参考信号的程控调整，数据采集存储和实时成像， 7 第1 章绪论 并能对1 6 根电极传输信号线的通断和采集数据的正确性做初步判断和报警；将基于 v i s u a lc + + 6 0 编写的线性反投影l b p 算法，结合o p e n g l 技术，完成了算法图像的绘 制，并实现了在上位机中软件中的调用。 5 第5 章主要利用1 6 电极简易管道两相流模拟装置对设计的e r t 数据采集系统进 行性能测试，并完成了一些成像实验，对结果进行了分析。 6 结论部分对整个论文进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章电阻层析成像的理论基础 2 1电阻层析成像数学建模 2 1 1e r t 数理模型 似稳场是电磁场理论中的概念，e r t 系统敏感场的所有理论都建立在似稳场假设的 基础上展开的。似稳场需遵循静态场的规律，可看作似稳场的电磁场有三类 7 1 ： 1 频率很低或者随着时间变化很缓慢的电磁场。 2 导电介质中位移电流可忽略不计，其大小远小于传导电流的电磁场。 3 除上述两种情况外，以场源为中心，以远小于入6 ( 入为电磁波波长) 为半径的 部分空间区域也可看作似稳场。 大部分e r t 系统的激励频率f v f = 3 x1 0 3m ，2 6 = 5 0 0 m ，实际应用时e r t 系统的管道直径 肯定远小于5 0 0 米，完全符合上述第三种情况，所以可将e r t 传感器的敏感场看作似 稳场。 电磁场的基本方程是麦克斯韦方程，e r t 系统的敏感场同样满足，然而一般形式的 麦克斯韦方程求解相当困难。但是有了上述似稳场的论断，同时由于研究的e r t 敏感 场内没有激励源频率范围内的电流源，所以场内各处电流散度为零，可以用似稳场的理 论简化e r t 系统的求解过程。 目前大多数e r t 系统，采用的是电流激励，可将问题归结于：给定敏感场的电阻 率分布p ( x ，y ) 、边界电流密度j ( x ，y ) ，求敏感场内部各点的电势分布u ( x ，y ) ，这就是 n e u m a n n 边值问题： iv ( p - 1 v u ) = 0 ，( 工，j ，) q ( 1 p 。1i a u ：_ ，阮y ) ，( 圳y m q 。 l u n 当采用静态场的理论进行分析时，根据m a x w e l l 方程，上述n e u m a n n 边界求解问 题可描述为如下方程【l l 】： v ( o r e ) = 0 在q 内 ( 2 2 ) 9 第2 章电阻层析成像的理论基础 a 矽i 仃i 铀2j o n ( ，y o ) = 0 ( x o ，y o ) q ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 其中q 为物体所在的空间域，o x 2 为其边界，v 和v 分别为散度和梯度算子，矽为未知 电势分布函数，仃为待求的电导率分布，j 为边晃电流密度分布函数，取q 内一点 爿( ，y o ) 作为参考节点，其电势矽( ，y o ) 为零。 2 1 2e r t 技术的正反问题与l b p 算法 在电磁场的分析中存在正问题和反问题的求解，e r t 技术的实现同样也包含了这两 部分。正问题指己知电阻率的分布和初始条件求取敏感场电势分布的过程；而反问题则 刚好相反，根据测得的边界电压值反求电阻率分布的过程。因此整个e r t 系统的工作 过程可以概括为：根据硬件电路获取的测量数据( 正问题解的获取过程) ，进行图像重 建( 反问题求解过程) 【1 7 1 。本课题的主要工作是研究e r t 的正问题过程，即设计硬件 电路获取边界测量电压，但整个系统最终的实时成像要调用成像算法，也即反问题的求 解，下面对反问题及线性反投影l b p 算法作一个简单的介绍。 e r t 反问题的实现关系到最终图像重建的速度和成像质量，是e r t 技术的难点和 关键。目前常见的几种图像重建算法有：线性反投影算法( l b p ) 、n e w t o n r a p s o n 法( m n r ) 及其改进算法、遗传算法、灵敏度系数法、神经网络算法等【1 刀。l b p 算法计算量最小， 重建速度快，但是成像质量较差，是一种定性算法；m n r 算法则刚好相反，是一种定 量的图像重建算法。考虑到实用性，目前世界上一些电学成像公司相继推出的产品大部 分都是基于l b p 算法的，而本课题算法的实现不是重点，仅作为功能实现的一部分， 用于实际测试，所以采用了较易实现的l b p 算法。 l b p 算法的原理如图2 1 所示，相邻激励相邻测量模式下，当任意相邻的第k 、k + 1 电极对施加电流i 之后，管道由此建立起的敏感场，各电极所在的等位线终止于激励电极 对中间的边界区域，且任意两条相邻的等位线之间会形成一个投影域，此区域可看作是 一个“硬场”：电阻率的平均变化与相应等位线之间的电位差变化成正比关系。因此在 投影域内反投影的过程遵循上述规律，平均电阻率由肛变为4 ，边界测量电压形变为 时，应满足： l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 鲁= 鲁即= 詈房 ( 2 - 5 ) 岛巧 一。 k “ 、7 最终将所有反投影结果迭加，就可得到整个场域内电阻率的分布轮廓。 撩 赫 瞪 连 i 图2 - 1l b p 算法原理 f i g2 - 1 t h ep r i n c i p l eo fl b p l b p 算法将边界上的电压变化直接沿等位线反投影，其算法实现分为以下过程： 1 场域剖分，将图像数值化； 2 生成投影域等位线覆盖矩阵，确定反投影等位线的位置和每一个剖分单元所对应 的等位线区域； 3 利用硬件采集或软件